O universo está se expandindo, e essa expansão está se acelerando sob a influência da energia escura. Eventualmente, toda a matéria e energia serão dispersas por distâncias tão inimagináveis que nada poderá impedir o espaço de se dilatar indefinidamente. A menos que os cosmólogos tenham cometido um erro e a energia escura simplesmente não exista. Nesse caso, voltamos à estaca zero.

Um artigo publicado em dezembro afirmou que a energia escura, amplamente considerada a forma dominante de energia no universo e um dos componentes centrais do modelo cosmológico moderno, simplesmente não existe. O artigo, de Antonia Seifert e sua equipe da Universidade de Canterbury, na Nova Zelândia, afirma que a expansão aparentemente acelerada decorre de uma supersimplificação do modelo de universo em expansão. Os pesquisadores afirmam que o modelo Lambda-CDM atual não leva em conta adequadamente o fato de que o tempo flui de maneira diferente em partes diferentes do universo. Em particular, o tempo flui mais devagar em regiões de gravidade intensa, como nos densos aglomerados e filamentos da teia cósmica, e mais rápido nas vastas regiões vazias entre eles. Isso resulta numa paisagem de fluxo temporal variável, na qual algumas partes do universo podem ser bilhões de anos mais velhas que outras. Trata-se, mais que uma paisagem, de uma “paisagem temporal”. O modelo timescale foi proposto pela primeira vez por David Wiltshire em 2007, e nessa visão as partes do universo onde o tempo passa mais rápido terão se expandido mais do que as partes de tempo mais lento, e esse efeito pode imitar com exatidão a expansão aparentemente acelerada, mas sem nenhuma aceleração real, ao menos segundo essa equipe.

Há muito quem diga que a energia escura não existe desde sua descoberta, com graus variáveis de descrédito científico. Esta proposta específica recebeu mais atenção que o usual, em parte porque definitivamente não é especulação vazia. A proposta tem base científica sólida e os pesquisadores são pessoas sérias. Há também certa elegância nela que vale a pena explicar, embora isso não signifique que a ideia seja correta, e convém também explicar por que provavelmente não é.

Uma Revisão Rápida da Energia Escura

O universo está se expandindo, e medimos a história dessa expansão. Uma das formas mais importantes de fazer isso é medindo as distâncias até supernovas do Tipo Ia. Essas estrelas anãs brancas em explosão pulsam com brilhos previsíveis. A luz dessas explosões viaja até nós por grandes distâncias, e duas coisas acontecem nessa jornada. Primeiro, a luz é atenuada à medida que os fótons se espalham pelo universo: isso nos diz por quanto tempo e por qual distância a luz viajou. Segundo, esses mesmos fótons são esticados, deslocados para o vermelho, pela expansão do universo durante sua viagem: isso nos diz quanta expansão ocorreu durante o tempo de viagem. Combinando esses dados para muitas supernovas ao longo do tempo cósmico, obtemos uma história de expansão do universo.

Os resultados dos primeiros grandes levantamentos de supernovas chegaram no final dos anos 1990, e os cientistas esperavam descobrir que a taxa de expansão estava desacelerando por causa da gravidade, como a teoria geral da relatividade de Einstein exigia: a gravidade só permite uma força gravitacional de atração interna. Para grande surpresa de todos, esses estudos descobriram que a expansão estava se acelerando. À primeira vista, isso não fazia nenhum sentido sob a versão então vigente da relatividade geral. No entanto, adicionar um elemento à RG, a constante cosmológica, forneceu exatamente a aceleração necessária para explicar as observações. Não sabemos realmente o que causa essa expansão acelerada, com o principal candidato sendo algum tipo de energia do próprio vácuo. Seja o que for, chamamos de energia escura, e sua descoberta rendeu aos responsáveis pelo levantamento de supernovas o Prêmio Nobel de Física.

A existência da energia escura na forma de uma constante cosmológica é agora parte da descrição matemática dominante de como o universo funciona nas maiores escalas: o modelo Lambda-CDM. Esse modelo explica tão bem toda uma gama de observações que é difícil evitar a conclusão de que algo como a energia escura deve existir. Por outro lado, nunca medimos diretamente a aceleração cósmica: apenas descobrimos que modelos com energia escura se ajustam melhor aos dados do que modelos sem ela. Mas e se alguma outra suposição fundamental por trás do modelo de expansão cósmica estiver errada? É basicamente isso que o modelo da paisagem temporal afirma.

As Equações de Friedmann e a Suposição de Suavidade

Para entender os diferentes fatores que impulsionam a expansão do universo, é preciso resolver as equações da relatividade geral para o universo inteiro. Isso só é possível com algumas simplificações bastante significativas. A principal é assumir que a matéria no universo está distribuída de maneira uniforme em todo lugar: tanto homogênea quanto isotrópica, sem grandes aglomerados ou direcionalidade. Isso nos permite descrever o efeito da matéria com um único número, a densidade de matéria, em vez de ter que resolver separadamente para cada fragmento de matéria. O resultado são as equações de Friedmann, que descrevem como o tamanho do universo muda ao longo do tempo, impulsionado pela matéria distribuída uniformemente e pela energia escura constante. Adicione as quantidades apropriadas de ambas e é possível descrever nosso universo: esse é o modelo Lambda-CDM.

Embora a aproximação de suavidade pareça muito boa em grandes escalas, sabemos que o universo não é uniforme em escalas menores. A distâncias menores que cerca de um bilhão de anos-luz, essa matéria suave se fragmentou em enormes aglomerados de galáxias e nos filamentos de matéria que os conectam. E delimitados por essa teia cósmica estão gigantescas regiões vazias, os vazios cósmicos. Essas estruturas têm um efeito sobre os fótons que passam por elas. Por exemplo, fótons ganham energia ao cair em campos gravitacionais profundos, resultando em deslocamento para o azul, e perdem um pouco de energia ao sair deles, resultando em deslocamento para o vermelho. Assim, uma supernova que explode em algum lugar nas profundezas do superaglomerado Laniakea pode ganhar algum deslocamento para o vermelho ao viajar até nós pelo espaço em expansão, e mais deslocamento para o vermelho pelo fato de ter que lutar contra o campo gravitacional do superaglomerado para alcançar a Via Láctea, na periferia de Laniakea. Os campos gravitacionais locais também afetam as velocidades da matéria próxima: enquanto essa supernova está se afastando principalmente devido à expansão cósmica, pode ter alguma velocidade extra em direção a nós ou para longe de nós devido ao movimento de sua galáxia hospedeira dentro do campo gravitacional de Laniakea. Precisamos levar em conta esses fatores, especialmente para supernovas no universo relativamente próximo.

Mas se a supernova aconteceu a mais de algumas centenas de milhões de anos-luz de distância, seus fótons passarão por múltiplos vazios e superaglomerados a caminho de nós. Todos esses deslocamentos para o azul e para o vermelho se cancelarão. Nesse caso, as equações de Friedmann e o Lambda-CDM deveriam descrever perfeitamente o universo em expansão experimentado por esses fótons. Ao menos é o que a maioria das pessoas pensa. O modelo da paisagem temporal diz o contrário.

O Modelo da Paisagem Temporal

Como mencionado no início, o tempo flui mais devagar em regiões de alta gravidade e mais rápido em gravidade baixa: essa dilatação temporal gravitacional é uma característica conhecida e bem testada da relatividade geral. Mas o modelo da paisagem temporal propõe que as diferenças no fluxo do tempo devem ter outro efeito: devem mudar a taxa de expansão do universo de um lugar para outro. A lógica é direta: quanto mais tempo passa, maior o universo fica. Portanto, se mais tempo passou num vazio cósmico em comparação com uma região de maior densidade, esse vazio terá se expandido mais. Essa expansão diferencial tem um efeito sobre os fótons que viajam por essas regiões: fótons são esticados, deslocados para o vermelho, mais ao viajar pelos vazios de expansão mais rápida do que pelas regiões densas. À medida que a matéria se torna cada vez mais aglomerada ao longo do tempo, a fração do universo com vazios cresce. Isso significa que fótons viajando pelo universo tardio passam mais tempo em vazios e assim acumulam mais desse deslocamento extra para o vermelho. No modelo Lambda-CDM, é a expansão acelerada do universo que dá aos fótons seu deslocamento extra para o vermelho em épocas posteriores. Mas no modelo da paisagem temporal, é o aumento da fração de vazios, e, supostamente, nenhuma aceleração global é necessária.

O modelo da paisagem temporal existe desde 2007, e o motivo do interesse recente é que a equipe publicou sua análise dos resultados do maior levantamento atual de supernovas, o Pantheon+. Em geral, descobriram que a paisagem temporal se ajusta melhor aos dados de supernovas do que o Lambda-CDM. Isso pode ser visto num gráfico que mostra o fator de Bayes, basicamente a razão de quão bom é o modelo da paisagem temporal em comparação com o Lambda-CDM. As supernovas próximas deveriam ser mais afetadas pelas inomogeneidades, mais influenciadas pela irregularidade local do universo, de modo que faz algum sentido que o Lambda-CDM não se saia tão bem com elas, dado sua suposição de suavidade perfeita. Mais distante, essa irregularidade se media e a paisagem temporal e o Lambda-CDM fornecem resultados semelhantes, embora a paisagem temporal ainda se saia um pouco melhor em todas as distâncias, segundo essa análise.

A Energia Escura Desapareceu?

Se a única evidência para a energia escura fossem esses resultados de supernovas, isso poderia ser uma má notícia para a energia escura e para o Lambda-CDM. Isso porque, em certo sentido, o modelo da paisagem temporal é mais simples que o Lambda-CDM: usa apenas a relatividade geral bruta, exatamente como Einstein a concebeu, sem necessidade de adicionar uma constante cosmológica. Usa a teoria base mais o efeito de estruturas que sabemos existir no universo. A navalha de Occam nos diz que, se duas hipóteses produzem resultados idênticos, devemos favorecer a hipótese mais simples. Por essa lógica, a paisagem temporal parece vencer. O tempo que o Lambda-CDM existe não deve, por si só, nos fazer favorecer a teoria mais antiga: afinal, o modelo geocêntrico de Ptolomeu foi a teoria dominante por um milênio e meio antes que Copérnico chegasse com seu modelo heliocêntrico mais simples. Mas o teste do tempo só é relevante se envolver de fato testes adicionais.

E de fato existem testes adicionais para o Lambda-CDM. Esse modelo fornece uma boa descrição de muito mais do que apenas os resultados de supernovas. Por exemplo, as oscilações acústicas de bárions, ondas sonoras reverberantes de épocas muito antigas, estão agora congeladas como anéis tênues na distribuição de galáxias no céu. O tamanho desses anéis fornece uma maneira independente de medir a taxa de expansão que não é afetada pela forma como os vazios cósmicos deslocam fótons para o vermelho. E as observações de oscilações acústicas de bárions também indicam fortemente expansão acelerada e apoiam o Lambda-CDM. Há também a evolução da estrutura de grande escala, que corresponde muito bem às simulações feitas sob o Lambda-CDM. E há o fato de que o universo é geometricamente muito plano, e para que isso seja o caso, precisamos que 70% da energia do universo seja energia escura. Pode ser que o modelo da paisagem temporal consiga explicar esses fatos também, mas até agora não o fez.

Outro problema importante com o modelo da paisagem temporal é que ele requer diferenças bastante grandes no fluxo do tempo entre os vazios cósmicos e as regiões densas do universo, grandes o suficiente para que bilhões de anos a mais tenham passado nos vazios em comparação com os superaglomerados. Diferenças tão grandes não são consenso. Ethan Siegel, por exemplo, aponta que o fluxo relativo do tempo entre essas regiões deveria resultar numa diferença de idade de apenas centenas a milhares de anos, o que não está nem perto de ser suficiente para produzir o efeito que a paisagem temporal afirma. Os próprios pesquisadores admitem que mais trabalho precisa ser feito: distâncias de supernovas não são de maneira alguma fáceis de determinar e requerem muitas etapas de calibração, algo que a equipe da paisagem temporal reconhece exigir trabalho adicional.

A energia escura não desapareceu. O Lambda-CDM ainda fornece a descrição mais consistente do universo em grande escala, abrangendo múltiplas observações independentes. Ao mesmo tempo, o Lambda-CDM tem seus desafios: há a já famosa tensão de Hubble, uma discrepância entre a taxa de expansão medida a partir de supernovas e a taxa inferida sob o Lambda-CDM a partir de observações do fundo cósmico de micro-ondas. E há o resultado recente do Dark Energy Spectroscopic Instrument sugerindo que a constante cosmológica pode estar de fato mudando ao longo do tempo. Não está claro que a paisagem temporal possa resolver esses problemas, mas qualquer fratura na armadura do Lambda-CDM é uma boa motivação para explorar outros modelos. E talvez parte da solução esteja em sermos mais cuidadosos na forma como modelamos a paisagem temporal do espaço-tempo.