Pesquisa da UFABC e da UFC busca explicar expansão acelerada do universo

Texto adaptado. Notícia originalmente publicada no site da Universidade Federal do Ceará (UFC).

Pesquisa desenvolvida pelos físicos Roberto Vinhaes Maluf, da Universidade Federal do Ceará (UFC) e Juliano Neves, da Universidade Federal do ABC (UFABC), revela que o fato de o universo estar se expandindo de forma cada vez mais acelerada – algo cuja compreensão desafia cientistas de todo o mundo – pode estar relacionado a um fenômeno chamado "campo Bumblebee". O estudo acaba de ser publicado na revista internacional Physical Review D.

Se for confirmada, a pesquisa também coloca em xeque uma hipótese bastante aceita atualmente: a de que o universo se expande de forma uniforme, ou seja, que as leis da física são iguais em qualquer direção. Para isso, os pesquisadores estudaram a sombra provocada por um buraco negro e identificaram que ela é menor do que seria inicialmente esperado.

Para entender a relação entre gravidade, buracos negros, expansão do universo, é preciso voltar um pouco no tempo. Até o começo do século XX, a cosmologia trabalhava com a ideia de universo estático, quando observado a grandes escalas e distância.

Era essa a expectativa quando Albert Einstein desenvolveu um modelo cosmológico estático a partir da sua teoria geral da relatividade, em 1917, e viu-se diante da necessidade de explicar como o universo poderia ser estático se a tendência era de que a força gravitacional atraísse os corpos celestes.

Einstein, então, incluiu nos cálculos da teoria da relatividade a ideia de "constante cosmológica" (ou "constante universal"), uma força que anulava os efeitos gravitacionais. Foi a forma que ele encontrou para ajustar suas equações à ideia de um universo estático, homogêneo e isotrópico (que apresentava as mesmas propriedades físicas em qualquer direção).

Em meados da década de 1920 e começo dos anos 1930, impulsionados pelos trabalhos de Edwin Hubble, os cientistas demonstraram que o universo estava, na verdade, se expandindo. A descoberta fez Einstein considerar que a constante teria sido o "maior erro de sua carreira".

No fim dos anos 1990, no entanto, houve uma reviravolta na astrofísica. A partir das observações de supernovas (explosões de brilho intenso que marcam a "morte" de alguns tipos de estrelas), os astrônomos americanos Saul Perlmutter e Adam Riess e o australiano-americano Brian Schmidt conseguiram provar que o universo estava se expandindo de forma acelerada.

Esse movimento seria promovido pela "energia escura", uma força espalhada por todo o universo e que geraria uma pressão negativa, levando à expansão. Com isso, a constante cosmológica, que até então parecia uma relíquia histórica, acabou sendo reabilitada nos meios científicos. Ela passou a representar nas equações de Einstein a energia escura, cuja natureza ainda é um mistério.

A NOVA PESQUISA – O que a pesquisa dos professores Roberto Maluf e Juliano Neves conseguiu foi relacionar o valor da constante cosmológica a uma teoria chamada campo ou gravidade Bumblebee (não, o nome não faz referência ao personagem do filme Transformers, mas a uma espécie de grande zangão típico dos Estados Unidos cujo voo é aparentemente improvável porque parece difícil explicar como suas asas geram sustentação).

É essa improbabilidade que está no coração da gravidade Bumblebee. Ele é um modelo que propõe uma ideia alternativa de gravidade que rompe com a chamada simetria de Lorentz . A simetria diz que as leis da física são as mesmas independentemente do tempo, lugar, direção e velocidade (considerando se forem mantidas as mesmas condições de temperatura e pressão).

Para os teóricos, o modelo Bumblebee traz uma provocação instigante: o que aconteceria se a gravidade não funcionasse sempre de forma simétrica e, em situações excepcionais, tivesse alterações em certas direções?

Na primeira parte de seu estudo, Maluf e Neves conseguiram relacionar o valor no vácuo do Bumblebee ao da constante universal, ou seja, associaram um modelo de gravidade bastante particular, que rompe com a simetria de Lorentz, à força que gera expansão acelerada.

O Bumblebee poderia ser, então, a força por trás da energia escura? "Porque não temos ideia do que está criando a energia escura, essa possibilidade parece muito atraente", argumenta o astrofísico Paul Sutter, no artigo "Gravidade Bumblebee pode explicar por que o universo está se expandindo tão rapidamente", em que descreve a pesquisa dos professores Maluf e Neves. O artigo de Sutter foi publicado no site Live Science e logo replicado em vários sites de divulgação científica.

SOMBRA DO BURACO NEGRO – Modelos como o da gravidade Bumblebee foram desenvolvidos para tentar entender as leis da física em situações excepcionais. Situações como a do micromundo, do espaço subatômico, por exemplo. Ou no plano oposto, em algumas situações no Universo, como no caso dos buracos negros – pontos que concentram doses tão intensas de gravidade que nem mesmo a luz consegue escapar de sua força.

Foi justamente em um buraco negro que Maluf e Neves testaram seu trabalho. Os pesquisadores realizaram cálculos a partir da sombra de um buraco negro. Para tanto, eles tomaram como base as imagens obtidas em abril de 2019, quando, pela primeira vez a ciência conseguiu fazer a foto real de um buraco negro.

Isso só foi possível porque radiotelescópios do mundo inteiro, integrados no projeto Even Horizon Telescope, formaram um gigantesco telescópio virtual que permitiu visualizar a área ao redor do supermassivo buraco negro no centro da galáxia M87.

A imagem capta apenas a sombra do buraco negro (sim, porque a luz é capturada pelo próprio buraco negro), mas abriu novas possibilidades para a astrofísica. Os professores Maluf e Neves conseguiram demonstrar que o raio da sombra é menor do que o previsto na teoria da relatividade de Einstein. "E se existe o campo Bumblebee, ele vai alterar a sombra do buraco negro", explica o Prof. Maluf. "Se aumentar sua intensidade, ele vai reduzir o raio da sombra".

O pesquisador explica que ainda não é possível fazer comparação mais precisa pelas próprias limitações da imagem do buraco negro. Mas o avanço da pesquisa, com a elaboração de imagens no futuro, abrirá espaço para o desenvolvimento de outros paradigmas na física. E, talvez, para que a Ciência desvende mais esse mistério universal.

DESAFIO ÀS HIPÓTESES CONHECIDAS - Segundo Juliano Neves, pós-doutorando em Física na UFABC, sobre as novidades nesta área de pesquisa: "A física tem tido grandes anos, especialmente a física que estuda estrelas, buracos negros e o universo em grandes escalas. Isso já há quase uma década. Nos últimos anos, as ondas gravitacionais e a sombra do imenso buraco negro da galáxia Messier 87 estão entre as grandes novidades trazidas pela física, novidades amparadas pela teoria da relatividade de Einstein. Sejam as ondas gravitacionais ou uma sombra de um buraco negro, ambos fenômenos são previstos pela relatividade."

O pesquisador destaca que "A questão é ir além. Ir além da teoria de Einstein (pois ela, apesar de ser hoje a teoria da gravitação aceita, será um dia substituída pois tem as suas limitações como qualquer outra teoria) foi o que fizemos no nosso artigo. Buscamos no recente interesse despertado pelo tema sombras de buracos negros um desvio da teoria da relatividade,um sutil indício de que a teoria de Einstein deve falhar num processo extremo como na geração de uma sombra de buraco negro. Ou seja, no futuro (porque os dados atuais concordam com a teoria de Einstein), com dados mais precisos de diversas sombras, poderemos então nos deparar com algo que somente poderá ser bem descrito por uma teoria ou modelo que substituirá a teoria de Einstein, como o modelo que usamos. De quebra, o modelo adotado por nós pode indicar uma origem para a energia escura, forma de energia que expande aceleradamente o universo, algo que a teoria de Einstein é incapaz de explicar."

Fontes: Prof. Roberto Maluf (UFC) e Juliano Neves (UFABC).

Texto adaptado. Notícia originalmente publicada no site da Universidade Federal do Ceará (UFC) em 03/02/2021.