Editor’s Note: Esta história foi originalmente impressa na edição de Fevereiro de 2004 da revista Scientific American. Estamos a relançar esta história porque o autor Adam Riess foi seleccionado como MacArthur Fellow em 2008 pela Fundação MacArthur.
Desde o tempo de Isaac Newton até ao final dos anos 90, a característica determinante da gravidade era a sua natureza atractiva. A gravidade mantém-nos ancorados. Abranda a ascensão das bolas de basebol e mantém a lua em órbita à volta da terra. A gravidade impede o nosso sistema solar de voar para longe e une enormes aglomerados de galáxias. Embora a teoria geral da relatividade de Einstein permita que a gravidade empurre e puxe, a maioria dos físicos considerava esta possibilidade como puramente teórica, irrelevante para o universo actual. Até há pouco tempo, os astrónomos esperavam plenamente ver a gravidade abrandar a expansão do cosmos.
Em 1998, contudo, os investigadores descobriram o lado repulsivo da gravidade. Observando cuidadosamente explosões de supernovasa-estelares distantes que durante um breve período de tempo brilharam tão intensamente como 10 biliões de sol – os astrónomos descobriram que estavam mais fracos do que o esperado. A explicação mais plausível para a discrepância é que a luz das supernovas, que explodiu há milhares de milhões de anos, percorreu uma distância maior do que os teóricos tinham previsto. E esta explicação, por sua vez, levou à conclusão de que a expansão do universo está de facto a acelerar, e não a abrandar. Esta foi uma descoberta tão radical que alguns cosmólogos sugeriram que a falha no brilho da supernova era o resultado de outros efeitos, tais como a poeira intergaláctica a escurecer a luz. Nos últimos anos, porém, os astrónomos solidificaram o argumento da aceleração cósmica estudando cada vez mais remotas supernovas.
Mas será que a expansão cósmica tem vindo a acelerar ao longo de toda a vida do universo, ou será um desenvolvimento relativamente recente – ou seja, a ocorrer nos últimos cinco mil milhões de anos ou assim? A resposta tem profundas implicações. Se os cientistas descobrirem que a expansão do universo tem estado sempre a acelerar, terão de rever completamente a sua compreensão da evolução cósmica. Mas se, como os cosmólogos esperam, a aceleração se revelar um fenómeno recente, os investigadores poderão ser capazes de determinar a sua causa – e talvez responder à questão mais vasta do destino do universo – aprendendo quando e como a expansão começou a ganhar velocidade.
Batalha de Titãs
ALMOST 75 ANOS O astrónomo Edwin Hubble descobriu a expansão do universo ao observar que outras galáxias se estão a afastar da nossa. Ele observou que as galáxias mais distantes estavam a afastar-se mais rapidamente do que as mais próximas, de acordo com o que é agora conhecido como a lei de Hubble (velocidade relativa igual à distância multiplicada pela constante de Hubble). Vista no contexto da teoria geral da relatividade de Einstein, a lei de Hubble surge devido à expansão uniforme do espaço, que é meramente um aumento do tamanho do universo.
Na teoria de Einstein, a noção de gravidade como uma força atractiva ainda se mantém para todas as formas conhecidas de matéria e energia, mesmo na escala cósmica. Portanto, a relatividade geral prevê que a expansão do universo deverá abrandar a um ritmo determinado pela densidade da matéria e da energia dentro dele. Mas a relatividade geral também permite a possibilidade de formas de energia com propriedades estranhas que produzem uma gravidade repulsiva. A descoberta de uma expansão acelerada em vez de desacelerada revelou aparentemente a presença de tal forma de energia, referida como energia escura.
Se a expansão está ou não a abrandar ou a acelerar depende de uma batalha entre dois titãs: o atractivo impulso gravitacional da matéria e o repulsivo impulso gravitacional da energia escura. O que conta neste concurso é a densidade de cada um. A densidade da matéria diminui à medida que o universo se expande, porque o volume do espaço aumenta. (Apenas uma pequena fracção da matéria é sob a forma de estrelas luminosas; acredita-se que o grosso é matéria escura, que não interage de forma perceptível com a matéria comum ou a luz, mas tem uma gravidade atractiva). Embora pouco se saiba sobre a energia escura, espera-se que a sua densidade mude lentamente ou não mude de todo à medida que o universo se expande. Actualmente a densidade da energia escura é superior à da matéria, mas num passado distante a densidade da matéria deveria ter sido maior, pelo que a expansão deveria ter sido mais lenta.
Os cosmólogos têm outras razões para esperar que a expansão do universo nem sempre tenha sido acelerada. Se assim tivesse sido, os cientistas não conseguiriam explicar a existência das estruturas cósmicas observadas no universo actual. De acordo com a teoria cosmológica, galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas maiores evoluíram a partir de pequenas não homogeneidades na densidade de matéria do universo primitivo, que são reveladas pelas variações na temperatura do fundo cósmico de microondas (CMB). A gravidade mais forte e atraente das regiões excessivamente densas de matéria impediu a sua expansão, permitindo-lhes formar objectos ligados gravitalmente – desde galáxias como a nossa até grandes aglomerados de galáxias. Mas se a expansão do universo tivesse sido sempre acelerada, teria separado as estruturas antes de estas poderem ser montadas. Além disso, se a expansão tivesse sido acelerada, dois aspectos chave do universo inicial – o padrão de variações CMB e a abundância de elementos de luz produzidos segundos após o big bang – não concordariam com as observações actuais.
Não obstante, é importante procurar provas directas de uma fase de expansão mais precoce e mais lenta. Tais provas ajudariam a confirmar o modelo cosmológico padrão e dariam aos cientistas uma pista sobre a causa subjacente ao actual período de aceleração cósmica. Porque os telescópios olham para trás no tempo à medida que recolhem luz de estrelas e galáxias distantes, os astrónomos podem explorar a história da expansão do universo, concentrando-se em objectos distantes. Essa história está codificada na relação entre as distâncias e as velocidades de recessão das galáxias. Se a expansão estiver a abrandar, a velocidade de uma galáxia distante seria relativamente maior do que a velocidade prevista pela lei de Hubble. Se a expansão estiver a acelerar, a velocidade de uma galáxia distante cairia abaixo do valor previsto. Ou, dito de outra forma, uma galáxia com uma dada velocidade de recessão estará mais longe do que se esperava – e portanto mais fraca – se o Universo estiver a acelerar.
Caça à Supernova
A TOMAR VANTAGEM deste simples facto requer encontrar objectos astronómicos que tenham uma luminosidade intrínseca conhecida – a quantidade de radiação por segundo produzida pelo objecto – e que possa ser vista em todo o Universo. Uma classe particular de supernovas conhecidas como tipo Ia são bem adequadas para a tarefa. Estas explosões estelares são tão brilhantes que os telescópios terrestres podem vê-los a meio caminho do universo visível, e o Telescópio Espacial Hubble pode vê-los ainda mais de longe. Durante a última década, os investigadores calibraram cuidadosamente a luminosidade intrínseca de uma supernova do tipo Ia, pelo que a distância a uma destas explosões pode ser determinada a partir do seu brilho aparente.
Astrónomos podem deduzir a velocidade de recessão de uma supernova medindo o redshift da luz da galáxia em que esta se encontra. A radiação de objectos recuados é deslocada para comprimentos de onda mais longos; por exemplo, a luz emitida quando o universo tinha metade do seu tamanho actual duplicará em comprimento de onda e tornar-se-á mais avermelhada. Ao medir o redshift e o brilho aparente de um grande número de supernovas localizadas a várias distâncias, os investigadores podem criar um registo da expansão do universo.
Felizmente, as supernovas do tipo Ia são raras, ocorrendo numa galáxia como a Via Láctea apenas uma vez, em média, de poucos em poucos séculos. A técnica utilizada pelos caçadores de supernovas é observar repetidamente uma mancha de céu contendo milhares de galáxias e depois comparar as imagens. Um ponto de luz transitório que aparece numa imagem, mas não numa anterior, poderia ser uma supernova. Os resultados de 1998 mostrando evidências de aceleração cósmica basearam-se nas observações de duas equipas que olharam para as supernovas que explodiram quando o universo era cerca de dois terços do seu tamanho actual, cerca de cinco mil milhões de anos atrás.
alguns cientistas perguntaram-se, no entanto, se as equipas tinham interpretado correctamente os dados das supernovas. Seria possível que outro efeito para além da aceleração cósmica pudesse ter causado que as supernovas parecessem mais fracas do que o esperado? O preenchimento do espaço intergaláctico com pó poderia também fazer com que as supernovas parecessem fracas. Ou talvez as supernovas antigas tenham acabado de nascer dimmer porque a composição química do universo era diferente do que é hoje, com uma menor abundância dos elementos pesados produzidos pelas reacções nucleares nas estrelas.
Felizmente, está disponível um bom teste das hipóteses concorrentes. Se as supernovas aparecerem mais fracas do que o esperado devido a uma causa astrofísica, tal como uma tela de poeira penetrante, ou porque as supernovas passadas nasceram mais fracas, os efeitos de escurecimento putativo deverão aumentar com o redshift dos objectos. Mas se o escurecimento for o resultado de uma aceleração cósmica recente que se seguiu a uma era anterior de desaceleração, as supernovas do período de desaceleração pareceriam relativamente mais brilhantes. Portanto, observações de supernovas que explodiram quando o universo era inferior a dois terços do seu tamanho actual poderiam fornecer as provas para mostrar qual das hipóteses está correcta. (É possível, claro, que um fenómeno astrofísico desconhecido possa corresponder precisamente aos efeitos tanto da aceleração como da desaceleração, mas os cientistas geralmente desfavorecem tais explicações artificialmente afinadas.)
De qualquer modo, é difícil encontrar supernovas tão antigas e distantes. Uma supernova do tipo Ia que explodiu quando o universo tinha metade do seu tamanho actual é cerca de uma décima bilionésima estrela tão brilhante como Sirius, a estrela mais brilhante do céu. Os telescópios terrestres não podem detectar os objectos de forma fiável, mas o Telescópio Espacial Hubble pode. Em 2001, um de nós (Riess) anunciou que o telescópio espacial tinha imitado serendipitadamente uma Ia supernova do tipo extremamente distante (dublado SN 1997ff) em observações repetidas. Dado o redshift da luz desta explosão estelar – que ocorreu há cerca de 10 mil milhões de anos, quando o universo tinha um terço do seu tamanho actual – o objecto parecia muito mais brilhante do que teria sido se a hipótese poeirenta do universo fosse verdadeira. Este resultado foi a primeira prova directa da época de desaceleração. Os dois propusemos que as observações de mais supernovas de alta velocidade pudessem fornecer uma prova definitiva e determinar a transição de abrandamento para aceleração.
A Câmara Avançada para Levantamentos, um novo instrumento de imagem instalado no telescópio espacial em 2002, permitiu aos cientistas transformar Hubble numa máquina de caça às supernovas. Riess liderou um esforço para descobrir a amostra necessária de supernovas do tipo Ia muito distante através de piggybacking no Great Observatories Origins Deep Survey. A equipa encontrou seis supernovas que explodiram quando o universo tinha menos de metade do seu tamanho actual (há mais de sete mil milhões de anos); juntamente com SN 1997ff, estas são as supernovas de tipo mais distante de Ia supernovae alguma vez descobertas. As observações confirmaram a existência de um período de abrandamento precoce e colocaram o “ponto de costa” transitório entre o abrandamento e a aceleração a cerca de cinco mil milhões de anos atrás. Esta descoberta é consistente com as expectativas teóricas e, por conseguinte, é tranquilizadora para os cosmólogos. A aceleração cósmica foi uma surpresa e um novo puzzle a resolver, mas não é tão surpreendente que nos faça repensar muito do que pensávamos ter compreendido sobre o universo.
p>O nosso Destino Cósmico
O ANCIENTE SUPERNOVAE também forneceu novas pistas sobre a energia negra, a causa subjacente da velocidade cósmica. O principal candidato para explicar os efeitos da energia negra é a energia do vácuo, que é matematicamente equivalente à constante cosmológica que Einstein inventou em 1917. Porque Einstein pensava que precisava de modelar um universo estático, ele introduziu o seu “factor de fudge cosmológico” para equilibrar a atractiva gravidade da matéria. Nesta receita, a densidade da constante era metade da densidade da matéria. Mas para produzir a aceleração observada do universo, a densidade da constante teria de ser o dobro da densidade da matéria. De onde poderia vir esta densidade de energia? O princípio da incerteza da mecânica quântica exige que o vácuo seja preenchido com partículas que vivem do tempo e da energia emprestados, entrando e saindo da existência. Mas quando os teóricos tentam calcular a densidade de energia associada ao vácuo quântico, chegam a valores que são pelo menos 55 ordens de magnitude demasiado grandes. Se a densidade de energia do vácuo fosse realmente tão elevada, toda a matéria no universo voaria instantaneamente e as galáxias nunca se teriam formado.
Esta discrepância tem sido chamada o pior embaraço em toda a física teórica, mas pode na realidade ser o sinal de uma grande oportunidade. Embora seja possível que novas tentativas de estimar a densidade de energia do vácuo possam produzir apenas a quantidade certa para explicar a aceleração cósmica, muitos teóricos acreditam que um cálculo correcto, incorporando um novo princípio de simetria, levará à conclusão de que a energia associada ao vácuo quântico é zero. (Mesmo o nada quântico não pesa nada!) Se isto for verdade, algo mais deve estar a causar a expansão do universo a acelerar.
Os teóricos propuseram uma variedade de ideias, que vão desde a influência de dimensões extra, escondidas, até à energia associada a um novo campo da natureza, por vezes chamada quintessência. Em geral, estas hipóteses colocam uma densidade de energia escura que não é constante e que normalmente diminui à medida que o universo se expande. (Mas a sugestão de que a densidade de energia escura está na realidade a aumentar à medida que o universo se expande também foi apresentada). Talvez a ideia mais radical seja que não existe energia escura, mas sim que a teoria da gravidade de Einstein deve ser modificada.
Porque a forma como a densidade da energia escura varia depende do modelo teórico, cada teoria prevê um tempo diferente para o ponto de transição quando a expansão do universo passou de abrandamento para aceleração. Se a densidade de energia escura diminuir à medida que o universo se expande, então o ponto de transição ocorre mais cedo no tempo do que aconteceria para um modelo que assumisse uma densidade de energia escura constante. Mesmo modelos teóricos em que a gravidade é modificada levam a uma assinatura discernível no tempo de comutação. Os últimos resultados da supernova são consistentes com teorias que postulam uma densidade de energia escura constante, mas também concordam com a maioria dos modelos que assumem uma densidade de energia escura variável. Apenas as teorias que estipulam grandes variações na densidade de energia escura foram descartadas.
Para reduzir o leque de possibilidades teóricas, o Telescópio Espacial Hubble continua a recolher dados da supernova que poderiam fixar os detalhes da fase de transição. Embora o telescópio espacial continue a ser o único meio de sondar a história inicial da expansão cósmica, mais de meia dúzia de programas terrestres estão a tentar melhorar a precisão da medição da velocidade cósmica recente o suficiente para revelar a física da energia negra. O projecto mais ambicioso é a Missão Conjunta de Energia Escura (JDEM) proposta pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e pela NASA. JDEM é um telescópio espacial de dois metros e largo campo dedicado à descoberta e medição precisa de milhares de supernovas do tipo Ia. Os caçadores de supernovas esperam ver o JDEM lançado no início da próxima década; até lá, terão de confiar no telescópio Hubble para detectar as explosões estelares mais distantes.
p>Solucionar o mistério da aceleração cósmica revelará o destino do nosso universo. Se a densidade de energia negra for constante ou aumentar com o tempo, dentro de cerca de 100 mil milhões de anos todas as galáxias, excepto algumas centenas de galáxias, serão demasiado redshifted para serem vistas. Mas se a densidade de energia escura diminuir e a matéria se tornar novamente dominante, o nosso horizonte cósmico irá crescer, revelando mais do universo. Futuros ainda mais extremos (e letais) são possíveis. Se a densidade de energia escura aumentar em vez de diminuir, o universo acabará por sofrer uma “hiper-aceleração” que dilaceraria galáxias, sistemas solares, planetas e núcleos atómicos, por essa ordem. Ou o universo poderá mesmo recolher se a densidade de energia escura cair para um valor negativo. A única forma de prever o nosso futuro cósmico é descobrir a natureza da energia escura.