A recente “Tensão de Hubble” na cosmologia, marcada por medições conflitantes da taxa de expansão, levanta questões sobre o modelo cosmológico padrão. Uma nova teoria sugere que um vazio gigante e raso poderia explicar estas anomalias, desafiando as visões tradicionais da distribuição da matéria no Universo e sugerindo uma possível modificação da teoria da gravidade de Einstein.
Os cosmólogos propõem um vazio gigante no espaço como solução para a “tensão de Hubble”, que desafia os modelos convencionais e sugere uma revisão da teoria da gravidade de Einstein.
Um dos grandes mistérios da cosmologia é a velocidade com que o universo está se expandindo. Isso também pode ser previsto usando o modelo de constante cosmológica Matéria escura lambda-fria (ΛCDM). O modelo é baseado em observações detalhadas da luz que sobra da luz Big Bang – chamada de radiação cósmica de fundo (CMP)
A expansão do universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. Quanto mais longe eles vão de nós, mais rápido eles se movem. A relação entre a velocidade e a distância de uma galáxia é governada pela “constante de Hubble”, que é de 43 milhas (70 km) por segundo por megaparsec (uma unidade astronômica de comprimento). Significa uma constelação Faz cerca de 50.000 milhas nele Está a cerca de um milhão de anos-luz de distância de nós.
Mas, infelizmente para o modelo padrão, este valor foi recentemente contestado, levando os cientistas a chamarem “A tensão de Hubble.” Quando medimos a taxa de expansão usando galáxias próximas e supernovas (estrelas em explosão), ela é 10% maior do que previmos com base na CMB.
Impressão artística do vazio gigante e dos fios e paredes que o rodeiam. Crédito: Pablo Carlos Budassi
nosso Novo papel, apresentamos uma explicação possível: vivemos num vazio gigante (uma região de densidade inferior à média) no espaço. Mostramos que isso pode aumentar as escalas locais com a matéria escapando do vácuo. As regiões mais densas ao redor do vácuo serão ejetadas quando ele for desconectado – elas exercerão uma força gravitacional maior do que o material menos denso dentro do vácuo.
Neste cenário, teríamos que estar perto do centro do vazio, com um bilhão de anos-luz de raio e cerca de 20% menos denso que a média do universo como um todo – portanto, não completamente vazio.
Um vazio tão grande e profundo é inesperado no modelo padrão – e, portanto, controverso. O CMP fornece um instantâneo da estrutura do universo infantil, sugerindo que a matéria hoje deveria ser distribuída uniformemente. No entanto, calcula diretamente o número de galáxias em diferentes regiões Realmente recomendo Estamos num vácuo local.
Invertendo as leis da gravidade
Queríamos testar ainda mais esta ideia, ajustando várias observações cosmológicas à suposição de que vivemos num grande vácuo que cresceu a partir de uma pequena flutuação de densidade nos primeiros tempos.
Para fazer isso, nosso modelo não incorpora ΛCDM, mas uma teoria alternativa chamada mecânica newtoniana modificada (segunda-feira)
O MOND foi proposto pela primeira vez para explicar as anomalias nas velocidades de rotação das galáxias, levando à sugestão de uma substância invisível conhecida como “matéria escura”. MOND sugere que as anomalias podem ser explicadas quebrando a lei da gravidade de Newton quando a gravidade é muito fraca – como nas regiões exteriores das galáxias.
A história geral da expansão cósmica no MOND é semelhante ao modelo padrão, mas a estrutura (como aglomerados de galáxias) cresce mais rapidamente no MOND. Nosso modelo captura a aparência do universo local no universo MOND. Descobrimos que as medições locais da taxa de expansão hoje permitem flutuações dependendo da nossa localização.
Flutuações de temperatura CMB: Uma imagem detalhada de todo o céu do universo infantil, criada a partir de nove anos de dados WMAP, revela flutuações de temperatura (mostradas como diferenças de cor) que têm 13,77 mil milhões de anos. Crédito: Equipe Científica da NASA / WMAP
Observações recentes de galáxias permitiram um novo teste importante do nosso modelo em termos de velocidades previstas em diferentes locais. Isso pode ser feito medindo algo chamado fluxo volumétrico, que é a velocidade média da matéria, densa ou não, em uma determinada esfera. Varia com o raio da esfera Observações recentes mostrando Continua Até um bilhão de anos-luz.
Curiosamente, o fluxo total de galáxias deste tamanho é quatro vezes mais rápido do que o esperado no modelo padrão. Também parece aumentar com o tamanho da região considerada, ao contrário do que prevê o modelo estático. A probabilidade de isto corresponder ao modelo padrão é inferior a uma em um milhão.
Isso nos levou a ver o que nosso estudo prevê para o fluxo total. Descobrimos que deu bons resultados corresponder Para observações. Para isso precisamos estar muito próximos do centro do vazio, e o vazio deve estar muito vazio no seu núcleo.
Caso encerrado?
Os nossos resultados surgem num momento em que as soluções populares para a tensão do Hubble estão em apuros. Alguns acreditam que precisamos de medições mais precisas. Outros acham que isso pode ser resolvido dada a alta taxa de expansão que medimos localmente Um perfeito mesmo. Mas isso requer uma pequena mudança na história da expansão do universo primitivo, de modo que a CMB ainda parece correta.
Infelizmente, uma revisão influente destacou sete problemas Com esta abordagem. Se o universo se expandisse 10% mais rápido do que a maior parte da história cósmica, seria 10% mais jovem – paradoxal. Períodos Estrelas primitivas.
A existência de um vazio local profundo e extenso no número de galáxias e os rápidos fluxos totais observados sugerem fortemente que ΛCDM cresce mais rápido do que o esperado em escalas que variam de dezenas a centenas de milhões de anos-luz.
Esta é uma imagem do Telescópio Espacial Hubble das galáxias mais massivas já vistas quando o Universo tinha metade da sua idade atual de 13,8 mil milhões de anos. O aglomerado consiste em várias centenas de galáxias orbitando sob a força gravitacional coletiva. A massa total do aglomerado refinado nas novas medições do Hubble é estimada em cerca de 3 milhões de bilhões de estrelas semelhantes ao nosso Sol (cerca de 3.000 vezes maior que a nossa galáxia, a Via Láctea) – embora grande parte da massa esteja oculta. como matéria escura. A localização da matéria escura é mapeada na sobreposição azul. Como a matéria escura não emite qualquer radiação, os astrónomos do Hubble podem, em vez disso, medir com precisão como a sua gravidade altera as imagens de galáxias distantes de fundo, como um espelho de casa de diversões. Isso nos permitiu chegar a uma estimativa de massa para o cluster. Em 2012, o aglomerado foi apelidado de El Gordo (que significa “a gordura” em espanhol), quando observações de raios-X e estudos cinemáticos sugeriram pela primeira vez que ele era incomumente massivo para a época no universo primitivo. Os dados do Hubble confirmaram que o aglomerado está passando por uma fusão violenta entre dois aglomerados menores. Crédito: NASA, ESA e J. Jee (Universidade da Califórnia, Davis)
Curiosamente, sabemos que o enorme aglomerado de galáxias El Gordo (ver imagem acima) foi formado. Muito cedo A história cósmica tem muitas massas e velocidades de colisão para ser compatível com o Modelo Padrão. Esta é mais uma prova de que a estrutura evolui muito lentamente neste modelo.
Como a gravidade domina escalas tão grandes, devemos estender a teoria da gravidade de Einstein à relatividade geral — mas apenas em escalas. Maior que um milhão de anos-luz.
No entanto, não temos uma boa maneira de medir como a gravidade funciona em escalas muito grandes – não existem objetos presos por forças gravitacionais massivas. A relatividade geral é válida e comparável às observações, mas é precisamente esta abordagem que leva às tensões mais graves que o nosso melhor modelo cosmológico enfrenta atualmente.
Acredita-se que Einstein tenha dito que os problemas não podem ser resolvidos pelo mesmo pensamento que os criou. Embora as mudanças necessárias possam não ser drásticas, podemos ter visto a primeira evidência fiável em mais de um século de que precisamos de mudar a nossa teoria da gravidade.
Escrito por Indranil Panik, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Astrofísica da Universidade de St Andrews.
Adaptado de um artigo publicado originalmente Conversação.