Estudo sugere um Universo fechado, curvo e finito

Os atuais modelos teóricos de cosmologia preveem um Universo plano e infinito. Porém, a partir da análise de dados do telescópio espacial Planck, um estudo publicado esta semana no periódico Nature Astronomy (1) defendeu um Universo fechado, finito e curvo com uma certeza de 99%, o que implicaria uma 'crise cosmológica' (onde as teorias do cosmo teriam que ser drasticamente repensadas). Os pesquisadores no estudo analisaram as observações do Planck da radiação cósmicas de fundo (CMB).

- Continua após o anúncio -

O telescópio Planck mede a densidade do Universo ao avaliar o quanto de CMB têm sido desviada - via efeito de lente gravitacional - ao atravessar o Universo ao longo dos últimos 13,8 bilhões de anos, gerando um importante parâmetro dentro do modelo padrão de cosmologia. Quando mais matéria (massa) ao longo do Universo, maior o efeito de lente gravitacional sobre a CMB e, portanto, maior desvio dessa da sua trajetória original, o que gera assinaturas em certos picos do espectro de radiação associado. Nesse sentido, de acordo com o novo estudo, uma análise revisada dos dados do Planck sugere que a quantidade de CMB desviada indica um Universo cerca de 5% mais denso do que a densidade crítica, uma média em torno de 6 hidrogênios por metro cúbico ao invés de 5,7/m3 hoje aceita. Levando esse parâmetro em consideração, a nova estimativa de densidade gera um Universo fechado e finito (2).

----------
(2) Para entender melhor como esse parâmetro funciona para a determinação da geometria do Universo, acesse: O que é a expansão do Universo? 

Se o Universo é de fato plano, os cosmologistas esperam que uma curvatura da CMB devido ao efeito de lente gravitacional ficasse em torno de 1 'desvio padrão' do zero, devido a flutuações estatísticas nos dados. Porém, o novo estudo encontrou que os dados de CMB indicam um desvio de 3,4. E essa é uma grande flutuação, representando um evento de apenas 1% de probabilidade a favor de um Universo plano e infinito, considerando os dados de CMB do Planck como único fator determinante do parâmetro de densidade.

Aliás, cientistas diretamente associados ao telescópio Planck, em 2018, publicaram um estudo no arXiv (3) também encontrando esse desvio maior do que o esperado no espectro de CMB, mas concluindo que essa observação era apenas uma flutuação estatística aceitável frente às várias outras evidências mais robustas a favor de um Universo plano e aos dados de reconstrução do efeito de lente gravitacional. A Teoria Padrão da Cosmologia (ΛCDM) é baseada em 6 parâmetros, e análise de todos eles deixam claro que não existe possibilidade plausível de um Universo curvo e fechado. Porém, os autores do novo estudo defendem a adoção de um sétimo parâmetro (curvatura) para otimizar o modelo  ΛCDM.

- Continua após o anúncio -

Análises do CMB pelo Planck não são as únicas que fornecem dados que ajudam a elucidar a estrutura do Universo. Outros instrumentos de observação (terrestres e espaciais) coletam diferentes tipos de dados que são analisados conjuntamente com o Planck, e a análise conjunta continua fornecendo um Universo plano e infinito (~1 desvio padrão de zero). Nesse sentido, cientistas em resposta ao estudo questionaram a necessidade desse sétimo parâmetro, já que outros dados disponíveis conseguem perfeitamente substituí-lo, como aqueles associados com as oscilações acústicas bariônicas. Contra-argumentando, os pesquisadores do novo estudo afirmam que o ponto não é que o Universo seja fechado ou não, ou se um conjunto de dados consegue substituir um outro conjunto de dados, e sim que as discordâncias entre os dados gerados indicam que o  ΛCDM está errado ou incompleto (apesar deles também não descartarem a possibilidade de uma flutuação estatística).

Além disso, cientistas não-associados ao novo estudo lembram que apesar de muitas coisas não serem ainda esclarecidas na Física do Universo, como a enigmática energia e matéria escuras (4) e a problemática constante de Hubble (2), considerar um Universo curvo e fechado gera graves inconsistências com as observações hoje realizadas do Universo visível, como a sua taxa de expansão. Seria preciso um argumento muito melhor do que o sétimo parâmetro proposto para mudar radicalmente a atual base teórica da cosmologia, e um que não possa ser explicado por simples flutuação estatística.

----------
(4) Leitura recomendada: Matéria Escura, Energia Escura e Massa Negativa

----------
O QUE É A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO?

A radiação cósmica de fundo - CMB (cosmic microwave background) - preenche todo o Universo e corresponde aos vestígios radiativos do Big Bang. Quando o Universo nasceu, há cerca de 14 bilhões de anos, seu espaço estava cheio de plasma quente constituído de partículas subatômicas (a maior parte prótons, nêutrons e elétrons) e fótons (luz). Em particular, pelos primeiros cerca de 380 mil anos, os fótons estavam constantemente interagindo com os elétrons livres, impedindo-os de viajarem longas distâncias, ou seja, o Universo era opaco.

Porém, à medida que o Universo se expandia, ele esfriava, já que a quantidade fixa de energia em seu interior era capaz de se espalhar por grandes volumes. Após ~380 mil anos, sua temperatura alcançou 3000 Kelvin (K) (~2700°C) e, nesse ponto, elétrons começaram a se combinar com prótons para formar átomos de hidrogênio, com as temperaturas baixas demais para conseguir separá-los de novo. Na ausência de elétrons livres, os fótons foram capazes de se moverem sem obstáculos maiores ao longo do Universo, ou seja, esse último agora se tornou 'transparente'.

Ao longo dos próximos bilhões de anos, o Universo continuou se expandindo e se esfriando profundamente. Devido à expansão do espaço, os comprimentos de onda dos fótons associados ao Big Bang têm aumentado (redshift) (5) em cerca de 1 mm e, portanto, suas temperaturas efetivas diminuíram para algo em torno de 2,7 K (~270°C negativos), um pouco acima do zero absoluto (273,15°C negativos) (6). Esses fótons primordiais preenchem o Universo hoje (existem cerca de 400 deles em cada centímetro cúbico do espaço) e cria um brilho de fundo (background) que pode ser detectado por telescópios de infravermelho longe e de rádio.

""""""
(5) O espectro térmico de corpo negro da CMB possui intensidade máxima na faixa do micro-ondas. Para saber mais sobre radiação de corpo negro, acesse: Por que o calor vai do quente para o frio?

(6) Leitura recomendada: O que é o Desvio para o Vermelho na Astronomia?

A CMB foi primeiro detectada, acidentalmente, em 1964, por Arno Penszias e Robert Wilson, usando uma grande antena de rádio em New Jersey, uma descoberta que acabou rendendo o Prêmio Nobel de Física em 1978. Estudar a CMB nos dá um importante quadro de como o Universo era no seu início e como sua evolução ocorreu.

> Para saber mais, acesse: ESA
---------

(1) Publicação do estudo: Nature Astronomy

(3) Publicação do estudo: arXiv

Referência adicional: Quanta Magazine