Um dos maiores mistérios da cosmologia é a taxa na qual o universo está se expandindo. Isso pode ser previsto usando o modelo padrão da cosmologia, também conhecido como matéria escura fria Lambda (ΛCDM). Esse modelo baseia-se em observações detalhadas da luz que sobrou do Big Bang – a chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).

A expansão do universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. Quanto mais distantes elas estiverem de nós, mais rapidamente se moverão. A relação entre a velocidade e a distância de uma galáxia é regida pela “constante de Hubble”, que é de cerca de 70 km por segundo por Megaparsec (uma unidade de comprimento em astronomia). Isso significa que uma galáxia ganha cerca de 50.000 milhas por hora para cada milhão de anos-luz de distância de nós.

Mas, infelizmente para o modelo padrão, esse valor foi recentemente contestado, levando ao que os cientistas chamam de “tensão de Hubble“. Quando medimos a taxa de expansão usando galáxias próximas e supernovas (estrelas em explosão), ela é 10% maior do que quando a prevemos com base na CMB.

Em nosso novo artigo, apresentamos uma possível explicação: que vivemos em um vazio gigante no espaço (uma área com densidade abaixo da média). Mostramos que isso poderia inflar as medições locais por meio de fluxos de saída de matéria do vazio. Os fluxos de saída surgiriam quando regiões mais densas ao redor de um vazio o separassem – elas exerceriam uma atração gravitacional maior do que a matéria de densidade mais baixa dentro do vazio.

Nesse cenário, precisaríamos estar perto do centro de um vazio com cerca de um bilhão de anos-luz de raio e com densidade cerca de 20% abaixo da média do universo como um todo – portanto, não completamente vazio.

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Um vazio tão grande e profundo é inesperado no modelo padrão e, portanto, controverso. A CMB fornece um instantâneo da estrutura do universo nascente, sugerindo que a matéria hoje deve estar espalhada de maneira bastante uniforme. Entretanto, a contagem direta do número de galáxias em diferentes regiões sugere, de fato, que estamos em um vazio local.

Ajustando as leis da gravidade

Queríamos testar essa ideia mais a fundo, combinando muitas observações cosmológicas diferentes, supondo que vivemos em um grande vazio que cresceu a partir de uma pequena flutuação de densidade nos primeiros tempos.

Para fazer isso, nosso modelo não incorporou a ΛCDM, mas uma teoria alternativa chamada Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND).

A MOND foi originalmente proposta para explicar anomalias nas velocidades de rotação das galáxias, o que levou à sugestão de uma substância invisível chamada “matéria escura”. Em vez disso, a MOND sugere que as anomalias podem ser explicadas pela quebra da lei da gravidade de Newton quando a atração gravitacional é muito fraca, como é o caso das regiões externas das galáxias.

O histórico geral da expansão cósmica no MOND seria semelhante ao modelo padrão, mas a estrutura (como os aglomerados de galáxias) cresceria mais rapidamente no MOND. Nosso modelo captura a aparência do universo local em um universo MOND. E descobrimos que ele permitiria que as medições locais da taxa de expansão atual flutuassem dependendo de nossa localização.

Observações recentes de galáxias permitiram um novo teste crucial de nosso modelo com base na velocidade que ele prevê em diferentes locais. Isso pode ser feito medindo-se algo chamado fluxo de massa, que é a velocidade média da matéria em uma determinada esfera, densa ou não. Isso varia com o raio da esfera, com observações recentes mostrando que ela continua até um bilhão de anos-luz.

É interessante notar que o fluxo total de galáxias nessa escala tem o quádruplo da velocidade esperada no modelo padrão. Ele também parece aumentar com o tamanho da região considerada – ao contrário do que prevê o modelo padrão. A probabilidade de que isso seja consistente com o modelo padrão é inferior a um em um milhão.

Isso nos levou a verificar o que nosso estudo previa para o fluxo em massa. Descobrimos que ele produz uma correspondência muito boa com as observações. Isso requer que estejamos bem próximos do centro do vazio, e que o vazio esteja mais vazio em seu centro.

Caso encerrado?

Nossos resultados chegam em um momento em que as soluções populares para a tensão do Hubble estão com problemas. Alguns acreditam que precisamos apenas de medições mais precisas. Outros acham que ela pode ser resolvida presumindo-se que a alta taxa de expansão que medimos localmente é de fato a correta. Mas isso requer um pequeno ajuste no histórico de expansão no universo primitivo para que a CMB ainda pareça correta.

Infelizmente, uma revisão influente destaca sete problemas com essa abordagem. Se o universo se expandisse 10% mais rápido durante a maior parte da história cósmica, ele também seria cerca de 10% mais jovem – o que contradiz as idades das estrelas mais antigas.

A existência de um vazio local profundo e extenso nas contagens de números de galáxias e os rápidos fluxos em massa observados sugerem fortemente que a estrutura cresce mais rápido do que o esperado no ΛCDM em escalas de dezenas a centenas de milhões de anos-luz.

É interessante notar que sabemos que o aglomerado de galáxias maciças El Gordo se formou muito cedo na história cósmica e tem massa e velocidade de colisão muito altas para ser compatível com o modelo padrão. Essa é mais uma evidência de que a estrutura se forma muito lentamente nesse modelo.

Como a gravidade é a força dominante em escalas tão grandes, provavelmente precisaremos estender a teoria da gravidade de Einstein, a Relatividade Geral – mas somente em escalas maiores que um milhão de anos-luz.

Entretanto, não temos uma boa maneira de medir como a gravidade se comporta em escalas muito maiores – não há objetos gravitacionalmente ligados tão grandes. Podemos presumir que a Relatividade Geral continua válida e compará-la com as observações, mas é exatamente essa abordagem que leva às tensões muito graves enfrentadas atualmente pelo nosso melhor modelo de cosmologia.

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Acredita-se que Einstein tenha dito que não podemos resolver os problemas com o mesmo pensamento que os originou. Mesmo que as mudanças necessárias não sejam drásticas, é bem possível que estejamos testemunhando a primeira evidência confiável em mais de um século de que precisamos mudar nossa teoria da gravidade.

Indranil Banik, Pesquisador Pós-Doutorado em Astrofísica, Universidade de St Andrews

Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.