Rajendra Gupta: As constantes da natureza — os números que determinam como as coisas se comportam, como a velocidade da luz — mudam ao longo do tempo conforme o universo se expande? A luz fica um pouco cansada viajando por grandes distâncias cósmicas? Acreditava-se que a matéria escura e a energia escura explicavam esses fenômenos cosmológicos, mas pesquisas recentes indicam que nosso universo tem se expandido sem matéria escura ou energia escura.
Acabar com a matéria escura e a energia escura resolve o "problema impossível da galáxia primitiva", que surge ao tentar explicar galáxias que não aderem às expectativas em relação ao tamanho e à idade. Encontrar uma alternativa à matéria escura e à energia que esteja em conformidade com as observações cosmológicas existentes, incluindo a distribuição de galáxias, é possível.
Matéria escura
A Matéria escura é uma forma hipotética de matéria que não interage com a matéria comum de nenhuma forma, exceto por meio da gravidade. Foi proposta como uma forma teórica de explicar nossas observações astrofísicas e cosmológicas. A matéria comum pode viajar através da matéria escura sem qualquer resistência e vice-versa.
No espaço, a atração gravitacional determina a velocidade na qual um objeto orbita. Uma velocidade maior do que a esperada de objetos orbitais circundantes é atribuída à existência e atração gravitacional da matéria escura.
A atração gravitacional da matéria escura também pode dobrar raios de luz, causando um efeito de lente gravitacional, assim como a matéria normal. Isso permite a medição da matéria escura no objeto que causa a curvatura, como em galáxias e aglomerados de galáxias.
O suporte mais robusto para a existência da matéria escura vem das pequenas variações observadas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (radiação remanescente do big bang), medida com precisão cada vez maior.
Outro argumento para a existência da matéria escura é que estruturas em larga escala do universo, como galáxias, não seriam capazes de se formar sem a matéria escura dentro da idade limitada do universo.
Teorias alternativas
Existem alternativas à matéria escura que respondem por muitas observações astrofísicas. A teoria mais antiga e popular é a dinâmica newtoniana modificada (MoND), que sugere que a lei do quadrado inverso newtoniano da força de atração gravitacional é uma versão simplificada de uma força completa que se torna perceptível apenas em distâncias muito grandes quando a força newtoniana se torna insignificante.
Outra alternativa é uma versão do MoND que inclui os efeitos relativísticos de Einstein e explica observações onde o MoND é limitado, como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Depois, há a teoria proposta da gravidade retardada que também alega estar em conformidade com tais observações.
Os astrônomos ficam surpresos ao saber que muitas observações mostram uma ausência completa de matéria escura ou estruturas deficientes em matéria escura. Isso nos leva a questionar sua existência.
Então, é preciso encontrar uma explicação do que pode ter criado o problema, como forças de maré exercidas pela passagem de galáxias próximas removendo matéria escura. Até mesmo a massa da Via Láctea foi recentemente determinada como muito menor do que o esperado pela cosmologia.
A matéria escura existe?
Descobertas recentes criam dúvidas sobre a existência da matéria escura. Apesar de pesquisas extensivas e bilhões de dólares em investimentos, não houve detecção direta de nenhuma matéria escura.
A teoria da energia escura nega a atração gravitacional da matéria, fazendo com que o universo se expanda mais rápido com o tempo, conforme observado. A variação inter-relacionada de constantes da natureza, denominadas constantes de acoplamento covariantes (CCC), atinge o mesmo efeito ao enfraquecer a atração gravitacional e outras forças da natureza com o tempo, eliminando a necessidade de energia escura.
Combinado com o efeito da luz cansada (TL), que postula que a luz desacelera como resultado da perda de energia, tal modelo cosmológico não tem espaço para a matéria escura. A abordagem CCC também poderia substituir a constante semelhante à energia escura considerada responsável pela expansão extremamente rápida do universo após o Big Bang, chamada inflação.
A idade do universo é determinada a partir da taxa de expansão histórica do universo e pode variar dependendo do modelo usado para a expansão. Medir o desvio para o vermelho de estrelas em explosão, chamadas supernovas tipo 1a, e seu brilho observado pode determinar a taxa de expansão.
Redshift é a redução das frequências de linhas espectrais dependendo da velocidade de recessão do objeto emissor, semelhante à frequência de uma sirene de ambulância se afastando. Ao permitir que o redshift devido ao efeito da luz cansada coexista com o redshift de expansão, a taxa de expansão do universo é reduzida e a idade do universo aumenta.
Este novo modelo prevê que o universo é mais velho do que pensamos - 26,7 bilhões de anos na cosmologia CCC em comparação com 13,8 na cosmologia padrão - e permite que galáxias e seus aglomerados se formem sem matéria escura. O aumento da idade do universo nos primeiros tempos, quando as estruturas começaram a se formar, foi até 100 vezes maior no novo modelo.
A ausência de matéria escura que reduz a força gravitacional e aumenta o tempo para o colapso da matéria para formar estruturas é amplamente supercompensada pelo aumento da idade no modelo CCC.
Tempo lento
A expansão do universo faz com que o tempo pareça mais lento ao observar galáxias distantes. O modelo CCC+TL está de acordo com observações que mostram um efeito de dilatação do tempo que parece desacelerar o relógio em objetos distantes.
Críticas emergentes ao modelo CCC+TL dependem de hipóteses falhas, como as deficiências apresentadas pelo conceito de luz cansada, ou análises incorretas, incluindo análise de desvio para o vermelho de temperaturas de fundo de micro-ondas cósmicas. Um único parâmetro livre na cosmologia CCC determina a variação de todas as constantes que se aproximam assintoticamente de seus respectivos valores constantes. Como na cosmologia padrão, a cosmologia CCC tem apenas dois parâmetros livres. Adicionar luz cansada ao CCC não requer nenhum parâmetro livre adicional.
O modelo de cosmologia padrão requer matéria escura para se ajustar às observações, como contabilizar o desvio para o vermelho ao medir o brilho de supernovas. A matéria escura também é usada para explicar processos físicos como curvas de rotação de galáxias, aglomerados de galáxias ou lentes gravitacionais. Usar a cosmologia CCC+TL significa que devemos considerar seriamente processos físicos alternativos para contabilizar observações astrofísicas que antes eram atribuídas à matéria escura.