Durante séculos, uma das perguntas mais profundas da ciência permaneceu sem resposta: o Universo é infinito ou possui uma forma global definida? Uma ampla revisão científica liderada pela colaboração internacional COMPACT sugere que a resposta pode estar escondida nos dados já coletados por observatórios espaciais e que futuras missões poderão finalmente desvendar a topologia do cosmos — a estrutura global que determina como o espaço está conectado em suas maiores escalas.

O estudo, intitulado The Topology of the Universe, reúne pesquisadores de instituições como a Case Western Reserve University, o Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, o Imperial College London, a Universidade Estadual de Londrina e o Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. A revisão foi liderada por Craig J. Copi, Deyan P. Mihaylov, Anna Negro e Glenn D. Starkman.

A ideia central é simples, mas revolucionária: medir a curvatura do espaço não basta para determinar a verdadeira forma do Universo. Dois universos podem possuir exatamente a mesma geometria local e, ainda assim, apresentar topologias completamente diferentes. Em alguns cenários, uma nave espacial viajando continuamente em linha reta poderia, após bilhões de anos, retornar ao ponto de partida sem jamais encontrar uma borda.

Segundo os autores, a topologia é definida pela existência de “laços fechados não contraíveis”, caminhos cósmicos que não podem ser reduzidos a um ponto. Caso existam, eles produziriam assinaturas observáveis na radiação cósmica de fundo (CMB), o brilho remanescente do Big Bang, e também na distribuição tridimensional das galáxias.

“Se a escala topológica for suficientemente pequena, suas assinaturas devem ser detectáveis”, afirmam os pesquisadores na revisão.

A busca ganhou força após os satélites WMAP e Planck produzirem mapas sem precedentes da radiação cósmica de fundo. Uma das estratégias mais famosas consiste na procura por “círculos correspondentes” no céu. Se o Universo possuir uma topologia não trivial, a luz emitida logo após o Big Bang poderia alcançar a Terra por caminhos diferentes, produzindo padrões repetidos na radiação cósmica.

As análises realizadas com dados do WMAP e posteriormente do Planck não encontraram evidências definitivas dessas repetições. Entretanto, os resultados permitiram impor limites importantes. Os estudos indicam que a menor distância ao redor do Universo deve ser superior a aproximadamente 98,5% do diâmetro da superfície de último espalhamento da radiação cósmica de fundo.

Mas a ausência de detecção não significa que a hipótese esteja descartada. A colaboração COMPACT demonstrou recentemente que sinais detectáveis podem persistir mesmo quando a escala topológica ultrapassa o tamanho do Universo observável. Utilizando métodos estatísticos avançados, os pesquisadores verificaram que certas configurações topológicas ainda poderiam ser identificadas quando os laços cósmicos alcançam cerca de 1,3 vez o diâmetro da superfície de último espalhamento.

Outro aspecto importante é que a topologia cósmica quebra a isotropia estatística do Universo. Em um cosmos convencional, as flutuações da radiação cósmica distribuem-se aleatoriamente em todas as direções. Já em universos com topologia complexa surgem correlações específicas entre regiões distantes do céu. Essas assinaturas aparecem como elementos fora da diagonal nas matrizes de correlação utilizadas pelos cosmólogos.

A investigação também possui profundas implicações para teorias da inflação cósmica, o período de expansão extremamente rápida ocorrido frações de segundo após o Big Bang. Se a topologia for observável atualmente, isso significaria que a inflação não durou tempo suficiente para apagar completamente as marcas da estrutura espacial original. Em outras palavras, uma eventual descoberta poderia fornecer informações inéditas sobre as condições existentes antes da inflação.

O futuro da área parece promissor. Missões como o satélite japonês LiteBIRD e o experimento estratosférico Taurus deverão medir a polarização da radiação cósmica com precisão sem precedentes. Segundo as estimativas da equipe, essas observações poderão ampliar significativamente o alcance das buscas, permitindo investigar topologias em escalas até 20% maiores do que as acessíveis atualmente.

Além da radiação cósmica, futuros levantamentos tridimensionais de galáxias e experimentos de mapeamento por intensidade espectral poderão fornecer um volume muito maior de informações. Como essas pesquisas registram bilhões de estruturas distribuídas pelo espaço, elas oferecem potencialmente mais dados topológicos do que a própria radiação cósmica de fundo.

Apesar do entusiasmo, os autores mantêm cautela. O Universo pode simplesmente ser grande demais para que sua topologia seja observável. Ainda assim, a magnitude científica da descoberta justifica todos os esforços.

“Não há garantia de que a topologia do Universo seja descobrível”, escrevem os pesquisadores. “Mas a evidência pode já estar presente nos dados existentes ou ser revelada pelas observações das próximas décadas.”

Caso essa busca tenha sucesso, o impacto será comparável às maiores revoluções da história da cosmologia. Não estaremos apenas medindo a idade, a composição ou a expansão do Universo. Pela primeira vez, poderemos responder uma pergunta que acompanha a humanidade desde a Antiguidade: qual é, afinal, a verdadeira forma do espaço em que existimos?