O universo está se expandindo continuamente, no entanto, a taxa exata em que isso ocorre permanece obscura, e até agora só foi aproximado usando o telescópio espacial Hubble da NASA e outros instrumentos semelhantes. Além disso, nos últimos anos, astrônomos usando o telescópio Hubble revelaram uma discrepância entre as duas técnicas primárias usadas para estimar a taxa de expansão do universo.

Essencialmente, medições coletadas pelo telescópio Hubble sugerem que o universo está se expandindo muito mais rápido do que o que é inferido de observações cósmicas de fundo em micro-ondas (CMB). Esta discrepância, referido como a tensão de Hubble, despertou um interesse crescente na comunidade de pesquisa em física, no entanto, as tentativas de resolvê-lo não tiveram sucesso.

Pesquisadores da Johns Hopkins University e do Swarthmore College recentemente propuseram e testaram um modelo alternativo que poderia resolver a tensão de Hubble. Em seu estudo, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores aplicaram com sucesso um modelo de energia escura anteriormente apresentado por Marc Kamionkowski (um dos autores), que o descreve como em evolução, mas não interativo com a tensão de Hubble.

“Apesar da falta de sucesso, tentativas anteriores de resolver a tensão de Hubble nos permitiram entender aproximadamente quais características uma solução deve ter, "Vivian Poulin, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Ao mesmo tempo, estávamos trabalhando para testar as consequências da teoria das cordas com observáveis ​​cosmológicos, que prevê a existência de um "axiverso, "ou seja, um grande número de partículas extremamente leves com propriedades físicas muito peculiares. Percebemos que uma simples modificação das propriedades físicas dessas partículas deu a elas as características de que precisávamos no contexto da tensão de Hubble. Assim, decidimos avançar nessa direção e testar este modelo alternativo. "

Poulin e seus colegas são cosmologistas teóricos, então eles não construíram um instrumento para testar suas idéias. Em vez de, eles usaram dados coletados durante colaborações de pesquisa renomadas, como as observações CMB de Planck e as medições SH0ES H0. Usando esses dados coletados anteriormente, os pesquisadores aplicaram um modelo de energia escura precoce (EDE) à tensão de Hubble.

A energia escura é um mistério persistente na compreensão cosmológica atual, apesar de compreender aproximadamente 70 por cento da densidade de energia do universo. Foi descoberto pela primeira vez em 1998 por Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter e suas respectivas equipes durante as observações das supernovas.

"Um EDE significa apenas que essas partículas, no contexto cosmológico, agir como um componente de energia escura (ou seja, um fluido com pressão negativa) em um momento muito mais cedo do que a energia escura atual, "Poulin explicou." Na prática, essas partículas modificam a taxa de expansão do universo em torno do momento em que os fótons CMB foram emitidos (ou seja, apenas 380, 000 anos após o Big Bang), aumentando ligeiramente (em cerca de 3 por cento) em comparação com a previsão padrão. "

Em seu estudo, Poulin e seus colegas calcularam como o CMB seria na presença de um componente EDE. Dada a precisão dos dados coletados pelo Planck e usados ​​em seus cálculos, as previsões dos pesquisadores foram bastante detalhadas.

"Precisávamos descobrir exatamente como nosso modelo se comportaria, evoluir e flutuar, e como isso afetaria a radiação cósmica de fundo, a luz mais antiga do universo, "Tanvi Karwal, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "O CMB é complexo e sua forma deve ser calculada numericamente, portanto, adicionamos o código que descreve o EDE a um código pré-existente para extrair informações cosmológicas do CMB. "

Poulin, Karwal e seus colegas usaram um supercomputador para amostrar centenas de milhares de cosmologias diferentes. Isso permitiu que eles identificassem a cosmologia que melhor se adapta às observações existentes do universo. Eles descobriram que este novo modelo cosmológico, que inclui um componente EDE, poderia resolver a tensão do Hubble.

Essencialmente, os pesquisadores observaram que uma ligeira modificação da taxa de expansão do universo no passado remoto, como produzido por um EDE, poderia resolver a tensão do Hubble. É possível que o modelo real testado em seu estudo, que é apenas um chamado modelo de brinquedo, não é realizado na natureza.

"Isso não é problemático, porque em cosmologia, o que realmente importa são as propriedades dinâmicas de um conjunto dessas partículas (mais precisamente, é sua densidade e pressão de energia total), e não tanto suas propriedades microfísicas individuais, "Poulin disse." Na verdade, já existem realizações alternativas da EDE propostas após a publicação de nosso trabalho, cujas propriedades coletivas são semelhantes à que propusemos. "

Geral, o trabalho de Poulin, Karwal e seus colegas auxiliam no entendimento atual de quando e por quanto EDE deve ter sido dinamicamente importante, o que poderia, em última análise, informar o desenvolvimento de modelos cosmológicos mais eficazes. Dada a precisão dos dados do Planck, é altamente não trivial que um fluido que representa até 10 por cento da densidade de energia do universo em tempos muito antigos não afetasse significativamente a CMB, mostrando assim que requer cálculos numéricos substanciais.

"Minha principal conclusão deste projeto é que observações cosmológicas anômalas podem nos ajudar a explorar uma nova física, "Karwal disse." Esta pesquisa inspirou outros grupos a investigar modelos semelhantes de EDE como uma solução para a tensão de Hubble. Temos mais trabalho a fazer para refinar e compreender nosso modelo EDE, mas também estão interessados ​​em soluções diferentes para a tensão do Hubble. "

Os pesquisadores agora planejam testar ainda mais seu modelo de várias maneiras. Primeiro, eles gostariam de usá-lo para aprender o máximo possível sobre as propriedades de EDE. Na verdade, embora haja uma série de modelos alternativos de EDE, as resoluções produzidas por esses modelos não são tão eficazes quanto as geradas pelo novo. Poulin, Karwal e seus colegas gostariam de entender por que seu modelo produz melhores previsões, já que suas descobertas destacam a sensibilidade dos dados às características da EDE.

"Também queremos ver se existem assinaturas adicionais dessas partículas em observáveis ​​cosmológicos, "Disse Poulin." Por exemplo, já percebemos que experimentos de CMB de próxima geração (como Observatório Simons e CMBS4) poderiam testar este modelo independentemente da observação de supernovas. Isso significa que alguém poderia dizer sem ambigüidade que esse fluido existe na natureza sem a necessidade de invocar a tensão de Hubble. Mas também mostramos que esses modelos podem afetar as propriedades estatísticas de conjuntos de galáxias, para o qual temos numerosas observações. "

No futuro, novos dados coletados usando instrumentos espaciais como o satélite EUCLID e o telescópio LSST poderiam melhorar a precisão e o escopo das medições coletadas por esta equipe de pesquisadores. Os pesquisadores acreditam que essas observações também podem conter a impressão digital de EDE, embora alcançar uma previsão precisa dessa impressão digital exigirá um trabalho adicional que vai muito além dos cálculos numéricos que eles realizaram.

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