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Os Grandes Vazios Cósmicos Podem Explicar Todo o Universo

A astrofísica computacional Alice Pisani colocou um fone de ouvido de realidade virtual e olhou para o vazio – ou melhor, para um vazio, um dos muitos espaços grandes e vazios que salpicam o cosmos . “Foi absolutamente incrível”, lembra Pisani. A princípio, pairando no ar à sua frente havia uma confusão de pontos brilhantes, cada um representando uma galáxia. Quando Pisani entrou na confusão, ela se viu dentro de uma grande área de nada, cercada por uma concha de galáxias. A imagem não era apenas uma suposição de como seria um vazio cósmico; foram os próprios dados de Pisani tornados manifestos. “Fiquei completamente surpresa”, diz ela. “Foi tão legal.”

A visualização, feita em 2022, foi um projeto especial de Bonny Yue Wang, então estudante de ciência da computação na Cooper Union para o Avanço da Ciência e da Arte, na cidade de Nova York. Pisani ministra um curso de cosmologia – a estrutura e evolução do universo. Wang pretendia usar os dados de Pisani sobre os vazios , que podem se estender de dezenas a centenas de milhões de anos-luz de diâmetro, para criar uma visão de realidade aumentada dessas características surpreendentes do cosmos.

O projeto teria sido impossível há uma década, quando Pisani estava começando na área. Os cientistas sabem desde a década de 1980 que estes campos do nada existem, mas dados observacionais inadequados e poder computacional insuficiente impediram-nos de ser o foco de investigação séria. Ultimamente, porém, o campo tem feito enormes progressos e Pisani tem ajudado a trazê-lo para a corrente científica. Dentro de apenas alguns anos, ela e um número crescente de cientistas estão convencidos, o estudo dos espaços vazios do universo poderá oferecer pistas importantes para ajudar a resolver os mistérios da matéria escura , da energia escura e da natureza das enigmáticas partículas subatômicas chamadas neutrinos . Os vazios mostraram até que a teoria geral da relatividade de Einstein provavelmente funciona da mesma forma em escalas muito grandes e localmente – algo que nunca foi confirmado. “Agora é o momento certo para usar os vazios” para a cosmologia, diz David Spergel, antigo catedrático de astrofísica na Universidade de Princeton e atual presidente da Fundação Simons. Benjamin Wandelt , do Instituto Lagrange, em Paris, partilha o sentimento: “Os vazios realmente dispararam. Eles estão se tornando um assunto quente.”

A descoberta de vazios cósmicos no final da década de 1970 até meados da década de 1980 foi um choque para os astrônomos, que ficaram surpresos ao saber que o universo não tinha a aparência que sempre imaginaram. Eles sabiam que as estrelas estavam reunidas em galáxias e que as galáxias frequentemente se agrupavam em aglomerados de dezenas ou mesmo centenas. Mas se você diminuísse o zoom o suficiente, eles pensaram, essa aglomeração se uniformizaria: em escalas maiores, o cosmos pareceria homogêneo. Não foi apenas uma suposição. A chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – radiação eletromagnética emitida cerca de 380 mil anos após o big bang – é extremamente homogênea, refletindo a suavidade na distribuição da matéria quando ela foi criada. E embora isso tenha acontecido há quase 14 mil milhões de anos, o universo moderno deveria provavelmente refletir essa estrutura.

Mas não podemos dizer se esse é o caso apenas olhando para cima. O céu noturno parece bidimensional mesmo através de um telescópio. Para confirmar a presunção de homogeneidade, os astrónomos precisavam de saber não só como as galáxias estão distribuídas no céu, mas também como estão distribuídas na terceira dimensão do espaço – a profundidade. Então, eles precisaram medir a distância da Terra a muitas galáxias próximas e distantes para descobrir o que está em primeiro plano, o que está em segundo plano e o que está no meio. Em 1978, Laird A. Thompson, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, e Stephen A. Gregory, da Universidade do Novo México, fizeram exatamente isso e descobriram os primeiros indícios de vazios cósmicos, abalando a presunção de que o universo era suave. Em 1981, Robert Kirshner, da Universidade de Harvard, e quatro dos seus colegas descobriram um enorme vazio , com cerca de 400 milhões de anos-luz de diâmetro, na direcção da constelação de Boötes. Era tão grande e tão vazio que “se a Via Láctea estivesse no centro do vazio de Boötes, não saberíamos que existiam outras galáxias [no universo] até a década de 1960”, como disse Gregory Scott Aldering, agora no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, disse uma vez.

Em 1986, Margaret J. Geller, John Huchra e Valérie de Lapparent , todos então em Harvard, confirmaram que os vazios que Thompson, Kirshner e seus colegas encontraram não eram acasos. A equipe pesquisou meticulosamente a distância até muitas centenas de galáxias espalhadas por uma ampla faixa de céu e descobriu que os vazios pareciam estar por toda parte. “Foi tão emocionante”, diz de Lapparent, agora diretor de investigação do Institut d’Astrophysique de Paris (IAP). Ela era estudante de pós-graduação na época e estava passando um ano trabalhando com Geller, que tentava compreender a estrutura em grande escala do universo. Um corte transversal do cosmos local que os astrônomos haviam montado anteriormente mostrou indícios de uma estrutura filamentar consistindo de regiões superdensas ou subdensas com galáxias. “Margaret teve a impressão de que se tratava apenas de um viés de observação”, diz de Lapparent, “mas precisávamos verificar. Queríamos olhar mais longe.” Eles usaram um telescópio relativamente pequeno no Monte Hopkins, no Arizona. “Aprendi a observar naquele telescópio”, lembra de Lapparent. “Eu estava sozinho depois de uma noite de treinamento, o que foi muito emocionante.” Quando terminou, ela, Geller e Huchra fizeram um mapa da localização das galáxias. “Foi incrível”, diz ela. “Tínhamos grandes vazios circulares e paredes pontiagudas cheias de galáxias.”

“Todas estas características”, escreveram os investigadores no seu artigo intitulado “A Slice of the Universe”, “representam sérios desafios para os modelos atuais de formação de estruturas em grande escala”. Como mais tarde, pesquisas mais profundas confirmariam, as galáxias e aglomerados de galáxias estão eles próprios concentrados numa teia gigantesca de regiões concentradas de matéria ligadas por filamentos em fluxo, com vazios gigantescos entre eles. Em outras palavras, o cosmos hoje se parece vagamente com o queijo suíço, enquanto o CMB se parece mais com o queijo cremoso.

A questão, então, era: que forças fizeram o universo evoluir do queijo cremoso para o queijo suíço? Um fator foi quase certamente a matéria escura, a massa invisível cuja existência na década de 1980 só recentemente foi aceite pela maioria dos astrofísicos, apesar de anos de provas tentadoras de observadores como Vera Rubin e Fritz Zwicky . Era mais massivo do que a matéria visível comum por um fator de seis ou mais. Isso teria tornado a atração gravitacional de regiões ligeiramente superdensas no universo primitivo mais forte do que se imaginava. Estrelas e galáxias teriam se formado preferencialmente nessas áreas de alta densidade, deixando as regiões de baixa densidade em grande parte vazias.

A maioria dos observadores e teóricos continuaram a explorar o que viria a ser conhecido como a “ teia cósmica ”, mas muito poucos se concentraram nos vazios. Não foi por falta de interesse; o problema era que não havia muito para ver. Os vazios eram importantes não pelo que continham, mas porque a sua própria existência, as suas formas, tamanhos e distâncias entre si tinham de ser o resultado das mesmas forças que deram estrutura ao universo. Para usar os vazios para entender como essas forças funcionavam, os astrofísicos precisavam incluir muitos exemplos nas análises estatísticas do tamanho, forma e separação médios dos vazios, mas foram encontrados muito poucos para tirar conclusões úteis deles. Era análoga à situação dos exoplanetas na década de 1990: os primeiros descobertos eram provas de que os planetas orbitavam de facto estrelas para além do Sol, mas só depois de o telescópio espacial Kepler começar a juntá-los aos milhares, após o seu lançamento em 2009, é que os cientistas planetários poderiam dizer algo significativo sobre quantos e que tipos de planetas povoavam a Via Láctea.

Outra questão com o estudo dos vazios foi levantada em 1995 por Barbara Ryden, da Ohio State University, e Adrian L. Melott, da University of Kansas. Eles apontaram que as pesquisas de galáxias são conduzidas no “espaço com desvio para o vermelho”, e não no espaço real. Para compreender o que significam, considere que, à medida que o Universo se expande, as ondas de luz são esticadas dos seus comprimentos de onda e cores originais para comprimentos de onda mais longos e mais vermelhos. Quanto mais longe algo está de um observador, mais sua luz é esticada. O Telescópio Espacial James Webb foi projetado para ser sensível à luz infravermelha, em parte para que possa ver as primeiras galáxias, cuja luz foi esticada para fora do espectro visível – é mais vermelha que o vermelho. E a CMB, a luz mais distante que podemos detectar, foi tão esticada que agora a percebemos na forma de micro-ondas. “Medir as distâncias físicas às galáxias é difícil”, escreveram Ryden e Melott num artigo no Astrophysical Journal . “É muito mais fácil medir os desvios para o vermelho.” Mas, notaram eles, os desvios para o vermelho podem distorcer as distâncias reais às galáxias que encerram um vazio e, assim, dar uma ideia errada do seu tamanho e forma. O problema, explica Nico Hamaus , da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, é que, à medida que o vazio se expande, “o lado mais próximo vem em nossa direção e o lado mais distante está se afastando”. Esse diferencial subtrai o desvio para o vermelho no lado mais próximo e adiciona-o no lado mais distante, fazendo com que o vazio pareça artificialmente alongado.

Apesar das dificuldades, os astrofísicos começaram a sentir-se mais preparados para enfrentar os vazios no final dos anos 2000. Projetos como o Sloan Digital Sky Survey investigaram o cosmos muito mais profundamente do que o mapa feito por Geller, Huchra e de Lapparent e confirmaram que havia vazios em todos os lugares que se olhava. Entretanto, observações independentes realizadas por duas equipas de astrofísicos revelaram a existência de energia escura , uma espécie de gravidade negativa que forçava o Universo a expandir-se cada vez mais rapidamente, em vez de abrandar devido à atração gravitacional mútua de biliões de galáxias. Os vazios pareciam oferecer aos astrônomos uma maneira promissora de estudar o que poderia estar impulsionando a energia escura.

Esses desenvolvimentos chamaram a atenção de Wandelt. Sua especialidade sempre foi tentar entender como surgiu a estrutura em larga escala do universo moderno. Um dos aspectos dos vazios que ele achou atraentes, diz ele, foi que “essas regiões subdensas são muito mais silenciosas em alguns aspectos, mais fáceis de modelar” do que os aglomerados e filamentos que as separam. Galáxias e gases estão colidindo uns com os outros em interações não lineares e complicadas, diz Wandelt. Há “um caos” que apaga as informações sobre a sua formação. Para complicar ainda mais as coisas, a atração gravitacional entre as galáxias é forte o suficiente em escalas menores para neutralizar a expansão geral do universo – e até mesmo neutralizar a força extra da energia escura. Andrômeda, por exemplo, a grande galáxia mais próxima da nossa, está na verdade se aproximando da Via Láctea; daqui a quatro bilhões de anos ou mais, eles se fundirão . Os vazios, por outro lado, “são dominados pela energia escura”, diz Wandelt. “Na verdade, os maiores estão se expandindo mais rápido que o resto do universo.” Isso os torna laboratórios ideais para controlar essa força ainda intrigante.

E não é apenas uma compreensão da energia escura que poderá emergir desta linha de estudo; os vazios também poderiam lançar luz (por assim dizer) sobre a natureza da matéria escura. Embora os vazios contenham muito menos matéria escura do que os aglomerados e filamentos da teia cósmica, ainda existe alguma. E, ao contrário da teia caótica, com os seus gases quentes em turbilhão e galáxias em colisão, os vazios são suficientemente calmos para que as partículas que os astrofísicos pensam que constituem a matéria escura possam ser detectáveis. Eles não apareceriam diretamente, porque não absorvem nem emitem luz. Mas as partículas deveriam ocasionalmente colidir, resultando em pequenas explosões de raios gama. Eles provavelmente também decairiam eventualmente, liberando raios gama nesse processo. Um telescópio de raios gama suficientemente sensível no espaço seria teoricamente capaz de detectar o seu sinal colectivo. Nicolao Fornengo, da Universidade de Turim, em Itália, co-autor de um estudo pré-impresso que expõe esta lógica, afirma que “se a matéria escura produz [raios gama], o sinal deveria estar lá”.

Os vazios poderiam até ajudar a definir a natureza dos neutrinos – partículas elementares, antes consideradas sem massa, que permeiam o universo enquanto mal interagem com a matéria comum. (Se você enviasse um feixe de neutrinos através de uma placa de chumbo com um ano-luz, ou quase seis trilhões de milhas, de espessura, cerca de metade deles navegaria através dela sem esforço.) Os físicos confirmaram que os três tipos conhecidos de neutrinos têm massas, mas eles não sabem por que ou exatamente o que são essas massas.

Os vazios podem ajudá-los a encontrar a resposta, diz Elena Massara , pesquisadora de pós-doutorado no Centro Waterloo de Astrofísica da Universidade de Waterloo, no Canadá. São lugares onde falta matéria luminosa e matéria escura, explica ela, “mas estão cheios de neutrinos, que estão distribuídos quase uniformemente” pelo universo, inclusive nos vazios. quase à velocidade da luz, o que significa que não se aglomeram sob a sua gravidade mútua – ou sob a gravidade das concentrações de matéria escura que funcionam como andaimes para a teia cósmica. Embora os vazios contenham sempre muitos neutrinos, as partículas estão apenas de passagem – aquelas que voam para fora são constantemente reabastecidas por mais neutrinos que entram. E a sua gravidade combinada pode fazer com que os vazios cresçam mais lentamente ao longo do tempo do que aconteceriam de outra forma. A taxa de crescimento – determinada através da comparação do tamanho médio dos vazios no universo primitivo com os do universo moderno – pode revelar quanta massa os neutrinos realmente têm.

A ciência dos vazios cósmicos mudou muito desde que Pisani começou a estudá-la como estudante de pós-graduação trabalhando com Wandelt. Ele ofereceu duas ou três sugestões para um tema de dissertação, lembra ela, e uma delas foram vazios cósmicos. “Senti que eram a escolha mais arriscada”, diz ela, “porque havia muito poucos dados na altura. Mas eles também foram incrivelmente desafiadores”, o que ela achou emocionante. Os dados que Pisani e outros precisavam para analisar os vazios, no entanto – isto é, para testar suas propriedades do mundo real contra modelos de computador incorporando matéria escura, energia escura, neutrinos e a formação de estruturas em grande escala no universo – simplesmente não estavam disponíveis. “Quando comecei meu doutorado. tese”, diz Pisani, “conhecíamos menos de 300 vazios, algo assim. Hoje temos cerca de 6.000 ou mais.”

Isso é enorme, mas ainda não é suficiente para que a análise estatística abrangente necessária para os vazios seja usada na cosmologia séria – com uma exceção. Em 2020, Hamaus, Pisani, Wandelt e vários dos seus colegas publicaram uma análise mostrando que a relatividade geral se comporta pelo menos aproximadamente da mesma maneira em escalas muito grandes como parece fazer no universo local. Os vazios podem ser usados ​​para testar esta questão porque os astrofísicos pensam que resultam da forma como a matéria escura se aglomera no Universo: a matéria escura atrai a matéria comum, criando a teia cósmica e deixando espaços vazios para trás. Mas e se a relatividade geral, a nossa melhor teoria da gravidade, falhar de alguma forma em distâncias muito grandes? Poucos cientistas esperam que seja esse o caso, mas tem sido sugerido como um meio de explicar a existência da matéria escura.

Ao observar a espessura das paredes de matéria que rodeiam os vazios, no entanto, Hamaus e os seus colegas determinaram que é seguro confiar na teoria de Einstein. Para entender por quê, imagine um vazio como “um círculo cujo raio aumenta com a expansão do universo”, diz Wandelt. À medida que o círculo cresce, ele empurra os limites das galáxias e aglomerados em seu perímetro. Com o tempo essas estruturas se agregam, engrossando a “parede” que define a borda do vazio. A energia escura e os neutrinos também afetam a espessura, mas como estão distribuídos suavemente dentro e fora dos vazios, têm um efeito geral muito menor.

Os cientistas planeiam usar os vazios para aprender ainda mais sobre o Universo em breve, porque esperam multiplicar rapidamente o número de vazios conhecidos no seu catálogo. “Nos próximos cinco ou dez anos”, diz Pisani, “teremos centenas de milhares. É uma daquelas áreas onde os números realmente fazem a diferença.” Portanto, diz Spergel, faça avanços no aprendizado de máquina, o que tornará muito mais fácil a análise de propriedades de vazios.

Estes números explosivos não virão de projetos explicitamente concebidos para procurar vazios. Eles chegarão, como aconteceu com o Sloan Digital Sky Survey, como um subproduto de pesquisas mais gerais. A missão Euclid da Agência Espacial Europeia, por exemplo, lançada em julho de 2023, criará um mapa 3D da teia cósmica com amplitude e profundidade sem precedentes. O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA iniciará sua própria pesquisa em 2026, observando luz infravermelha. E em 2024, o Observatório Terrestre Vera C. Rubin lançará um estudo de 10 anos sobre a estrutura cósmica, entre outras coisas. Combinados, estes projetos deverão aumentar o inventário de vazios conhecidos em duas ordens de grandeza.

“Lembro-me de uma das primeiras palestras que dei sobre cosmologia do vazio, numa conferência na Itália”, diz Pisani. “No final o público não teve dúvidas.” Ela não tinha certeza na época se o motivo era o ceticismo ou simplesmente porque o assunto era tão novo para seus ouvintes que eles não conseguiam pensar em nada para perguntar. Em retrospecto, ela acha que foi um pouco dos dois. “Inicialmente, acho que o problema era apenas convencer as pessoas de que esta era uma ciência razoável a ser investigada”, diz ela.

Isso é muito menos problemático agora. Por exemplo, aponta Pisani, o grupo de vazios de Euclides tem cerca de 100 cientistas. “Devo dizer que Alice foi uma das destemidas pioneiras neste campo”, observa Wandelt sobre seu antigo doutorado. estudante. Quando começaram a escrever os primeiros artigos sobre a ciência do vazio, lembra ele, algumas das principais figuras da astrofísica “expressaram sérias dúvidas de que fosse possível fazer algo cosmologicamente interessante com os vazios”. A maior confirmação de que estavam errados, diz ele, é que algumas dessas mesmas pessoas estão agora entusiasmadas.

Pisani é talvez o representante ideal para este campo emergente. Ela aborda o tema com absoluto rigor científico, mas também com entusiasmo contagiante. Sempre que ela fala sobre vazios, ela se anima, falando rapidamente, levantando-se para desenhar diagramas em um quadro branco e respondendo a perguntas (das quais agora existem muitas) com facilidade e confiança. Ela enfatiza que a ciência do vazio não responderá por si só a todas as grandes questões dos astrofísicos sobre o universo. Mas poderia fazer algo ainda mais valioso de certa forma: testar ideias sobre a matéria escura, a energia escura, os neutrinos e o crescimento da estrutura cósmica, independentemente de outras estratégias utilizadas pelos cientistas. Se os resultados corresponderem, ótimo. Caso contrário, os astrofísicos terão de reconciliar as suas diferenças para descobrir o que realmente se passa no cosmos.

“Acho atraente e até um tanto poética a ideia”, diz Wandelt, “de que olhar para essas áreas onde não há nada pode produzir informações sobre alguns dos mistérios mais notáveis ​​do universo”.

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