Mais de dez anos atrás, enquanto tomavam a temperatura do universo, os astrônomos encontraram algo estranho. Eles descobriram que um pedaço de céu, abrangendo a largura de 20 luas, era excepcionalmente frio.
Os astrônomos estavam medindo a radiação de microondas que banha todo o Universo, uma relíquia resplandecente do big bang. Olhar para este fundo cósmico de microondas, ou CMB, é vislumbrar o universo primordial, uma época em que ele tinha menos de 400.000 anos.
O que agora emerge como a hipótese superior é um supervoid cósmico
O CMB cobre o céu, e parece praticamente o mesmo em todos os lugares, cheirando a uma temperatura fria de 2.725 kelvins – apenas alguns graus mais quente que zero absoluto. Mas armados com o recém-lançado satélite WMAP, os astrônomos tinham começado a sondar variações de temperatura tão pequenas quanto uma parte em 100.000. Nascido da espuma quântica que era o universo meio-momento após o big bang, essas flutuações aleatórias ajudam os cientistas a entender do que o cosmos é feito e como tudo veio a ser.
E destacando-se no meio dessas flutuações estava um ponto frio. Ao longo dos anos, os astrônomos têm surgido com todo tipo de idéias para explicá-lo, desde erros instrumentais até universos paralelos. Mas agora, eles estão se referindo a um suspeito principal: uma enorme caverna de vazio chamada supervoid cósmica, tão grande que pode ser a maior estrutura do universo.
De acordo com a teoria, um vazio tão vasto, no qual não existe nenhuma estrela ou galáxia, pode deixar uma marca gelada no CMB. A resposta para o mistério, então, pode ser simplesmente um monte de nada. No entanto, os enigmas permanecem, e o caso está longe de estar fechado.
Como fazer um ponto frio
O ponto frio não é a única coisa estranha no CMB. Os cientistas encontraram várias outras anomalias deste tipo – por exemplo, os sinais da metade do céu parecem ligeiramente mais fortes do que a outra metade. A teoria padrão da cosmologia, que tem sido profética ao prever os detalhes da CMB, não consegue explicar completamente estas anomalias, das quais a mancha fria é uma das mais proeminentes.
Uma realmente grande poderia agir como uma espécie de lente distorcida
A explicação mais simples para as anomalias é que elas são raios, artefatos do acaso entre as flutuações aleatórias de temperatura da CMB. Quando você atira uma moeda ao ar cem vezes, há sempre uma chance de você conseguir 20, 30, ou até mesmo 50 cabeças em fila. O desafio para os cientistas é descobrir se essas anomalias são devidas à sorte ou a uma moeda ponderada. Quanto à mancha fria, os dados mostram que a probabilidade de ser um acaso é de um em 200. Não impossível, mas não provável, nem.
Alguns cientistas sugeriram que a mancha fria se devia a um erro instrumental ou à forma como os dados eram analisados. Mas em 2013, novas observações do satélite Planck confirmaram as detecções anteriores da mancha fria. E exigia uma explicação.
O que agora emerge como a hipótese superior é uma super ovóide cósmica. Todas as coisas no cosmos – galáxias e matéria negra invisível – se estendem pelo espaço numa vasta teia de folhas, gavinhas e filamentos. No meio há bolsas de vazio chamadas vazios, que vêm em muitas formas e tamanhos. Um realmente grande poderia atuar como uma espécie de lente distorcida, fazendo o CMB parecer mais frio do que realmente é.
Enquanto um fóton se desprende dentro de um vazio, o universo continua a expandir-se cada vez mais rápido
A razão é esta: Quando a luz viaja através de um vazio, perde energia e a sua frequência diminui, deslocando-se para a frequência mais baixa, mais avermelhada do espectro. Como a maioria das coisas, a luz é susceptível à influência da gravidade, que pode agir sobre os fótons ao longo da sua viagem. Dentro de um vazio, porém, a escassez de matéria significa que quase não há gravidade para influenciar a luz. Para um fóton, voar através de um vazio é como subir uma colina. E escalar requer energia.
Mas o fóton pode recuperar essa energia. Uma vez que sai do vazio, ele se encontra cercado de matéria novamente, e a influência gravitacional é suficiente para puxá-lo, injetando-o com a energia que perdeu.
Para que um fóton perca energia, você precisa da expansão acelerada do universo. Enquanto um fóton se desloca dentro de um vazio, o Universo continua a expandir-se cada vez mais rápido. No momento em que o fotão deixa o vazio, ele descobre que – graças a esse alongamento cósmico – toda a matéria já se espalhou. Como agora o material está mais amplamente distribuído, seu efeito gravitacional não é tão forte. Ele não pode puxar o fóton com a mesma força que antes, e o fóton não pode recuperar a energia que um dia teve.
Pode haver um vazio a menos de 3 bilhões de anos-luz de distância
Físicos trabalharam neste fenômeno no final dos anos 60, mas ninguém realmente o observou. Mas após a descoberta da mancha fria, astrônomos como Istvan Szapudi da Universidade do Havaí começaram a procurar evidências deste comportamento, chamado efeito integrado Sachs-Wolfe, ou ISW. Em 2008, ele o encontrou.
O incrível supervoid
Szapudi não conseguiu identificar vazios individuais deixando impressões no CMB – ele não tinha os dados para fazer isso. Em vez disso, ele e sua equipe procuraram por um efeito ISW geral em uma análise estatística de 100 vazios e aglomerados de galáxias, cujo peso gravitacional cria um efeito de aquecimento e deixa pontos quentes no CMB. Os pesquisadores encontraram um efeito ISW real, alterando a temperatura do CMB em uma média de cerca de 10 milionésimos de kelvin, ou 10 microkelvin.
Comparado ao ponto frio, que é cerca de 70 microkelvin mais frio que a média do CMB, o efeito é pequeno. Mas o objectivo era mostrar que os vazios podiam criar manchas frias. Se um vazio fosse grande o suficiente, ele poderia criar a mancha fria. “Se este ponto frio é a maior anomalia do CMB, pode muito bem ser um sinal de um enorme vazio – um vazio muito raro no universo”, diz Szapudi. “Então eu pensei que agora deveríamos procurá-lo.”
O vazio é enorme. São 220 megaparsecs em raio
A sua primeira tentativa, em 2010, apareceu vazia. Mas os dados eram limitados, cobrindo apenas alguns pontos dentro do local. Intrigantemente, os resultados também mostraram que poderia haver um vazio a menos de 3 bilhões de anos-luz de distância.
No ano passado, ele e sua equipe tentaram novamente, desta vez com muito mais dados, cobrindo mais de 200 vezes mais céu e englobando todo o ponto frio. Com muito mais cobertura – composta por milhares de galáxias – aquelas dicas anteriores se fundiram em um vazio de boa fé. Os dados eram inequívocos. “Temos certeza absoluta de que há um vazio”, diz Szapudi. “Eu apostaria a minha casa nisso.”
E o vazio é enorme. É 220 megaparsecs em raio, mais de 700 milhões de anos luz, o que o torna uma das maiores – se não a maior – estruturas físicas do universo.
Tanto grande vazio é incomum, com talvez apenas uma mão-cheia em existência, diz Szapudi. Que um vazio tão raro sobrepõe-se ao ponto frio – ela própria outra raridade – parece muito improvável que seja mera coincidência. O que é mais provável, diz ele, é que o vazio esteja causando a mancha fria. Na verdade, ele calculou que esse cenário é 20.000 vezes mais provável do que se os dois objetos tivessem acabado de se alinhar.
Outros ainda não têm certeza. Para astrônomos como Patricio Vielva da Universidade de Cantábria, na Espanha, que liderou a descoberta da mancha fria em 2004, a raridade do vazio ainda está em questão. Se se verificar que tais vazios estão mais difundidos, então este alinhamento não seria tão notável. Talvez seja apenas uma coincidência. É por isso que os pesquisadores precisam de mais dados para avaliar quão raros são esses vazios superviolares. “Neste momento, acho que esta é uma das coisas mais importantes a estabelecer”, diz Vielva.
Não suficientemente frio
Mas há um problema maior.
O supervóide não consegue resfriar o CMB o suficiente. Um supervóide deste tamanho só consegue arrefecer o CMB por 20 microkelvin. O ponto frio, no entanto, é em média mais frio por 70 microkelvins. Em alguns pontos, a queda de temperatura é de 140 microkelvin.
Uma das razões possíveis para a discrepância é que o vazio é realmente maior do que o medido. Se assim for, o seu efeito ISW seria mais forte. Dadas as incertezas das medições de Szapudi, o raio do vazio poderia se estender até 270 megaparsecs. Ainda assim, diz Vielva, mesmo que isso não seja grande o suficiente para explicar o ponto frio.
Na verdade, de acordo com as teorias atuais da cosmologia, o universo pode nem mesmo ser capaz de formar um vazio que seja suficientemente grande. “O problema é que o tipo de vazio necessário para este efeito é inexistente”, diz Vielva.
Mais observações permitirão aos astrônomos obter medições mais precisas do tamanho e propriedades do supervóide.
Mas se não for um vazio, então o quê? Talvez, diz Vielva, a mancha fria se deva a uma textura cosmológica, um defeito no universo análogo às fissuras ou manchas encontradas no gelo. À medida que o universo primitivo evoluiu, ele passou por uma transição de fase semelhante ao que acontece quando a água congela, passando do líquido para o sólido. No gelo, você tem defeitos quando as moléculas de água não se alinham. No Universo, você pode obter texturas. Em 2007, Vielva ajudou a mostrar que se uma textura existe, ela poderia criar o ponto frio através do efeito ISW.
As texturas, no entanto, são especulativas, e ninguém viu nenhuma evidência de que elas existam. “Texturas são uma boa idéia, mas não temos idéia se essas coisas são realistas ou não”, diz Rien van de Weijgaert, um astrônomo da Universidade de Groningen na Holanda.
Para a maioria dos astrônomos, diz van de Weijgaert, um supervóide ainda parece ser a melhor explicação. “Por enquanto, é considerada uma das opções mais acreditáveis”, diz ele. “É a magnitude do efeito sobre o qual você poderia ter algumas perguntas, mas não é inacreditável”
Para ter certeza, a hipótese vazia é certamente intrigante, diz Vielva. Mas a discrepância de temperatura deve ser resolvida primeiro.
Só não sabemos o fim da história. Acho que ninguém sabe
Mais dados ajudariam. Por exemplo, mais observações permitirão aos astrônomos obter medições mais precisas do tamanho e propriedades do supervóide. Eles também podem revelar se há um vazio menor em primeiro plano, o que pode ajudar a esfriar o CMB. Talvez, o ponto frio seja tão frígido porque o supervóide também está na frente de uma região do CMB que já é um pouco mais fria que o normal.
Even embora os números não se somem agora, não é motivo para se preocupar. “Neste ponto, porque as incertezas são tão grandes, não se deve perder muito sono com isso”, diz Carlos Frenk, astrofísico da Universidade de Durham, no Reino Unido. Seu palpite é que com mais dados e análises, o supervóide surgirá como a resposta correta”. “Pode muito bem ser que tudo se encaixe muito bem”, diz ele.
Se assim for, a mancha fria representará a primeira medida de um objeto – um supervóide – deixando uma impressão no CMB através do efeito ISW. Isso é significativo em parte porque o supervóide é simplesmente tão grande. O supervóide pode ser importante de outra forma: “Temos mais uma maneira de estudar a energia escura, que é a coisa mais estranha do universo”, diz Szapudi.
O efeito ISW só funciona porque o universo se expande cada vez mais rápido, e a força misteriosa que empurra o cosmos é a energia escura. Ao medir o efeito ISW a partir do supervoid, os pesquisadores podem sondar a influência da energia escura – e entender melhor como ela se comporta e o que ela é.