O universo é um mar aparentemente interminável, cheio de estrelas, galáxias e nebulosas. Nele, vemos padrões e constelações que inspiraram histórias ao longo da história. Mas há um padrão cósmico que ainda não entendemos. Uma pergunta que permanece sem resposta: qual é a forma do universo? Pensávamos que sabíamos, mas novas pesquisas sugerem o contrário, e isso poderia apontar para uma crise na cosmologia.
Figura do século XVII mostrando o universo de Ptolomeu. Crédito: Biblioteca do Congresso
Muitos primeiros astrônomos sustentavam que o universo era uma esfera de estrelas, encerrando o sistema solar e centrada em uma Terra fixa e imóvel. Mas ao longo dos séculos, os astrônomos descobriram que nosso Sol era apenas um bilhão de dólares dentro de uma galáxia, e havia inúmeras galáxias espalhadas por bilhões de anos-luz de espaço. A questão da forma da criação parecia um ponto discutível. Estrelas e galáxias existiam no espaço vazio. O que poderia ser um espaço senão uma tela em branco: plana, euclidiana e desprovida de estrutura.
Então, no início de 1900, Albert Einstein desenvolveu sua teoria da relatividade geral. Nele, o espaço não era uma tela em branco. Poderia dobrar e esticar, torcer e deformar, com base na posição e movimento da massa no universo. Essas deformações espaciais desviam a luz e a matéria, causando o efeito que chamamos de gravidade. Com a relatividade, o espaço pode assumir diferentes formas. Era possível então que o universo pudesse ter uma forma cósmica geral, assim como a Terra é, em geral, redonda.
Em termos gerais, a relatividade geral permitiria que o universo tivesse uma de três formas: plana, fechada ou aberta.
Formas possíveis do universo. Crédito: NASA
Flat é a maneira como pensamos no espaço em nossas vidas cotidianas. É o espaço euclidiano que aprendemos na escola. O espaço plano se estende uniformemente em todas as direções, e dois feixes de luz paralelos permaneceriam para sempre paralelos.
O espaço aberto pode ser imaginado em forma de sela. Dobra de tal maneira que diverge à medida que você se estende para fora. Dois feixes de luz inicialmente paralelos se espalhariam gradualmente, afastando-se um pouco um do outro enquanto atravessavam o cosmos.
O espaço fechado é geralmente esférico. Ele converge à medida que se estende, de modo que raios de luz paralelos acabariam se encontrando e se cruzando, como linhas de longitude na Terra.
Deve-se mencionar que nenhum deles tem que lidar com o fato de que o universo como um todo está se expandindo. A expansão cósmica significa que os pontos no espaço estão se espalhando ao longo do tempo. A forma do universo lida com a forma do espaço. Um balão esférico pode se expandir à medida que é inflado, assim como uma folha de borracha plana pode ser esticada e permanecer plana. Portanto, nosso universo em expansão pode ser plano, aberto ou fechado.
Como a curvatura do espaço é afetada pela presença de massa, a forma geral do universo depende da densidade média da matéria dentro dele. Na relatividade geral, esse valor é dado pelo parâmetro de densidade, que é a razão entre a densidade observada e a "densidade crítica" necessária para que o universo seja plano. Se o parâmetro de densidade for 1, o universo é plano. Se for maior que 1, será fechado e aberto se o parâmetro de densidade for menor que 1. As medidas da densidade cósmica forneceram consistentemente um valor de 1. Para os limites da observação, o universo é plano, como suspeitamos há muito tempo. .
Aparência do CMB afetado pela forma cósmica. Crédito: NASA / WMAP Science Team
Mas há outra maneira de medir a forma do cosmos, e é observar o tamanho aparente de objetos muito distantes. Tudo volta ao comportamento dos feixes de luz paralelos. Em um universo plano, as linhas paralelas permanecem paralelas, de modo que a luz que vem dos dois lados de uma galáxia distante chega até nós em uma linha reta. Seus ângulos em relação um ao outro permanecem os mesmos, e assim a galáxia aparece como seu tamanho real.
Se o universo estiver aberto, linhas paralelas divergem com a distância. Assim, a luz da nossa galáxia distante se torna mais paralela à medida que nos atinge. Isso significa que a galáxia pareceria menor do que é. Se o universo estiver fechado, ocorre a inclinação oposta da luz, e a galáxia pareceria maior do que é.
Em um novo artigo publicado na Nature , uma equipe analisou não as galáxias, mas as flutuações dentro do Cosmic Microwave Background ( CMB ). O CMB é a luz remanescente do big bang e é a luz mais distante que podemos ver no universo. Por isso, é a luz mais afetada pela forma do universo. A escala de flutuações no CMB é determinada pela quantidade de matéria escura e energia escura no universo, que conhecemos, então sabemos quão grandes as flutuações devem aparecer. Quando a equipe analisou os dados do CMB da sonda Plank, eles descobriram que as flutuações eram maiores do que o esperado. Isso significa que, com uma certeza de 99%, o universo está fechado, não plano.
Esta nova pesquisa contradiz inúmeros estudos anteriores, mostrando que o universo é plano. Pode haver algum erro sistemático nos dados de Planck que faz o universo parecer curvado, mas se a pesquisa for precisa, isso indica uma lacuna em nosso entendimento. Por enquanto, a forma do universo não é clara.
Publicado na Nature Astronomy
Publicado na Nature Astronomy
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