Energia escura: estamos cada vez mais perto de entender um dos maiores enigmas da ciência

Há mais de dez anos, o Dark Energy Survey (DES) começou a mapear o universo para encontrar evidências que pudessem nos ajudar a entender a natureza do misterioso fenômeno conhecido como energia escura. Sou um dos mais de 100 cientistas colaboradores que ajudaram a produzir a medição final do DES, que acaba de ser divulgada na 243ª reunião da American Astronomical Society em Nova Orleans.

Estima-se que a energia escura represente quase 70% do universo observável, mas ainda não entendemos o que ela é. Embora sua natureza permaneça misteriosa, o impacto da energia escura é sentido em grandes escalas. Seu principal efeito é impulsionar a expansão acelerada do universo.

O anúncio feito em Nova Orleans pode nos aproximar de uma melhor compreensão dessa forma de energia. Entre outras coisas, ele nos dá a oportunidade de testar nossas observações em relação a uma ideia chamada constante cosmológica, que foi introduzida por Albert Einstein em 1917 como uma forma de neutralizar os efeitos da gravidade em suas equações para obter um universo que não estivesse se expandindo nem se contraindo. Mais tarde, Einstein a removeu de seus cálculos.

No entanto, os cosmólogos descobriram mais tarde que não apenas o universo estava se expandindo, mas que a expansão estava se acelerando. Essa observação foi atribuída a uma quantidade misteriosa chamada energia escura. O conceito de constante cosmológica de Einstein poderia, de fato, explicar a energia escura se ela tivesse um valor positivo (permitindo que ela se adaptasse à expansão acelerada do cosmos).

Os resultados do DES são o ponto culminante de décadas de trabalho de pesquisadores de todo o mundo e fornecem uma das melhores medições até hoje de um parâmetro elusivo chamado “w”, que representa a “equação de estado” da energia escura. Desde a descoberta da energia escura em 1998, o valor de sua equação de estado tem sido uma questão fundamental.

Esse estado descreve a razão da pressão sobre a densidade de energia de uma substância. Tudo no universo tem uma equação de estado.

Seu valor informa se uma substância é semelhante a um gás, relativista (descrita pela teoria da relatividade de Einstein) ou não, ou se ela se comporta como um fluido. Calcular esse valor é o primeiro passo para realmente entender a verdadeira natureza da energia escura.

Nossa melhor teoria para w prevê que ele deve ser exatamente menos um (w=-1). Essa previsão também pressupõe que a energia escura é a constante cosmológica proposta por Einstein.

Subvertendo as expectativas

Uma equação de estado de menos um nos diz que, à medida que a densidade de energia da energia escura aumenta, a pressão negativa também aumenta. Quanto maior a densidade de energia no universo, maior a repulsão – em outras palavras, a matéria empurra a outra matéria. Isso leva a um universo em constante expansão e aceleração. Isso pode parecer um pouco bizarro, pois é contraintuitivo em relação a tudo o que vivenciamos na Terra.

O trabalho utiliza a sonda mais direta que temos sobre a história da expansão do universo: As supernovas do tipo Ia. Essas supernovas são um tipo de explosão estelar e funcionam como uma espécie de parâmetro cósmico, permitindo-nos medir distâncias surpreendentemente grandes no universo. Essas distâncias podem então ser comparadas com nossas expectativas. Essa é a mesma técnica que foi usada para detectar a existência da energia escura há 25 anos.

A diferença agora está no tamanho e na qualidade de nossa amostra de supernovas. Usando novas técnicas, a equipe do DES tem 20 vezes mais dados, em uma ampla gama de distâncias. Isso permite uma das medições mais precisas de w, fornecendo um valor de -0,8

À primeira vista, esse não é o valor exato de menos um que previmos. Isso pode indicar que essa não é a constante cosmológica. No entanto, a incerteza nessa medição é grande o suficiente para permitir menos um com 5% de chance, ou seja, uma probabilidade de aposta de apenas 20 para 1. Esse nível de incerteza ainda não é bom o suficiente para dizer qualquer coisa, mas é um excelente começo.

A detecção da partícula subatômica Bóson de Higgs em 2012 no Grande Colisor de Hádrons exigiu uma probabilidade de um milhão para uma de estar errada. Entretanto, essa medição pode sinalizar o fim dos modelos “Big Rip”, que têm equações de estado mais negativas do que um. Nesses modelos, o universo se expandiria indefinidamente em um ritmo cada vez mais rápido, acabando por separar galáxias, sistemas planetários e até mesmo o próprio espaço-tempo. Isso é um alívio.

Como sempre, os cientistas querem mais dados e esses planos já estão em andamento. Os resultados do DES sugerem que nossas novas técnicas funcionarão para futuros experimentos de supernovas com a missão Euclid da ESA (lançada em julho de 2023) e o novo Observatório Vera Rubin no Chile. Esse observatório deverá em breve usar seu telescópio para obter uma primeira imagem do céu após a construção, dando uma ideia de suas capacidades.

Esses telescópios de próxima geração poderão encontrar milhares de outras supernovas, ajudando-nos a fazer novas medições da equação de estado e lançando ainda mais luz sobre a natureza da energia escura.