No fim dos anos 1990, observações de supernovas distantes indicaram que a expansão do universo estava acelerando. A explicação mais usada desde então recorre à energia escura. Agora, um estudo liderado por matemáticos da Universidade da Califórnia em Davis explora outra possibilidade. Em determinadas condições, as próprias equações da relatividade geral permitem que o universo passe por uma fase de expansão acelerada, mesmo sem incluir a constante cosmológica.
Como a energia escura entrou na história
Em 1917, Einstein acrescentou um termo às equações da relatividade geral para descrever um universo estático. Chamado de constante cosmológica e representado pela letra grega lambda (Λ), ele contrabalançava a atração gravitacional da matéria. Quando as observações mostraram que o universo se expandia, a motivação original para incluir o termo perdeu força. Décadas depois, as supernovas deram à constante uma nova função. Ela passou a ajudar a explicar por que o ritmo da expansão aumenta.
No modelo cosmológico padrão, conhecido como ΛCDM, a constante representa uma forma de energia escura cuja densidade permanece fixa à medida que o universo se expande. A matéria, por sua vez, fica mais diluída conforme o espaço aumenta. Assim, o efeito da constante ganha importância ao longo do tempo e pode levar à expansão acelerada. O novo trabalho pergunta se existe outro caminho para produzir esse comportamento dentro da própria relatividade geral.
Um universo uniforme pode se afastar do equilíbrio
Christopher Alexander, Blake Temple e Zeke Vogler investigaram as chamadas soluções de Friedmann, que descrevem universos em expansão com matéria distribuída uniformemente em larga escala. No estudo publicado na Proceedings of the Royal Society A, eles combinaram a relatividade geral com equações que descrevem o comportamento da matéria como um fluido. O objetivo era descobrir como certos modelos de universo reagiriam a pequenas diferenças na distribuição inicial de matéria.
Temple compara a situação à de um lápis apoiado na ponta. Ele pode ficar em equilíbrio, mas um pequeno empurrão basta para tirá-lo daquela posição. No cálculo dos pesquisadores, algo semelhante ocorre com a solução de Friedmann para um universo espacialmente plano. Certas perturbações radiais, ou seja, variações de densidade que dependem da distância a um centro de simetria, podem fazer a expansão se afastar da trajetória prevista para o caso uniforme.
Em uma família de soluções analisadas pela equipe, esse desvio gera uma fase intermediária de expansão acelerada sem recorrer à constante cosmológica. Em tempos muito mais longos, as soluções voltam a se aproximar do comportamento de Friedmann que tinham como referência. O resultado mais concreto do trabalho é identificar um mecanismo matemático para produzir uma fase de aceleração. A duração e a intensidade dessa fase ainda precisam ser comparadas com a história de expansão que os astrônomos reconstroem a partir dos dados.
A hipótese também levanta uma pergunta sobre onde estamos
A simetria usada nos cálculos traz outra questão. Se a densidade da matéria varia com a distância a um centro, a posição do observador em relação a esse centro pode influenciar o que ele mede. Isso toca no princípio copernicano, segundo o qual a Terra não ocupa uma posição privilegiada no cosmos. Conforme explica a Universidade da Califórnia em Davis, a discussão passa por determinar se a posição necessária para reproduzir as observações seria compatível com o que sabemos sobre nossa vizinhança cósmica.
O teste decisivo está nos dados do céu
Uma alternativa ao modelo padrão precisa explicar, ao mesmo tempo, as distâncias inferidas a partir de supernovas, a distribuição de galáxias e a radiação cósmica de fundo, um vestígio do universo jovem. Esses dados registram épocas e aspectos diferentes da evolução do cosmos. Uma proposta pode reproduzir parte da história de expansão e, ainda assim, ter dificuldade para explicar as demais medições com a mesma distribuição de matéria.
As medições do projeto DESI mostram por que essa comparação importa. Quando combinadas com outros levantamentos, elas sugerem que a energia escura talvez varie com o tempo, com uma força estatística que depende dos dados incluídos. Essa é uma hipótese diferente da estudada pelos matemáticos da UC Davis. Para saber se o mecanismo de Einstein e Euler descreve nosso universo, será preciso calcular o que ele prevê para essas mesmas observações e verificar se as previsões funcionam em conjunto.
