No ano passado, resultados da Dark Energy Survey (DES) e do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) chamaram a atenção dos cosmologistas ao sugerir que a energia escura pode não ser fixa, afinal. “Essa seria a nossa primeira indicação de que a energia escura não é a constante cosmológica introduzida por Einstein há mais de 100 anos, mas sim um novo fenômeno dinâmico”, explicou Josh Frieman, Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica.

Nova Análise Aponta para uma Força em Evolução

Em um estudo publicado na Physical Review D em setembro, Frieman e Anowar Shajib, um Bolsista do Programa Hubble da NASA em Astronomia e Astrofísica, analisaram uma ampla gama de dados cosmológicos existentes. Os resultados deles indicam que modelos dinâmicos e variáveis de energia escura se ajustam melhor às observações atuais do que o longo modelo da constante cosmológica.

Shajib se especializa em cosmologia observacional e evolução de galáxias, aplicando lente gravitacional forte para medir a constante de Hubble e refinar parâmetros da energia escura. O trabalho de Frieman também se concentra na cosmologia observacional, utilizando grandes pesquisas do céu, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o DES, para estudar a origem, a estrutura e o destino do universo, enquanto investiga a força misteriosa que impulsiona sua expansão acelerada.

A Universidade de Chicago conversou com Shajib e Frieman sobre suas descobertas, o que esses novos modelos podem significar para nossa compreensão da evolução cósmica e como observações futuras podem revelar se a energia escura realmente muda ao longo do tempo.

Por que a energia escura é significativa no estudo do universo?

Frieman: Agora sabemos exatamente quanto de energia escura existe no universo, mas não temos uma compreensão física de o que ela é. A hipótese mais simples é que seja a energia do próprio espaço vazio, caso em que seria imutável ao longo do tempo; uma noção que remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter e outros no início do século passado. É um pouco embaraçoso que tenhamos pouca ou nenhuma ideia do que é 70 por cento do universo. E seja lá o que for, isso determinará a futura evolução do universo.

Quais descobertas recentes levaram os cosmologistas a considerar que a energia escura pode estar evoluindo?

Shajib: Embora tenha havido interesse na natureza dinâmica da energia escura desde a sua descoberta nos anos 90 para resolver algumas discrepâncias observacionais, até recentemente, a maioria dos grandes e robustos conjuntos de dados era consistente com um modelo de energia escura não evolutiva, aceito como a cosmologia padrão. No entanto, o interesse por uma energia escura em evolução foi reavivado vigorosamente no ano passado a partir da combinação de dados de supernovas, oscilações acústicas de barionos e fundo cósmico de micro-ondas dos experimentos DES, DESI e Planck. Essa combinação de conjuntos de dados indicou uma forte discrepância com o modelo padrão de energia escura não evolutiva. A característica interessante da energia escura não evolutiva é que sua densidade permanece constante ao longo do tempo, mesmo com a expansão do espaço. No entanto, para o modelo de energia escura em evolução, a densidade da energia escura mudaria com o tempo.

Frieman: Os dados desses levantamentos nos permitem inferir a história da expansão cósmica – quão rápido o universo tem se expandido em diferentes épocas no passado. Se a energia escura evolui com o tempo, essa história será diferente do que se a energia escura for constante. Os resultados da história da expansão cósmica sugerem que, ao longo dos últimos bilhões de anos, a densidade da energia escura diminuiu cerca de 10 por cento – não muito, e muito menos do que as densidades de outras formas de matéria e energia, mas ainda assim significativo.

Qual era o objetivo deste estudo e quais foram os resultados gerais?

Shajib e Frieman: O objetivo deste estudo é comparar as previsões de um modelo físico para energia escura em evolução com os conjuntos de dados mais recentes e inferir as propriedades físicas da energia escura a partir dessa comparação. O “modelo” de energia escura em evolução usado na maioria das análises de dados anteriores é apenas uma fórmula matemática que não está restrita a se comportar como modelos físicos fazem. Em nosso artigo, comparamos diretamente modelos físicos de energia escura em evolução com os dados e descobrimos que esses modelos descrevem os dados atuais melhor do que o modelo padrão de energia escura não evolutiva. Também mostramos que levantamentos futuros, como o DESI e o Legacy Survey of Space and Time (LSST) do Vera Rubin Observatory, serão capazes de nos dizer definitivamente se esses modelos estão corretos ou se, em vez disso, a energia escura realmente é constante.

Descreva os modelos apresentados e por que eles explicam melhor o comportamento da energia escura em comparação com os modelos existentes.

Frieman: Esses modelos são baseados em teorias de partículas da física sobre partículas hipotéticas chamadas áxions. Os áxions foram previstos pela primeira vez por físicos na década de 1970, que buscavam explicar certas características observadas das interações fortes. Hoje, os áxions são considerados candidatos plausíveis para a matéria escura, e experiências em todo o mundo estão ativamente procurando por eles, incluindo físicos no Fermilab e na Universidade de Chicago.

Os modelos em nosso artigo são baseados em uma versão ultra-leve do áxion que agiria como energia escura, não como matéria escura. Nesses modelos, a energia escura, de fato, seria constante durante os primeiros bilhões de anos da história cósmica, mas o áxion começaria a evoluir – como uma bola em um campo inclinado que é solta e começa a rolar – e sua densidade diminuiria lentamente, o que é preferido pelos dados. Assim, os dados sugerem a existência de uma nova partícula na natureza que é cerca de 38 ordens de magnitude mais leve que o elétron.

Quais são as implicações dessas descobertas para a compreensão da expansão cósmica?

Shajib: Nesses modelos, a densidade da energia escura diminui com o tempo. A energia escura é a razão para a aceleração da expansão do universo, então, se sua densidade diminui, a aceleração também diminuirá com o tempo. Se considerarmos o futuro muito distante do universo, diferentes características da energia escura podem levar a diferentes desfechos. Dois extremos desses desfechos são um Big Rip, onde a própria aceleração da expansão se intensifica até o ponto em que tudo é despedaçado, até mesmo átomos, e um Big Crunch, onde o universo para de se expandir em algum momento e recai, o que parecerá um Big Bang reverso. Nossos modelos sugerem que o universo evitará ambos os extremos: ele passará por uma expansão acelerada por bilhões de anos, resultando em um universo frio e escuro – um Big Freeze.

Esses resultados poderiam ter outras implicações, menos aparentes?

Frieman: As únicas implicações práticas que consigo imaginar são as tecnologias que precisamos desenvolver para explorar essas ideias mais a fundo – construir novos telescópios, lançar novos satélites ou desenvolver novos detectores, por exemplo. Esses desenvolvimentos provavelmente terão um impacto muito maior em nossas vidas do que eventos que acontecem trilhões de anos no futuro.

O que mais o entusiasma sobre esses resultados?

Shajib: Para este artigo, reunimos todos os principais conjuntos de dados – do DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, Planck e Atacama Cosmology Telescope – e os combinamos para obter a medição mais restritiva de energia escura até hoje. Todas essas medições vêm de experimentos extensivos, então, de certa forma, representam o conhecimento coletivo que a comunidade cosmológica reuniu como um todo.

Frieman: Quando começamos a trabalhar no DES em 2003, nosso objetivo era restringir as propriedades da energia escura para determinar se ela era constante ou em mudança. Durante duas décadas, os dados indicaram que era constante. Quase desistimos dessa questão porque os dados consistentemente apoiaram essa suposição. No entanto, agora temos a primeira pista em mais de 20 anos de que a energia escura pode estar mudando, e se estiver evoluindo, deve ser algo novo, o que mudaria nossa compreensão da física fundamental. Essa sensação é reminiscente de onde estávamos no início. Pode ainda se revelar que essas pistas estão incorretas, mas podemos estar à beira de responder a essa pergunta, e isso é bastante empolgante.