Nosso universo parece desigual e isso pode pôr em risco toda a cosmologia.

A forma do Universo não é um tema que costuma ocupar o nosso dia a dia. Ainda assim, um estudo recente que publiquei com colegas indica que ele pode ser assimétrico - ou seja, “desalinhado”, sem aparentar ser igual em todas as direções.

Essa hipótese importa porque o modelo cosmológico padrão, usado hoje para descrever a dinâmica e a estrutura do cosmos como um todo, se apoia diretamente na suposição de que o Universo é isotrópico (parece o mesmo em qualquer direção) e homogêneo quando observado em escalas suficientemente grandes.

Nos últimos anos, porém, diversas “tensões” - discrepâncias entre conjuntos de dados - vêm pressionando essa ideia de um Universo perfeitamente uniforme.

A anomalia do dipolo cósmico e o modelo cosmológico padrão (Lambda-CDM)

Acabámos de publicar um artigo científico sobre uma das tensões mais relevantes: a anomalia do dipolo cósmico. A nossa conclusão é clara: ela representa um desafio sério ao retrato mais aceito do Universo, o modelo cosmológico padrão, também conhecido como modelo Lambda-CDM.

Mas afinal, o que é a anomalia do dipolo cósmico - e por que ela se torna um problema tão profundo para quem tenta descrever o cosmos com precisão?

Por que a isotropia (e a descrição FLRW) é tão central

Um ponto de partida essencial é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), o “eco” luminoso que sobrou do Big Bang. No céu inteiro, a CMB é extremamente uniforme: varia apenas cerca de uma parte em 100 mil.

Esse grau de uniformidade dá aos cosmólogos confiança para modelar o Universo com a descrição mais simétrica possível do espaço-tempo dentro da relatividade geral de Einstein. Essa visão, em que o Universo parece igual em todo lugar e em qualquer direção, é conhecida como descrição FLRW.

Adotar a descrição FLRW simplifica enormemente a solução das equações de Einstein - e é justamente isso que sustenta o modelo Lambda-CDM.

Tensões cosmológicas: o exemplo da tensão de Hubble

Apesar desse sucesso, há anomalias importantes. Uma das mais debatidas é a tensão de Hubble, em homenagem a Edwin Hubble, a quem se atribui a descoberta, em 1929, de que o Universo está em expansão.

A discrepância começou a ficar evidente a partir de diferentes conjuntos de dados nos anos 2000, em especial com medições do Telescópio Espacial Hubble e, mais recentemente, com dados do satélite Gaia. Em termos simples, trata-se de um desacordo cosmológico: a taxa de expansão do Universo inferida a partir do Universo primordial não coincide com a taxa medida no Universo local (mais recente).

A anomalia do dipolo cósmico recebeu bem menos atenção do que a tensão de Hubble - mas, para a nossa compreensão do cosmos, ela é ainda mais fundamental.

O que é a anomalia do dipolo cósmico

Sabemos que, em grande escala, a CMB é altamente simétrica. Ainda assim, foram identificadas variações nessa radiação remanescente do Big Bang. A mais marcante é a anisotropia dipolar da CMB: a maior diferença de temperatura observada na CMB, em que um lado do céu aparece mais quente e o lado oposto mais frio, numa magnitude de aproximadamente uma parte em mil.

Essa característica, por si só, não entra em conflito com o modelo Lambda-CDM. O ponto crucial é outro: se ela é real e tem uma interpretação física consistente, então deveríamos observar variações correspondentes também em outros dados astronómicos.

Um detalhe importante (e muitas vezes pouco discutido fora da área) é que o dipolo da CMB é geralmente interpretado como consequência do nosso movimento em relação ao “referencial médio” do Universo. Se essa explicação está correta, ela não deveria afetar apenas a radiação: também deveria deixar uma assinatura coerente na distribuição de matéria - por exemplo, na contagem de galáxias e quasares pelo céu.

O teste de Ellis–Baldwin: comparar CMB e matéria

Em 1984, George Ellis e John Baldwin levantaram uma questão direta: existiria uma variação semelhante - uma “anisotropia dipolar” - na distribuição no céu de fontes astronómicas distantes, como galáxias de rádio e quasares?

Essas fontes precisam estar muito longe, porque objetos próximos podem gerar um falso sinal, criando um “dipolo de aglomeração” (isto é, uma assimetria causada apenas por estruturas locais).

Se a suposição de um Universo simétrico sob a descrição FLRW estiver certa, então a variação observada nessas fontes distantes deveria ser determinada diretamente pela variação medida na CMB. Essa verificação ficou conhecida como teste de Ellis–Baldwin.

• Concordância entre o dipolo da CMB e o dipolo da matéria reforçaria o modelo Lambda-CDM.
• Discordância colocaria o modelo em xeque - e, de forma ainda mais séria, a própria descrição FLRW.

Como o teste é extremamente exigente em termos de precisão, os catálogos de dados necessários para realizá-lo só se tornaram viáveis recentemente.

O resultado é que o Universo falha no teste de Ellis–Baldwin: a variação inferida a partir da matéria não coincide com a variação observada na CMB.

Por que o resultado é difícil de descartar como erro

Uma razão para levar isso a sério é que as possíveis fontes de erro são bem diferentes quando comparamos:

• telescópios terrestres (por exemplo, no rádio), e
• satélites que observam em comprimentos de onda no infravermelho médio.

Mesmo assim, ambos os tipos de observação apontam para o mesmo desfecho, o que aumenta a confiança de que não se trata apenas de um artefacto instrumental ou de uma falha específica de um único levantamento.

Além disso, análises modernas procuram controlar efeitos sistemáticos (como calibração, cobertura incompleta do céu e seleções de amostra). Ainda que esses cuidados não eliminem todos os riscos, o padrão consistente entre diferentes tecnologias e faixas do espectro torna a anomalia mais difícil de ignorar.

Um desafio grande - e sem “remendo” simples

Assim, a anomalia do dipolo cósmico firmou-se como um problema de primeira grandeza para o modelo cosmológico padrão, mesmo que grande parte da comunidade astronómica tenha preferido não dar a ela o mesmo destaque de outras tensões.

Um motivo provável é que não existe um ajuste simples que resolva a questão. Enfrentá-la pode exigir abandonar não apenas o modelo Lambda-CDM, mas a própria descrição FLRW - em outras palavras, voltar ao ponto de partida e repensar pressupostos básicos.

O que pode mudar com a próxima onda de dados

Ao mesmo tempo, uma verdadeira avalanche de observações está a caminho, com novas missões como Euclid e SPHEREx, além de observatórios como o Observatório Vera Rubin e o Square Kilometre Array.

É plausível que, em breve, tenhamos pistas mais ousadas sobre como construir um novo modelo cosmológico. Uma parte dessa virada pode vir do uso de técnicas de inteligência artificial, especialmente aprendizado de máquina, para explorar catálogos gigantescos, identificar padrões subtis e testar hipóteses com maior poder estatístico.

O impacto potencial seria enorme para a física fundamental - e para a nossa compreensão do Universo.

Subir Sarkar, professor emérito, Universidade de Oxford

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.