A forma do Universo pode não ser simétrica

Raramente paramos para pensar na forma do Universo. No entanto, eu e os meus colegas publicámos um novo estudo que indica que ele pode ser assimétrico ou “descaído”, isto é, pode não apresentar o mesmo aspeto em todas as direções.

Devemos preocupar-nos com isto? Acontece que o atual “modelo cosmológico padrão” - a estrutura teórica que descreve a dinâmica e a organização de todo o cosmos - assenta firmemente na hipótese de que o Universo é isotrópico (parece igual em qualquer direção) e homogéneo quando fazemos médias em escalas muito grandes.

Ainda assim, várias “tensões” - ou seja, discrepâncias nos dados - estão a pôr em causa esta ideia de um Universo uniforme.

A anomalia do dipolo cósmico e o desafio ao modelo Lambda-CDM

Acabámos de publicar um artigo científico dedicado a uma das mais relevantes destas tensões, conhecida como anomalia do dipolo cósmico. A nossa conclusão é clara: a anomalia do dipolo cósmico constitui um desafio sério à descrição do Universo mais aceite, o modelo cosmológico padrão (também designado por modelo Lambda-CDM).

Então, o que é exatamente a anomalia do dipolo cósmico - e por que motivo ela é tão problemática para quem tenta construir um retrato detalhado do cosmos?

Para perceber isso, convém começar pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), a radiação remanescente deixada pela Grande Explosão. No céu, a CMB é uniforme com uma precisão da ordem de uma parte em cem mil.

É por isso que os cosmólogos se sentem confortáveis em descrever o Universo recorrendo à formulação “maximally symmetric” do espaço-tempo na teoria da relatividade geral de Einstein. Esta visão simétrica do cosmos - em que ele se apresenta igual em todo o lado e em todas as direções - é conhecida como “FLRW description”.

Esta escolha torna muito mais simples resolver as equações de Einstein e constitui a base do modelo Lambda-CDM.

As “tensões” cosmológicas e o exemplo da tensão de Hubble

Apesar desta construção elegante, existem várias anomalias importantes. Entre elas, uma das mais debatidas é a chamada tensão de Hubble, assim denominada em homenagem a Edwin Hubble, a quem é atribuída a descoberta, em 1929, de que o Universo está em expansão.

A tensão começou a ganhar forma a partir de diferentes conjuntos de dados durante os anos 2000, sobretudo com observações do Telescópio Espacial Hubble e também com dados mais recentes do satélite Gaia. Trata-se de um desacordo cosmológico em que as medições da taxa de expansão do Universo, inferidas a partir do Universo primordial, não coincidem com as medições obtidas no Universo próximo (mais recente).

A anomalia do dipolo cósmico tem recebido muito menos atenção do que a tensão de Hubble, mas é ainda mais fundamental para o modo como compreendemos o cosmos.

O que é a anomalia do dipolo cósmico?

Depois de estabelecido que a radiação cósmica de fundo em micro-ondas é simétrica em grandes escalas, foram identificadas variações nessa radiação remanescente da Grande Explosão. Uma das mais marcantes chama-se anisotropia dipolar da CMB. Trata-se da maior diferença de temperatura na CMB: um lado do céu aparece mais quente e o lado oposto mais frio, por cerca de uma parte em mil.

Esta variação na CMB, por si só, não entra em conflito com o modelo Lambda-CDM do Universo. Contudo, deveríamos observar variações correspondentes noutros dados astronómicos.

Em 1984, George Ellis e John Baldwin colocaram a questão de saber se existiria uma variação semelhante - ou “dipole anisotropy” - na distribuição no céu de fontes astronómicas distantes, como galáxias rádio e quasares. Estas fontes têm de estar muito longe, porque as fontes próximas poderiam gerar um “clustering dipole” espúrio.

Se a hipótese FLRW do “symmetrical universe” estiver correta, então a variação observada nessas fontes astronómicas distantes deveria ser determinada diretamente pela variação medida na CMB. Este procedimento ficou conhecido como o teste de Ellis-Baldwin, em referência aos astrónomos.

Se as variações na CMB e na matéria fossem consistentes entre si, isso daria apoio ao modelo padrão Lambda-CDM. Se fossem discordantes, isso colocaria o modelo em causa - e, na verdade, questionaria a própria “FLRW description”. Por ser um teste extremamente preciso, só muito recentemente passou a existir o tipo de catálogo de dados necessário para o realizar.

O resultado é que o Universo falha o teste de Ellis-Baldwin. A variação na matéria não coincide com a variação na CMB.

Porque é que isto é tão difícil de “corrigir”?

Como as possíveis fontes de erro são bastante diferentes entre telescópios e satélites, e também entre diferentes comprimentos de onda do espectro, é reconfortante verificar que se obtém o mesmo resultado tanto com radiotelescópios terrestres como com satélites que observam em comprimentos de onda no infravermelho médio.

Deste modo, a anomalia do dipolo cósmico afirmou-se como um grande desafio ao modelo cosmológico padrão, mesmo que a comunidade astronómica tenha optado por, em larga medida, ignorá-la.

Uma razão possível é que não existe uma forma simples de remendar este problema. Para o resolver, não basta abandonar o modelo Lambda-CDM: seria necessário pôr de lado a própria “FLRW description” e recomeçar do início.

O que pode mudar com os novos dados

Entretanto, espera-se uma avalanche de dados proveniente de novos satélites como o Euclid e o SPHEREx, bem como de telescópios como o Observatório Vera Rubin e o Square Kilometre Array. É plausível que, num futuro próximo, recebamos novas e arrojadas pistas sobre como construir um novo modelo cosmológico, tirando partido de avanços recentes num ramo da inteligência artificial (IA) chamado aprendizagem automática.

O impacto seria verdadeiramente enorme para a física fundamental - e para a nossa compreensão do Universo.

Subir Sarkar, professor emérito, Universidade de Oxford

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.