Por mais de um século, os cientistas sabem que o universo vem se expandindo desde o big bang, o evento primordial que começou tudo 13,8 bilhões de anos atrás.

Mas por enquanto, eles não foram capazes de resolver um problema complicado. Quão rápido ele está se expandindo? Isso ocorre porque há uma disparidade entre a taxa estimada com base na radiação que sobrou do big bang, conhecido como fundo de micro-ondas cósmico, ou CMB no jargão científico, e o ritmo significativamente mais rápido com base em observações de supernovas. A taxa de expansão do universo é conhecida como Constante de Hubble, portanto, a disparidade é conhecida como "Tensão de Hubble".

Os cientistas acreditam que a expansão contínua do universo foi impulsionada por uma força chamada energia escura, que parece ter começado a reverter a desaceleração do universo 7 ou 8 bilhões de anos após o big bang.

O que é energia escura?

"A energia escura é uma fonte hipotética de energia no universo hoje que, de acordo com o nosso melhor entendimento do universo compreende aproximadamente 70 por cento da energia total do universo, "explica Glenn Starkman, um distinto professor universitário e co-presidente do departamento de física da Case Western Reserve University.

"A evidência primária de sua existência é a expansão acelerada do universo que parece ter ocorrido nos últimos bilhões de anos, "diz Starkman." Para conduzir tal expansão requer uma fonte de energia que não se dilui mais (ou dilui muito pouco) à medida que o universo se expande. Isso desqualifica a maioria das fontes de energia - por exemplo, assunto comum, ou matéria escura, ambos se tornam menos densos à medida que o universo se torna maior. O modelo mais simples de energia escura é que é a densidade de energia imutável associada ao espaço vazio. Como tal, se o espaço se expandir, a densidade da energia escura permaneceria constante. "

Mas, há muitas coisas inexplicáveis ​​sobre a energia escura, incluindo porque não existiu o tempo todo. E mesmo a inclusão da energia escura no modelo padrão não resolve a disparidade entre as duas medidas de expansão cósmica.

E a energia escura inicial?

Mas dois novos, estudos ainda a serem publicados, ambos baseados em dados coletados entre 2013 e 2016 pelo Atacama Cosmology Telescope (ACT), pode ajudar a apontar uma possível solução para um problema. Os pesquisadores acreditam que encontraram traços de um tipo de energia escura "inicial" que existia nos primeiros 300, 000 anos após o big bang. Este artigo recente na Nature de Davide Castelvecchi publicou pela primeira vez os dois artigos, um pela equipe ACT e outro por um grupo independente que incluía Vivian Poulin, um astrofísico da Universidade de Montpellier, na França, e seus colegas Tristian L. Smith e Alexa Bartlett, do Swarthmore College.

A ideia da energia escura inicial foi proposta há alguns anos por Poulin, em seguida, um pós-doutorado na Universidade Johns Hopkins, Smith e colegas, como forma de resolver a questão.

"A energia escura inicial é uma proposta para outra forma de energia escura, ou seja, não obviamente relacionado à energia escura que causa a expansão acelerada de hoje, "Starkman explica. EDE" teria desempenhado um papel importante no universo há muito tempo, quando o universo era cerca de 10, 000 vezes menor e mais quente do que é atualmente. "É um conceito, ele diz, que "foi planejado para resolver certas divergências misteriosas sobre a história da taxa de expansão do universo."

Como o artigo da Nature explica, a energia escura inicial não teria sido forte o suficiente para causar a expansão acelerada do universo bilhões de anos depois. Em vez de, teria influenciado indiretamente, causando a mistura de partículas elementares, ou plasma, formado logo após o big bang, para esfriar mais rapidamente. Este, por sua vez, afetaria como o fundo de microondas cósmico deveria ser medido - especialmente medições da idade e taxa de expansão do universo com base em quão longe as ondas sonoras poderiam viajar no plasma antes de se resfriar em gás - e resultaria em uma taxa de expansão mais rápida que está mais próxima ao que os astrônomos calculam com base em objetos celestes.

A energia escura inicial é uma solução teórica complicada, mas "é o único modelo que podemos usar, "como o físico teórico da Universidade Johns Hopkins, Mark Kamionkowski, um dos autores do artigo sobre energia escura de 2018, explicado à Natureza.

A conclusão não é clara

Os dois estudos podem ajudar a apoiar a defesa da energia escura inicial, mas um dos pesquisadores envolvidos diz que ainda não está totalmente convencido e adverte que mais trabalho é necessário para chegar a uma conclusão clara.

"Tenho sido cético sobre os primeiros modelos de energia escura devido aos problemas que eles enfrentam ao combinar medições de alta precisão da distribuição em grande escala de galáxias e matéria no universo ('estrutura em grande escala', ou LSS), "Professor assistente de física da Universidade de Columbia J. Colin Hill, co-autor do estudo da equipe ACT, notas em um e-mail. (O questionamento de Hill sobre o conceito é refletido neste artigo que ele foi coautor em 2020, e em um artigo posterior também, e ele também menciona outro artigo de outros pesquisadores que levanta complicações semelhantes.)

"A conclusão dos três artigos relacionados acima é que os primeiros modelos de energia escura que se encaixam nos dados do CMB e do Riess, et al., Dados H0 produzem previsões para LSS que não correspondem aos dados dessas pesquisas, "Hill escreve no e-mail." Assim, concluímos que um modelo teórico diferente é provavelmente necessário, ou pelo menos alguma modificação do cenário da energia escura inicial. "

No novo estudo que Hill e colegas do ACT acabaram de postar, eles não consideraram os dados LSS na análise, e, em vez disso, concentrou-se quase exclusivamente nos dados CMB. "O objetivo era realmente ver se os dados do Planck e do ACT CMB davam resultados consistentes no contexto da energia escura inicial. Descobrimos que eles fornecem resultados um tanto diferentes, que é um grande enigma que agora estamos trabalhando arduamente para tentar entender. Do meu ponto de vista, o problema LSS para o cenário de energia escura inicial permanece sem solução. "

"Além disso, os dados do Planck por si próprios (que permanecem o conjunto de dados mais preciso em cosmologia) não mostram uma preferência pela energia escura inicial, "Hill explica." Assim, apesar das dicas que vimos nos dados do ACT para a energia escura inicial, Continuo cauteloso sobre se esse modelo pode realmente ser a história final. Precisamos de mais dados para descobrir. "

Se existisse, a energia escura inicial teria sido semelhante à força que se acredita estar impulsionando a taxa atual de expansão do universo. Mas ainda exigiria um repensar significativo do modelo teórico.

"A principal diferença é que esta energia escura inicial deve desempenhar um papel apenas por um breve período na história cósmica, e então deve 'desaparecer', "Diz Hill." Para conseguir isso, construímos modelos de física de partículas de um novo campo (tecnicamente, um campo semelhante ao axion) que atua para acelerar brevemente a expansão do universo antes da recombinação, mas então desaparece rapidamente e se torna irrelevante. "

"Em contraste, a imagem principal atual da energia escura padrão é que ela é simplesmente uma constante cosmológica, provavelmente proveniente de energia de vácuo, "Hill continua." Esta forma de energia não muda com o tempo. É possível, Contudo, que a energia escura padrão pode ser devido a algum novo campo fundamental que ainda não entendemos. Nesse caso, pode muito bem estar evoluindo com o tempo, e poderia, portanto, ter alguma semelhança com o modelo inicial de energia escura discutido acima. "

"Novamente, precisaremos de mais dados para investigar essas questões com mais precisão, e espero encontrar respostas na próxima década, "Diz Hill." Felizmente, muitos experimentos poderosos estarão online em breve. "Ele menciona instalações como o Observatório Simons, que estudará o CMB, bem como o Observatório Rubin e os telescópios espaciais Euclides e Romanos, que irá reunir novas informações sobre o LSS. "Deve ser muito emocionante ver o que encontramos, " ele diz.

Aqui está um vídeo do YouTube no qual Hill discute a energia escura inicial:

Starkman diz que é importante ter cuidado com tais afirmações "extraordinárias", a menos que a evidência seja clara e convincente. Como ele aponta, há evidências contra EDE também. "Os resultados atuais mostram tensões crescentes entre dois conjuntos de dados experimentais de observação da radiação cósmica de fundo - do satélite Planck da Agência Espacial Europeia, que voou no início da última década, e do atual Atacama Cosmology Telescope. O primeiro parece não apoiar a ideia da energia escura inicial, enquanto o último agora o faz. Essas tensões entre experimentos são comuns e frustrantes. É tentador dizer que mais dados do ACT resolverão a questão, mas simplesmente sobrecarregar os dados completos do Planck com mais dados ACT não explicará por que os dados do Planck não favorecem o EDE. A tensão parece exigir uma compreensão revisada de um desses experimentos, a fim de fornecer um caso claro de uma forma ou de outra. "

Wendy Freedman, um professor de astronomia e astrofísica da Universidade de Chicago que trabalhou na medição da expansão cósmica, pensa que é importante buscar vários modelos alternativos.

O modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM)

"Atualmente, temos um modelo padrão de cosmologia, o chamado modelo lambda de matéria escura fria (LCDM), "Freedman, o autor deste artigo, publicado em 17 de setembro, 2021, na Constante de Hubble no The Astrophysical Journal, explica em um e-mail. "Nesse modelo, cerca de 1/3 da densidade total de matéria + energia é devido à matéria (a maior parte da qual é matéria escura) e 2/3 é devido a um componente da energia escura."

"Contudo, no momento atual, não conhecemos a natureza da matéria escura ou da energia escura, "Freedman continua." Ainda assim, o LCDM oferece um ajuste extremamente bom para uma ampla gama de diferentes experimentos e observações. Dado nosso estado de conhecimento, é claramente importante testar mais o modelo padrão. A aparente discrepância atual entre o valor da constante de Hubble inferida das medições CMB e algumas medições locais pode estar sinalizando uma nova física. É por isso que digo que é importante investigar outros modelos além do lambda CDM. "

Mas Freedman adiciona uma advertência importante:"Alternativamente, pode haver algum erro sistemático ainda desconhecido que é responsável pela aparente discrepância. Portanto, também é importante reduzir as incertezas nas atuais medições da constante de Hubble. "

Se a energia escura inicial acabou existindo, figurá-lo na estimativa da idade do universo resultaria no cosmos sendo 1,4 bilhão de anos mais jovem do que a estimativa atual de 13,8 bilhões de anos.