Matemáticos da Universidade da Califórnia, Davis, apresentaram um desafio significativo à explicação predominante para a expansão acelerada do universo. Em um estudo publicado na Proceedings of the Royal Society A, a equipe argumenta que o modelo padrão depende de uma estrutura matemática inerentemente instável. Seus cálculos sugerem que a aceleração cósmica poderia emergir naturalmente da teoria original da gravidade de Einstein, potencialmente eliminando a necessidade do componente misterioso conhecido como energia escura.
A pesquisa concentra-se no modelo Lambda-matéria escura fria, que tem sido o quadro principal para descrever a evolução do universo desde o Big Bang. Ao analisar as equações de Einstein-Euler, que combinam a relatividade geral com a dinâmica de fluidos, os pesquisadores descobriram que os espaços-tempo de Friedmann — a base dos modelos convencionais de expansão — são instáveis tanto em pequenas quanto em grandes escalas. Blake Temple, autor correspondente do estudo e professor emérito distinto de matemática na UC Davis, comparou essa instabilidade a um lápis equilibrado verticalmente sobre sua ponta. Embora tal estado represente uma solução onde as forças estão em equilíbrio, ele é fisicamente inobservável porque qualquer pequena perturbação faz com que ele colapse.
Temple explicou que soluções instáveis na física são geralmente consideradas não físicas porque nunca seriam observadas na natureza. A análise da equipe indica que o universo evolui naturalmente para longe do comportamento previsto por esses modelos convencionais. Consequentemente, a expansão acelerada pode não exigir uma forma separada de energia para explicá-la. Em vez disso, a resposta já poderia estar contida nas equações originais de Einstein, oferecendo uma explicação mais simples e natural do que a energia escura.
Por quase três décadas, a energia escura tem sido a principal explicação para a descoberta de que o universo não apenas está se expandindo, mas acelerando. Este conceito remonta à teoria da relatividade geral de Einstein de 1915. Embora Einstein tenha inicialmente introduzido uma "constante cosmológica" para manter um universo estático — uma medida que ele mais tarde chamou de seu maior erro após Edwin Hubble descobrir a expansão em 1929 —, o termo retornou à proeminência na década de 1990 quando os astrônomos observaram a aceleração da expansão cósmica. Hoje, isso está associado à energia escura dentro do modelo padrão do universo de Friedmann, que assume que o espaço se expande enquanto a matéria permanece distribuída uniformemente.
Os pesquisadores inicialmente exploraram se uma onda de choque massiva poderia explicar a expansão e sua aceleração. Eles identificaram uma família de soluções auto-similares durante a época da radiação do Big Bang que poderiam modelar uma onda em expansão. Usando uma forma auto-similar das equações de Einstein, eles trataram o modelo cosmológico padrão como um ponto de repouso para examinar como pequenos desvios desse estado se comportariam ao longo do tempo. Seus resultados sugerem que as descrições convencionais são vulneráveis a perturbações que crescem em vez de desaparecer.
Temple afirmou que seu trabalho prova que os espaços-tempo de Friedmann são instáveis à perturbação radial em grandes escalas de comprimento, semelhante ao modelo estático de Einstein. Essa instabilidade parece descartar o modelo Lambda-matéria escura fria como uma solução viável e estável das equações de Einstein, independentemente de a energia escura ser incluída ou não. Perturbações radiais, que mudam com a distância de um ponto central, podem fazer com que um universo em expansão se afaste das previsões padrão. Os pesquisadores argumentam que, embora o Big Bang possa parecer um espaço-tempo de Friedmann perto de um centro de simetria, observadores longe desse centro genericamente observariam acelerações.
Além das implicações para a energia escura, o estudo levanta questões fundamentais sobre o princípio copernicano, que sustenta que nossa localização no universo não é especial ou privilegiada. O quadro alternativo dos pesquisadores introduz um centro de simetria esférica, levantando questionamentos sobre onde um observador deve estar localizado para que o modelo se alinhe com as observações. Temple argumentou que tanto o modelo padrão Lambda-matéria escura fria quanto um espaço-tempo simétrico esfericamente produzem um lugar especial onde os observadores devem estar para que os modelos sejam fisicamente plausíveis. Ele observou que, se o princípio copernicano descartar um, deve descartar o outro.
As descobertas representam um desafio teórico à cosmologia padrão e não uma prova observacional de que a energia escura é desnecessária. Determinar se essa alternativa pode descrever o universo real exigirá avaliar o quão bem suas previsões correspondem às observações astronômicas. Se trabalhos teóricos e observacionais futuros apoiarem sua interpretação, isso poderia levar a uma reavaliação significativa de como os cientistas entendem a expansão cósmica e as fundações matemáticas do Big Bang. A pesquisa recebeu financiamento do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido e do Programa SQuaREs do Instituto Americano de Matemática.
Fontes: ScienceDaily.