Repensar a cosmologia: a expansão do universo pode não ser uniforme

Konstantinos Migkas, aluno de doutoramento em astronomia e astrofísica da Universidade de Bonn, Alemanha, e o seu supervisor Thomas Reiprich propuseram-se, originalmente, a verificar um novo método que permitiria aos astrónomos testar a chamada hipótese de isotropia. De acordo com essa suposição, o Universo possui, apesar de algumas diferenças locais, as mesmas propriedades em cada direcção em larga escala.

Amplamente aceite como uma consequência da física fundamental bem estabelecida, a hipótese foi apoiada por observações do fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Remanescente directo do Big Bang, o CMB reflecte o estado do Universo na sua infância, com apenas 380.000 anos de idade. A distribuição uniforme do CMB no céu sugere que naqueles primeiros dias o Universo devia estar a expandir-se rapidamente e na mesma proporção em todas as direcções.

No universo de hoje, no entanto, isto pode não ser mais verdade.

“Juntamente com colegas da Universidade de Bonn e da Universidade de Harvard, analisámos o comportamento de mais de 800 aglomerados de galáxias no universo actual,” diz Konstantinos. “Se a hipótese de isotropia estivesse correta, as propriedades dos aglomerados seriam uniformes no céu. Mas, na realidade, observámos diferenças significativas.”

Os astrónomos usaram medições de temperatura de raios-X do gás extremamente quente que permeia os aglomerados e compararam os dados com a luminosidade dos aglomerados no céu. Aglomerados da mesma temperatura e localizados a uma distância semelhante deveriam aparecer igualmente brilhantes. Mas não foi isso que os astrónomos observaram.

“Observámos que os aglomerados com as mesmas propriedades, com temperaturas semelhantes, pareciam menos brilhantes do que o esperado numa direcção do céu e mais brilhantes do que o esperado noutra direcção,” diz Thomas. “A diferença foi bastante significativa, em torno de 30%. Estas diferenças não são aleatórias, mas têm um padrão claro, dependendo da direcção em que observámos no céu.”

Antes de desafiar o modelo de cosmologia amplamente aceite, que fornece a base para estimar as distâncias dos aglomerados, Konstantinos e os colegas examinaram primeiro outras explicações possíveis. Talvez haja nuvens de gás ou poeira não detectadas a obscurecer a visão e a fazer com que os aglomerados de uma determinada área pareçam mais escuros. Os dados, no entanto, não suportam esse cenário.

Nalgumas regiões do espaço, a distribuição de aglomerados pode ser afectada por fluxos a granel, movimentos de matéria em larga escala causados pela atracção gravitacional de estruturas extremamente massivas, como grandes grupos de aglomerados. Essa hipótese, no entanto, também parece improvável. Konstantinos acrescenta que as descobertas apanharam a equipa de surpresa.

“Se o Universo for realmente anisotrópico, mesmo que apenas nos últimos milhares de milhões de anos, isto significaria uma enorme mudança de paradigma, porque a direcção de cada objecto teria que ser levada em consideração quando analisamos as suas propriedades,” diz ele. “Por exemplo, hoje, estimamos a distância de objectos muito distantes no Universo aplicando um conjunto de parâmetros e equações cosmológicas. Acreditamos que esses parâmetros são os mesmos em todos os lugares. Mas se as nossas conclusões estiverem corretas, não seria esse o caso e teríamos de rever todas as nossas conclusões anteriores.”

“Este é um resultado extremamente fascinante”, comenta Norbert Schartel, cientista do projeto XMM-Newton da ESA. “Estudos anteriores sugeriram que o universo actual pode não estar a expandir-se uniformemente em todas as direcções, mas este resultado – a primeira vez que este teste foi realizado com aglomerados de galáxias em raios-X – tem um significado muito maior e também revela um grande potencial para futuras investigações.”

Os cientistas especulam que esse efeito possivelmente desigual na expansão cósmica possa ser causado pela energia escura, o componente misterioso do cosmos que representa a maioria – cerca de 69% – da sua energia total. Hoje, sabe-se muito pouco sobre energia escura, excepto que esta parece ter acelerado a expansão do Universo nos últimos milhares de milhões de anos.

O próximo telescópio da ESA, Euclid, projectado para fotografar milhares de milhões de galáxias e examinar a expansão do cosmos, a sua aceleração e a natureza da energia escura, pode ajudar a resolver esse mistério no futuro.

“As descobertas são realmente interessantes, mas a amostra incluída no estudo ainda é relativamente pequena para tirar conclusões tão profundas,”diz René Laureijs, cientista do projecto Euclid da ESA. “É o melhor que se pode fazer com os dados disponíveis, mas se realmente repensássemos o modelo cosmológico amplamente aceite, precisaríamos de mais dados.”

E Euclid pode fazer exactamente isso. A aeronave, a ser lançada em 2022, pode não apenas encontrar evidências de que a energia escura está realmente a esticar o Universo de maneira desigual em diferentes direcções, como também permitirá que os cientistas colectem mais dados sobre as propriedades de uma grande quantidade de aglomerados de galáxias, o que pode apoiar ou refutar as descobertas actuais.

Em breve, virão mais dados do instrumento eROSITA de raios-X, construído pelo Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. O instrumento, a bordo do recém-lançado satélite russo-alemão Spektr-RG, realizará a primeira pesquisa em céu aberto em raios-X de média energia, com foco na descoberta de dezenas de milhares de aglomerados de galáxias e centros galácticos activos, anteriormente desconhecidos.

Mais Informações

‘Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−Tscaling relation’ by K. Migkas et al. (2020) encontra-se publicado na Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 201936602).