O crescimento da estrutura cósmica foi misteriosamente suprimido

Uma representação artística da matéria no universo primitivo, unindo-se lentamente em estruturas cósmicas maiores no universo tardio. Crédito: Minh Nguyen, Universidade de Michigan e Thanh Nguyen (marido)

Os cientistas descobriram que as estruturas cósmicas crescem mais lentamente do que o previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein, com a energia escura a desempenhar um papel inibitório mais dominante do que se pensava anteriormente. Esta descoberta pode remodelar a nossa compreensão da matéria escura, da energia escura e das teorias cosmológicas fundamentais.

À medida que o Universo evolui, os cientistas esperam que grandes estruturas cósmicas cresçam a um determinado ritmo: regiões densas, como aglomerados de galáxias, tornar-se-ão mais densas, enquanto o vácuo do espaço se tornará mais vazio.

No entanto, investigadores da Universidade de Michigan descobriram que a taxa de crescimento destas grandes estruturas é mais lenta do que o previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein.

Mostraram também que, embora a energia escura esteja a acelerar a expansão global do Universo, a supressão do crescimento da estrutura cósmica que os investigadores veem nos seus dados é mais pronunciada do que a teoria prevê. Seus resultados foram publicados em 11 de setembro na revista Cartas de revisão física.

A teia cósmica

As galáxias estão interligadas em todo o nosso universo como uma gigante teia de aranha cósmica. A sua distribuição não é aleatória. Em vez disso, eles tendem a se agrupar. Na verdade, toda a teia cósmica começou como pequenos aglomerados de matéria no universo primitivo, que gradualmente se transformaram em galáxias individuais e, eventualmente, em aglomerados e filamentos de galáxias.

“Ao longo do tempo cósmico, um pequeno pedaço de massa atrai e acumula cada vez mais matéria da sua região local através da interação gravitacional. À medida que a região se torna mais densa, “acaba por colapsar sob a sua própria gravidade.”

“Então, à medida que eles entram em colapso, a densidade dos aglomerados aumenta. É isso que queremos dizer com crescimento. É como um tear onde os colapsos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais parecem uma folha, um fio e um nó. A realidade é uma combinação dos três estados, e você tem galáxias vivendo ao longo dos fios enquanto aglomerados de galáxias – aglomerados de milhares de galáxias – os objetos mais massivos do nosso universo ligados pela gravidade – ficam nos nós.

Energia escura e expansão cósmica

O universo não é feito apenas de matéria. Provavelmente também contém um componente misterioso chamado energia escura. A energia escura está acelerando a expansão do universo em escala global. Embora a energia escura acelere a expansão do universo, ela tem o efeito oposto em estruturas maiores.

“Se a gravidade atua como um amplificador que promove perturbações da matéria para crescer em estruturas em grande escala, então a energia escura atua como um amortecedor sobre essas perturbações e retarda o crescimento da estrutura”, disse Nguyen. “Ao estudar como a estrutura cósmica se reúne e cresce, podemos tentar compreender a natureza da gravidade e da energia escura.”

Metodologia e sondagens

Nguyen, o professor de física da Universidade de Maryland, Dragan Huterer, e o estudante de pós-graduação da Universidade de Maryland, Yuyu Wen, examinaram o crescimento temporal da estrutura em grande escala ao longo do tempo cósmico usando várias sondas cosmológicas.

Primeiro, a equipe usou o que é chamado de radiação cósmica de fundo. A radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB, consiste em fótons emitidos diretamente após… a grande explosão. Esses fótons fornecem um instantâneo do universo primitivo. À medida que os fotões viajam até aos nossos telescópios, o seu caminho pode tornar-se distorcido, ou afetado gravitacionalmente, pela extensa estrutura ao longo do caminho. Ao examiná-los, os pesquisadores podem inferir como a estrutura e a matéria estão distribuídas entre nós e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Nguyen e seus colegas aproveitaram um fenômeno semelhante de lente gravitacional fraca de formas de galáxias. A luz das galáxias de fundo é distorcida por interações gravitacionais com a matéria e as galáxias em primeiro plano. Os cosmólogos então decodificam essas distorções para determinar como a matéria interveniente é distribuída.

“Crucialmente, uma vez que a CMB e as galáxias de fundo estão a distâncias diferentes de nós e dos nossos telescópios, as lentes gravitacionais fracas das galáxias normalmente exploram as distribuições de matéria mais tarde do que através das lentes gravitacionais fracas da CMB”, disse Nguyen.

Para rastrear o crescimento da estrutura até épocas posteriores, os investigadores também usaram os movimentos das galáxias no universo local. Quando as galáxias caem nos poços gravitacionais das estruturas cósmicas subjacentes, os seus movimentos seguem diretamente o crescimento da estrutura.

“A diferença nas taxas de crescimento que provavelmente detectaremos torna-se mais pronunciada à medida que nos aproximamos dos dias atuais”, disse Nguyen. “Individualmente e colectivamente, estas diferentes investigações apontam para a inibição do crescimento. Ou estamos a perder algum erro sistemático em cada uma destas sondas, ou estamos a perder alguma nova física recente no nosso modelo padrão.”

Tratamento de estresse S8

Os resultados abordam potencialmente a chamada tensão S8 na cosmologia. S8 é um parâmetro que descreve o crescimento da estrutura. A tensão surge quando os cientistas usam dois métodos diferentes para determinar o valor de S8, mas não concordam. O primeiro método, usando fótons da radiação cósmica de fundo, indica um valor S8 mais alto do que o valor inferido a partir de lentes gravitacionais de galáxias fracas e medições de aglomerados de galáxias.

Nenhuma destas sondagens mede o crescimento da estrutura hoje. Em vez disso, examinaram a estrutura em épocas anteriores e depois extrapolaram essas medições para o tempo presente, assumindo o Modelo Padrão. A estrutura das sondas cósmicas de fundo em micro-ondas no Universo primitivo, enquanto as lentes gravitacionais galácticas fracas e a estrutura das sondas de aglomerados no Universo tardio.

As descobertas dos pesquisadores sobre a supressão tardia do crescimento colocariam os dois valores S8 em total concordância, segundo Nguyen.

“Ficamos surpresos com a alta significância estatística da supressão da displasia”, disse Hutterer. “Honestamente, sinto que o Universo está a tentar dizer-nos algo. O nosso trabalho agora, como cosmólogos, é interpretar estes resultados.”

“Gostaríamos de fortalecer a evidência estatística para a supressão do crescimento. Gostaríamos também de compreender a resposta à questão mais difícil de por que as estruturas crescem mais lentamente do que o esperado no Modelo Padrão com matéria escura e energia escura. Este efeito pode ser causado por novas propriedades da energia escura e da matéria escura, ou alguma outra extensão.” Para a relatividade geral e o Modelo Padrão ainda não pensamos nisso.

Referência: “Evidência para a supressão do crescimento da estrutura no modelo cosmológico conforme” por Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer e Yue Wen, 11 de setembro de 2023, Cartas de revisão física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.111001

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