Tecnologia Científica
Cientistas detectam supressão misteriosa no crescimento da estrutura cósmica
Um novo estudo publicado na Physical Review Letters analisa o conjunto mais completo de dados de aglomerados de galáxias para testar o modelo CDM, revelando discrepâncias na formação de estruturas cósmicas no universo, sugerindo uma nova física.
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Tejasri Gururaj - 04/01/2025
Uma seção do mapa tridimensional construído pelo BOSS. Crédito da imagem: Jeremy Tinker e a colaboração SDSS-III. Crédito: Jeremy Tinker e a colaboração SDSS-III
Um novo estudo publicado na Physical Review Letters analisa o conjunto mais completo de dados de aglomerados de galáxias para testar o modelo CDM, revelando discrepâncias na formação de estruturas cósmicas no universo, sugerindo uma nova física.
O modelo ?CDM é o modelo padrão de cosmologia que descreve a evolução, expansão e estrutura do universo. Ele abrange matéria escura fria (CDM), matéria normal e radiação, e a constante cosmológica, que é responsável pela energia escura .
O modelo foi bem-sucedido em explicar diversas observações cosmológicas, incluindo a estrutura em larga escala do universo, a expansão acelerada do universo e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), que é o brilho residual do Big Bang.
Apesar disso, o ?CDM falha em explicar fenômenos como inflação cósmica, energia escura e matéria escura. Observações recentes, como dados do DESI (Dark Energy Survey Instrument), sugeriram anomalias potenciais no CDM.
A equipe de pesquisa teve como objetivo analisar se essas anomalias poderiam estar conectadas e apontar para um novo modelo físico específico.
A equipe era composta pelo Dr. Shi-Fan Chen, do Instituto de Estudos Avançados de Nova Jersey; pelo Prof. Mikhail Ivanov, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts; pelo Dr. Oliver Philcox, da Universidade de Columbia; e por Lukas Wenzl, um estudante de pós-graduação em Cornell.
Falando sobre a motivação por trás do trabalho, o Dr. Chen disse: "Ser capaz de prever qualquer coisa sobre o universo é legal, mas o que é especialmente interessante é que temos muitos observáveis diferentes de muitas pesquisas cujas medições podemos modelar usando uma teoria eficaz consistente."
Conectando os pontos cósmicos
Como mencionado, o modelo ?CDM não leva em conta certos fenômenos com base em observações recentes.
Isso inclui a discordância entre as medições diretas e indiretas da taxa de expansão do universo (a tensão de Hubble), a discordância entre as medições diretas e indiretas do agrupamento de matéria, ou seja, o crescimento da estrutura (a tensão 8 ) e dados DESI recentes sugerindo possíveis evidências de energia escura dinâmica.
A abordagem da equipe de pesquisa é nova porque eles querem ver se a mesma física subjacente poderia explicar essas anomalias. Para testar a hipótese, os pesquisadores combinaram medições de várias fontes para criar um conjunto de dados abrangente.
Isso incluiu o conjunto de dados BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) DR12 com calotas galácticas do norte e do sul, amostras LOWZ (galáxias de baixo desvio para o vermelho) e CMASS (galáxias de alta massa) cobrindo diferentes faixas de desvio para o vermelho e correlação cruzada com mapas de lentes gravitacionais CMB do Planck.
Esses dados foram analisados em dois cenários, dentro do modelo CDM padrão e dentro de um modelo dinâmico de energia escura para testar as descobertas do DESI.
O Dr. Philcox explicou como eles mantiveram alta precisão dos dados escolhidos. "Nós realmente tentamos escolher definições consistentes para amostras de galáxias, descartando partes dos dados disponíveis com erros acidentais nos critérios de seleção, às custas de nossas restrições estatísticas, mesmo quando análises anteriores usaram esses dados."
"Além disso, realizamos muitos testes nas correlações cruzadas com lentes CMB como parte de artigos anteriores para garantir que não houvesse nenhuma sistemática óbvia."
Um universo crescendo muito lentamente?
A análise CDM revelou uma taxa de crescimento de estruturas cósmicas ligeiramente menor do que o previsto, mostrando uma discordância significativa (tensão de 4,5?) com os resultados de Planck.
Além disso, confirmou os valores existentes para densidade de matéria, a constante de Hubble e crescimento estrutural.
Na análise dinâmica de energia escura, a equipe não encontrou nenhuma evidência forte para energia escura dinâmica, sugerindo que a energia escura se comporta como uma constante cosmológica. A supressão do crescimento da estrutura observada é semelhante àquelas previstas pela análise ?CDM.
Por fim, o valor da constante de Hubble se alinha com os dados do Planck, mas discorda das medições locais diretas.
O Prof. Ivanov explicou: "Descobrimos que a formação da estrutura no universo tardio, onde os efeitos da energia escura são mais pronunciados, pelo menos conforme medido pelas galáxias na pesquisa BOSS, parece substancialmente suprimida em comparação às expectativas do universo primitivo e do CMB."
"Isso é verdade mesmo quando permitimos que o histórico de expansão se desvie da forma constante cosmológica padrão da energia escura."
Nova física ou erros em dados
De acordo com a equipe, a probabilidade de o crescimento estrutural suprimido ser uma chance aleatória é de 1 em 300.000, o que sugere fortemente que algo inexplicável está acontecendo na forma de sistemática desconhecida nos dados ou nova física.
As descobertas também fornecem a evidência mais forte até o momento para a tensão 8 e mostram que a energia escura dinâmica não pode resolvê-la.
Wenzl explicou: "Além das novas técnicas observacionais e testes sistemáticos mencionados, se esse sinal sobreviver, será interessante ver que tipos de nova física podem ajudar a resolver a tensão com o CMB."
"Por exemplo, seria muito legal se candidatos não padronizados de matéria escura, como matéria escura axiônica ou matéria escura que interage consigo mesma ou com bárions de alguma forma, o que alteraria a formação da estrutura, pudessem explicar o sinal."
As descobertas do estudo desafiam nossa compreensão da formação da estrutura cósmica e, mais importante, de um dos modelos mais fundamentais da cosmologia.
Dados de próximas pesquisas de galáxias esclarecerão essas discrepâncias e se precisamos de uma mudança fundamental em nossa compreensão de estruturas em larga escala no universo.
Mais informações: Shi-Fan Chen et al, Supressão sem descongelamento: restringindo a formação de estruturas e a energia escura com agrupamento de galáxias, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.231001 . No arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2406.13388
Informações do periódico: Physical Review Letters , arXiv
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