A teoria da relatividade geral de Einstein prevê a existência de energia escura - uma forma misteriosa de energia que permeia o espaço e acelera a expansão do Universo. Mas e se Einstein estivesse errado e não existisse energia escura? O projeto GalaxyDance vem investigando esse cenário.

Tão preciso quanto provou ser até agora, a relatividade geral não é a única teoria que pode explicar a gravitação. Na verdade, existem várias teorias alternativas por aí. Os cientistas simplesmente não têm certeza de como eles podem resistir à observação e simulações.

Para fechar essa lacuna, o projeto GalaxyDance, realizado com o apoio do programa Marie Skłodowska-Curie, tem usado informações codificadas em estatísticas de velocidade peculiares de galáxias no Universo local, bem como observadas distorções espaciais por redshift (RSD) de galáxias distantes.

Dr. Wojciech Hellwing, coordenador do projeto e pesquisador do Centro de Física Teórica da Academia Polonesa de Ciências, discute as descobertas do projeto até agora.

O que torna a expansão do Universo tão difícil de compreender?

À medida que avançamos cada vez mais em nossas observações do Universo, ainda estamos intrigados com algumas de suas propriedades. Um deles é a expansão acelerada do espaço-tempo, que atualmente é atribuído à energia escura. Mas a verdade é que precisamos considerar a energia escura apenas se a teoria da gravidade de Einstein for válida em todas as escalas do cosmos.

Existem outras explicações possíveis para a expansão acelerada que não requerem energia escura. Essas teorias vão além da relatividade geral e são comumente chamadas de "gravidade modificada". Testar a relatividade geral e essas alternativas na escala intergalática é uma questão urgente e importante para a astronomia extragalática moderna, e era esse o objetivo do GalaxyDance.

Você pode nos contar mais sobre sua abordagem?

GalaxyDance apresenta uma nova abordagem que consiste no uso de estatísticas de baixa ordem de velocidades de galáxias e agrupamento para testar a teoria da gravidade de Einstein e suas contrapartes. Este teste cobre escalas intergalácticas, um regime em que a teoria da gravidade não foi rigorosamente testada até agora. Eu demonstrei que essa abordagem tem várias vantagens exclusivas:é independente do modelo de gravidade, livre de vieses de galáxias significantes e amplamente não afetados pela física bariônica.

Usei simulações de computador de última geração que recriam um universo virtual em um supercomputador. Ao executar e analisar essas simulações, podemos testar teorias além da GR e delinear resultados promissores.

O que torna esta abordagem particularmente inovadora?

O uso de grandes simulações de supercomputador era anteriormente impossível em modelos além-GR, devido à sua complexidade e custo numérico. Para mitigar este problema, decidimos usar um algoritmo de aceleração que - às custas de alguma precisão - pode modelar a evolução do Universo com muito mais eficiência.

Eu demonstrei com sucesso que, no caso de velocidades cósmicas, tal abordagem aproximada é suficiente para obter resultados robustos.

Quais são os resultados mais importantes do projeto?

Sem dúvida, o novo conjunto de grandes, simulações do estado da arte de teorias alternativas que permitirão estudos sem precedentes de campos de velocidade cósmica.

Já demonstramos que as estatísticas de baixa ordem do campo de velocidade da galáxia devem conter um forte sinal de gravidade modificada. Contudo, também mostramos que, para medir e extrair este sinal, modelagem dedicada e completa do impacto de nossas estruturas cósmicas próximas, como o aglomerado de galáxias de Virgem, será de suma importância para o sucesso do nosso método.

O que você ainda espera alcançar antes do final do projeto?

Implementaremos modelagem adicional dos processos que determinam as cores das galáxias, luminosidade e formas. Isso permitirá a criação de catálogos de galáxias artificiais mostrando o que teria sido criado em um Universo regido por alternativas à teoria da gravidade de Einstein.

A partir daí, vamos comparar nossos resultados com as observações astronômicas existentes e futuras para fornecer novos testes rigorosos de gravidade nas escalas maiores.

Qual foi o feedback da comunidade científica até agora?

Muitos colegas expressaram interesse e até entusiasmo em relação aos nossos resultados quando os apresentamos em conferências cosmológicas internacionais. Além disso, começamos novas colaborações com colegas que têm experiência complementar em observações de galáxias (de Lyon na França) e na modelagem de estruturas cósmicas próximas (colegas de Potsdam na Alemanha). Estamos muito entusiasmados com isso.

Qual você espera que seja o impacto do projeto a longo prazo? Como isso prepara a comunidade científica para a era dos grandes dados cosmológicos?

GalaxyDance fornecerá uma nova maneira de tornar os testes cosmológicos de teorias gravitacionais uma realidade. Os resultados finais, não importa qual teoria (energia escura ou gravidade modificada) eles favorecem, terá consequências de longo alcance e inovadoras para a nossa compreensão do Universo em escalas maiores.

Se nossos testes eventualmente fornecerem uma assinatura de nova física prevista em teorias além do GR, vai abalar nossa visão e compreensão atuais da evolução em larga escala do cosmos. Se, por outro lado, nossa investigação fortalece a relatividade geral, isso significará que precisamos olhar mais atentamente para explicar o mistério da energia escura.