Por que a Cosmologia (provavelmente) não está atrás da curvatura?

Título original: Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology

Autores: Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk

Instituição da primeira autora: Jodrell Bank Center for Astrophysics, University of Manchester, Reino Unido

Status: Publicado na Nature Astronomy, disponível no Arxiv

Ao longo dos anos, astrônomos fizeram um ótimo trabalho em compreender os parâmetros-chave que descrevem nosso cosmos. O modelo resultante, conhecido como Lambda-CDM (LCDM), diz que o Universo deve conter matéria escura (servida fria), alguma componente de energia escura (servida a uma taxa constante), e um pouquinho de matéria comum.

Já que nosso modelo cosmológico está de acordo com vários dados disponíveis, o fardo da prova recai tipicamente em uma nova técnica ou método que se encontra em discrepância com LCDM.

No entanto, mesmo quando dois tipos de observações cosmológicas presumem o mesmo modelo de referência, nem sempre elas recuperam o mesmo resultado. Por exemplo, existe um desacordo (ou tensão) na taxa de expansão do nosso Universo dado em termos da Constante de Hubble. Uma taxa mais lenta é favorecida por observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, enquanto medidas de distância até Supernovas do tipo Ia indicam uma expansão mais rápida. Essa tensão pode ser resultado de algum atributo inexplicado em ambos conjuntos de dados, ou um indício de uma física nova e interessante. Veja aqui e aqui alguns astropontos sobre isto.

Uma nova tensão?

Em uma reanálise dos dados obtidos pelo satélite Planck, o artigo de hoje sugere que existe uma preferência por um universo com curvatura ao invés de um universo plano. O novo resultado diz que o parâmetro de curvatura, chamado Ωκ, é melhor descrito pelo valor de -0.0438, comparado com o valor reportado anteriormente de 0.001 (Planck 2018). Para fins de referência, um Universo plano requer Ωκ=0. Esse resultado afirma que o Universo é aproximadamente 4% mais curvo do que pensávamos antes. Apesar disso parecer uma pequena mudança, um universo positivamente curvo (ou “fechado”) introduz discordâncias estatisticamente significativas com quase todos os outros observáveis cosmológicos.

Medindo curvatura

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM) é o mar de fótons remanescentes do Big Bang. Esse fundo, apesar de ser muito uniforme, apresenta propriedades em pequenas escalas que refletem a geometria do Universo e a sua distribuição de massa. Astrônomos estudam essas propriedades do Universo por meio de 1) medidas de flutuações de temperatura da CMB através do céu (veja este astrobite em inglês) e 2) estudos de regiões onde a RCFM foi defletida por objetos massivos (veja também este astrobite em inglês). Tal como lentes de vidro podem curvar a luz, grandes massas gravitacionais podem também distorcer o caminho dos fótons da RCF. Na verdade, muitas das descobertas revolucionárias da cosmologia moderna veio de observações da CMB, conferindo o Prêmio Nobel a um dos fundadores da cosmologia moderna, James Peebles.

Os dados do Planck lançados em 2018 mediram precisamente uma suíte de parâmetros cosmológicos incluindo a quantidade total de matéria comum, matéria escura e energia escura em nosso cosmos. Porém, em um dos conjuntos de dados, o time do Planck mediu uma distorção anômala dos fótons da RCFM (conhecida como amplitude de lentes). Quando combinaram todos as amostras, essa medida anormalmente alta não é estatisticamente significante. Eles dizem que isto é provavelmente resultado de flutuação nos seus dados.

Os autores do artigo de hoje re-examinaram essa amplitude de lentes como função de diferentes valores do parâmetro de curvatura. Eles encontram que, quando utilizam o valor medido do Planck, surge uma leve preferência por um valor negativo deste parâmetro (indicando curvatura positiva de acordo com a convenção de sinais utilizada pelos autores). Isso é mostrado na Figura 1. Eles dizem que uma amplitude de lentes mais elevada indica que os fótons da CMB foram mais defletidos gravitacionalmente pelas estruturas cosmológicas existentes no percurso de 13.8 bilhões de anos luz. De acordo com os autores, isso faz mais sentido em um Universo curvo do que em um plano, uma vez que o primeiro prediz um conteúdo maior de matéria escura frente ao conteúdo de energia escura.

 

Figura 1: preferência por um Universo curvo – valores preferidos de Ωκ (mostrados pela localização do pico) para dados simulados de Planck assumindo uma cosmologia plana (azul) e os dados reais (vermelho, preto), ilustrando um claro desvio para a esquerda. Figura 1 no artigo

Encurve o seu entusiasmo

Entretanto, semelhantemente ao time do Planck 2018, os autores dizem que eles não podem descartar um “sistemático indefinido nesses dados” que poderia ser responsável por este novo resultado.

É importante notar também que a preferência por curvatura vem de apenas um conjunto de dados. Quando este resultado é combinado com os dados de lentes gravitacionais da RCFM, a preferência por um universo plano é restaurada.

A medida de curvatura discorda fortemente de outras provas primariamente porque a planicidade é uma propriedade bem motivada do Universo. A explicação usual da formação primordial do Universo é atribuída à inflação (a expansão rápida do Universo após o Big Bang). Modelos inflacionários atuais naturalmente produzem um Universo plano. Se o Universo é realmente curvo, esses modelos precisariam mudar drasticamente para acomodar esse resultado.

Os autores surgerem que esse resultado requer a consideração de um parâmetro adicional de curvatura em nosso modelo padrão cosmológico. Infelizmente, isso não resolve as tensões existentes hoje em Cosmologia. Na verdade, esse resultado complica a elas – um Universo curvo torna a tensão da Constante de Hubble para um nível ainda pior (veja figura 2)

Figura 2: Valores da Constante de Hubble versus curvatura para várias combinações de dados cosmológicos. O contorno cinza mostra que um Universo positivamente curvo prefere valores ainda mais elevados para a Constante de Hubble do que os demais observáveis (contornos azuis e vermelhos). Figura 8 no artigo

É importante que continuemos a testar pressupostos sobre o Universo, e o artigo de hoje mostra que muito do nosso modelo padrão cosmológico é mantido por medidas precisas. Devido ao fato de que não existem medidas conjuntas estatisticamente significativas de uma parâmetro de curvatura não-nulo, “universo-planistas” podem dar um suspiro de alívio por agora. Quando experimentos futuros de RCFM, tais como o Simons Observatory vierem online, saberemos com certeza se os autores de hoje estavam de fato adiante na curva.


Adaptado de Why cosmology is (probably) not behind the curve, escrito por Sunayana Bhargava.

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