É embaraçoso, mas os astrofísicos são os primeiros a admitir isso. Nosso melhor modelo teórico pode explicar apenas 5% do universo. Os 95% restantes são compostos quase inteiramente de invisíveis, material desconhecido apelidado de energia escura e matéria escura. Portanto, embora haja um bilhão de trilhões de estrelas no universo observável, eles são extremamente raros.

As duas misteriosas substâncias escuras só podem ser inferidas a partir de efeitos gravitacionais. A matéria escura pode ser um material invisível, mas exerce uma força gravitacional sobre a matéria circundante que podemos medir. A energia escura é uma força repulsiva que faz o universo se expandir em um ritmo acelerado. Os dois sempre foram tratados como fenômenos separados. Mas meu novo estudo, publicado em Astronomia e Astrofísica , sugere que ambos podem fazer parte do mesmo conceito estranho - um único, "fluido escuro" unificado de massas negativas.

Massas negativas são uma forma hipotética de matéria que teria um tipo de gravidade negativa - repelindo todo o outro material ao seu redor. Ao contrário da familiar matéria de massa positiva, se uma massa negativa foi empurrada, aceleraria em sua direção, em vez de se afastar de você.

Massas negativas não são uma ideia nova na cosmologia. Assim como a matéria normal, as partículas de massa negativa se espalhariam mais à medida que o universo se expandisse - o que significa que sua força repulsiva se tornaria mais fraca com o tempo. Contudo, estudos têm mostrado que a força que impulsiona a expansão acelerada do universo é incessantemente constante. Essa inconsistência já havia levado pesquisadores a abandonar essa ideia. Se houver um fluido escuro, não deve diminuir com o tempo.

No novo estudo, Proponho uma modificação na teoria da relatividade geral de Einstein para permitir que as massas negativas não apenas existam, mas para ser criado continuamente. "Criação de matéria" já estava incluída em uma teoria alternativa inicial ao Big Bang, conhecido como modelo de estado estacionário. A suposição principal era que a matéria (massa positiva) foi criada continuamente para reabastecer o material à medida que o universo se expande. Agora sabemos por evidências observacionais que isso é incorreto. Contudo, isso não significa que a matéria de massa negativa não possa ser criada continuamente. Eu mostro que esse fluido escuro assumido nunca é espalhado de maneira muito fina. Em vez disso, ele se comporta exatamente como energia escura.

Também desenvolvi um modelo de computador 3-D desse universo hipotético para ver se ele também poderia explicar a natureza física da matéria escura. A matéria escura foi introduzida para explicar o fato de que as galáxias estão girando muito mais rápido do que nossos modelos prevêem. Isso implica que alguma matéria invisível adicional deve estar presente para impedir que eles se separem.

Meu modelo mostra que a força repulsiva circundante do fluido escuro também pode manter uma galáxia unida. A gravidade da galáxia de massa positiva atrai massas negativas de todas as direções, e à medida que o fluido de massa negativa se aproxima da galáxia, ele, por sua vez, exerce uma força repulsiva mais forte sobre a galáxia que permite que ela gire em velocidades mais altas sem se separar. Portanto, parece que um simples sinal de menos pode resolver um dos problemas mais antigos da física.

O universo é realmente tão estranho?

Pode-se argumentar que isso soa um pouco forçado. Mas embora as massas negativas sejam bizarras, eles são consideravelmente menos estranhos do que você pode pensar imediatamente. Para iniciantes, esses efeitos podem apenas parecer peculiares e desconhecidos para nós, já que residimos em uma região dominada por massa positiva.

Seja fisicamente real ou não, as massas negativas já têm um papel teórico em um grande número de áreas. As bolhas de ar na água podem ser modeladas como tendo uma massa negativa. Pesquisas recentes de laboratório também geraram partículas que se comportam exatamente como se tivessem massa negativa.

E os físicos já estão confortáveis ​​com o conceito de densidade de energia negativa. De acordo com a mecânica quântica, o espaço vazio é feito de um campo de energia flutuante de fundo que pode ser negativa em alguns lugares - dando origem a ondas e partículas virtuais que entram e saem da existência. Isso pode até criar uma pequena força que pode ser medida em laboratório.

O novo estudo pode ajudar a resolver muitos problemas da física moderna. Teoria das cordas, que é a nossa maior esperança de unificar a física do mundo quântico com a teoria do cosmos de Einstein, atualmente é visto como incompatível com a evidência observacional. Contudo, a teoria das cordas sugere que a energia no espaço vazio deve ser negativa, o que corrobora as expectativas teóricas para um fluido escuro de massa negativa.

Além disso, a equipe por trás da descoberta inovadora de um universo em aceleração surpreendentemente detectou evidências de uma cosmologia de massa negativa, mas tomou a precaução razoável de interpretar esses achados controversos como "não físicos".

A teoria também poderia resolver o problema de medir a expansão do universo. Isso é explicado pela Lei Hubble-Lemaître, a observação de que galáxias mais distantes estão se afastando em um ritmo mais rápido. A relação entre a velocidade e a distância de uma galáxia é definida pela "constante de Hubble", mas suas medidas continuaram a variar. Isso levou a uma crise na cosmologia. Felizmente, uma cosmologia de massa negativa prediz matematicamente que a "constante" de Hubble deve variar ao longo do tempo. Claramente, há evidências de que essa nova teoria estranha e não convencional merece nossa atenção científica.

Para onde ir a partir daqui

O criador do campo da cosmologia, Albert Einstein, junto com outros cientistas, incluindo Stephen Hawking - considerou massas negativas. Na verdade, em 1918, Einstein chegou a escrever que sua teoria da relatividade geral pode ter de ser modificada para incluí-los.

Apesar desses esforços, uma cosmologia de massa negativa pode estar errada. A teoria parece fornecer respostas a tantas perguntas atualmente em aberto que os cientistas - com razão - ficarão bastante desconfiados. Contudo, muitas vezes são as ideias prontas para usar que fornecem respostas para problemas antigos. A forte evidência acumulada agora cresceu a tal ponto que devemos considerar essa possibilidade incomum.

O maior telescópio já construído - o Square Kilometer Array (SKA) - medirá a distribuição das galáxias ao longo da história do universo. Estou planejando usar o SKA para comparar suas observações com as previsões teóricas para uma cosmologia de massa negativa e a padrão - ajudando a provar se as massas negativas existem em nossa realidade.

O que está claro é que essa nova teoria gera uma profusão de novas questões. Assim como acontece com todas as descobertas científicas, a aventura não termina aqui. Na verdade, a busca para entender a verdadeira natureza deste belo, unificado, e - talvez polarizado - o universo apenas começou.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.