Cientistas acreditam que o universo está a abrandar. Será motivo de preocupação?

Talvez tenhamos andado a fazer contas erradas quando estimamos a rapidez com que o Universo se expande. Este desacordo tem sido uma das frentes mais polémicas da cosmologia, mas começa a ganhar forma uma via que poderá aproximar as posições e reduzir a discórdia entre especialistas.

Há perguntas que continuam a tirar o sono aos cosmologistas por falta de respostas definitivas - a matéria escura, a assimetria matéria–antimatéria, a energia escura ou o destino a muito longo prazo do cosmos. A par destas, existe um quebra-cabeças particularmente irritante: porque é que o Universo não parece expandir-se à mesma velocidade consoante o método usado para a medir?

Quando se observam explosões estelares relativamente próximas (supernovas) obtém-se um valor. Quando, por outro lado, se recua ao primeiro brilho remanescente do Big Bang - o fundo difuso cosmológico, a chamada “luz fóssil” que preenche o espaço em todas as direcções - e se calcula a expansão a partir daí com o apoio do modelo cosmológico padrão, aparece um número diferente. A diferença parece pequena à primeira vista, mas para a ciência uma “constante” que não bate certo é um problema sério.

Este desfasamento tem nome: tensão de Hubble. E é desconfortável porque sugere que podemos estar a falhar algo fundamental na nossa compreensão do Universo. Duas novas análises, publicadas a 3 de Fevereiro na revista Astronomy & Astrophysics, propõem uma forma alternativa de estimar a expansão cósmica. Segundo os seus resultados, o espaço poderá estar a esticar-se mais lentamente do que se tem assumido.

Constante de Hubble: quando uma “constante” não parece constante

Para perceber o debate, é essencial entender a constante de Hubble. O nome homenageia Edwin Hubble, que na década de 1920 mostrou que o Universo está em expansão. Esta constante descreve a taxa a que o próprio espaço se dilata.

A medida usa a unidade km/s/Mpc (quilómetros por segundo por megaparsec), sendo que 1 Mpc corresponde a cerca de 3,26 milhões de anos-luz.

O problema surge porque, ao estimar a constante de Hubble por duas vias consideradas robustas, os valores não coincidem:

• Medições locais (por exemplo, com supernovas em regiões relativamente próximas): 73 km/s/Mpc
• Medições “primordiais” (com o fundo difuso cosmológico, combinado com o modelo cosmológico padrão): 68 km/s/Mpc

A diferença é de 5 km/s/Mpc. Traduzindo: para duas galáxias separadas por ~3,26 milhões de anos-luz, um método indica que se afastam 5 km/s mais depressa do que o outro prevê. À escala cosmológica, isto é significativo - e, sobretudo, não deveria acontecer. Se dois procedimentos rigorosos devolvem respostas distintas, então ou há enviesamento numa das medições, ou ambas estão a omitir algum ingrediente.

Modelo ΛCDM, matéria escura e energia escura: será que falta uma peça?

Apesar de várias tentativas, a tensão de Hubble tem resistido a explicações fáceis. Isso leva inevitavelmente à pergunta desconfortável: estará o modelo padrão do Universo - o modelo ΛCDM - a assentar numa premissa mal construída?

Ao longo das últimas décadas, o modelo ΛCDM apoiou-se em dois pilares invisíveis: - a matéria escura, introduzida para explicar porque é que as galáxias e enxames não se desfazem gravitacionalmente; - a energia escura, acrescentada para justificar por que razão a expansão do Universo acelera.

Em conjunto, estes componentes representariam cerca de 95% do conteúdo do Universo, embora não tenham sido detectados directamente. A sua existência foi inferida porque, sem eles, as equações deixam de fechar e o retrato cosmológico fica incompleto.

A tensão de Hubble agrava o dilema: se mesmo com estes “apoios” o modelo falha na constante de Hubble, talvez seja preciso um terceiro elemento - ou talvez um dos dois esteja mal caracterizado. Foi precisamente para evitar as limitações dos dois métodos tradicionais que duas equipas decidiram seguir um caminho diferente: uma abordagem teórica e observacional que não dependa de supernovas nem do fundo difuso cosmológico, reduzindo assim os possíveis enviesamentos herdados.

Uma terceira via para a tensão de Hubble: dinâmica de grupos de galáxias (Centaurus A e M81)

Em vez de escolher supernovas ou o Universo primordial, os investigadores focaram-se em dois grupos de galáxias próximos: o grupo Centaurus A e o grupo M81. A ideia base é elegante: estes sistemas estão sujeitos a duas influências concorrentes:

• a gravidade local, que tende a manter as galáxias ligadas entre si;
• o chamado fluxo cósmico, que combina a expansão associada à energia escura com a atracção de estruturas muito massivas a grandes distâncias, puxando o conjunto para fora e esticando o espaço onde as galáxias se encontram.

Ao modelar este “jogo” de atracção e afastamento - quem atrai quem, com que intensidade, e quanto é que cada galáxia ainda assim se afasta - é possível inferir qual a taxa de expansão local compatível com o que se observa. Em princípio, trata-se de uma medição independente: não assenta nem na escada de distâncias das supernovas, nem na extrapolação desde o Big Bang, evitando os pontos fracos típicos de ambas.

Detalhes internos que mudam os cálculos

Ao examinarem o grupo Centaurus A, os autores salientam que a galáxia gigante Centaurus A poderá não dominar o ambiente de forma tão absoluta como se supunha. Em vez de um único “centro” gravitacional, os dados apontam para um cenário em que Centaurus A e M83 formam um sistema binário, repartindo massa e influência. Isto altera a lógica de modelos antigos, que assumiam uma massa centralizada.

No grupo M81, o par central M81–M82 já era bem conhecido, mas as novas análises indicam que a região interior do grupo está inclinada cerca de 34° em relação ao seu entorno. Além disso, numa escala de ~10 milhões de anos-luz, o grupo parece alinhar-se com uma grande estrutura em “folhas” de matéria que se estende até à vizinhança do grupo Centaurus A. Ou seja, são dois grupos distintos, mas inscritos numa mesma teia de grande escala - algo que condiciona a interpretação das suas dinâmicas.

Um valor mais baixo para a expansão: 64 km/s/Mpc

Ao separar o que é gravidade interna do que é expansão global, os investigadores obtiveram uma estimativa própria para a rapidez com que o espaço se estica nesta região: 64 km/s/Mpc.

Este número fica não só abaixo dos 73 km/s/Mpc derivados de supernovas, como desce inclusive abaixo dos 68 km/s/Mpc obtidos a partir do fundo difuso cosmológico.

Se esta estimativa estiver correcta, o impacto conceptual é grande. Nos últimos anos, para lidar com a tensão de Hubble, muitos teóricos preparavam-se para soluções drásticas: procurar falhas na relatividade geral, propor uma energia escura que evolui com o tempo, ou introduzir partículas exóticas. Em suma, tentava-se encontrar “nova física” para resolver um impasse que parecia insolúvel.

As conclusões destas equipas apontam para outra leitura: os ingredientes do modelo ΛCDM - matéria comum, matéria escura e energia escura - podem ser suficientes para explicar a expansão. Se ainda existir discrepância na constante de Hubble, ela poderá nascer sobretudo das próprias técnicas de medição, em particular da forma como reconstruímos distâncias e movimentos no Universo.

Porque é que os métodos clássicos podem divergir

Tanto as supernovas como o fundo difuso cosmológico dependem de cadeias de inferência com pontos vulneráveis:

• No caso das supernovas, é preciso calibrar uma sequência de “marcos” (padrões de distância) uns a partir dos outros; cada etapa acrescenta a sua margem de erro e potenciais enviesamentos.
• No caso do fundo difuso cosmológico, o valor actual da expansão é obtido ao projectar a evolução do Universo desde os primeiros instantes, com base num modelo teórico, assumindo que ele é válido em todas as épocas sem falhas relevantes.

Em termos práticos, isto significa que nenhuma das abordagens está a medir “directamente” a expansão tal como ocorre hoje: ambas a reconstroem por caminhos diferentes, apoiando-se em pressupostos e etapas intermédias que podem deslocar o resultado final.

O que muda - e o que não muda - para nós

Mesmo que o Universo esteja a expandir-se um pouco mais devagar do que se pensava, não há qualquer motivo para alarme: não haverá impacto no Sistema Solar, muito menos na Terra. O que está em jogo é sobretudo uma reorganização conceptual - a possibilidade de aliviar uma crise intelectual sem exigir uma reescrita total das leis fundamentais da física.

Ainda assim, para declarar a tensão de Hubble resolvida, será necessário mais do que dois estudos. O desafio agora é demonstrar que esta abordagem pode ser generalizada ao Universo inteiro, e não apenas a estes dois grupos: o que se verifica na nossa vizinhança galáctica será igualmente válido à escala cosmológica?

Outras medições independentes que podem desempatar (e porquê)

Há ainda linhas de investigação complementares que podem ajudar a arbitrar o conflito sem depender das mesmas suposições. Um exemplo são as “sirenas padrão”: fusões de estrelas de neutrões detectadas por ondas gravitacionais, que permitem estimar distâncias de forma directa quando existe contrapartida electromagnética. Outro caminho passa por explorar efeitos de lentes gravitacionais e medições em grande escala como as oscilações acústicas bariônicas, que oferecem controlos cruzados importantes.

À medida que estes métodos amadurecem e que novos levantamentos astronómicos aumentam a amostra e a precisão, será possível testar se valores mais baixos da constante de Hubble - como os 64 km/s/Mpc sugeridos aqui - se mantêm consistentes em diferentes ambientes e distâncias. É aí que se decidirá se o problema era sobretudo de medição ou se, afinal, a física ainda guarda uma surpresa.