Uma constante universal não apenas parece irritantemente inconstante nas margens externas do Cosmos, mas ocorre em apenas uma direção, o que é absolutamente estranho.
Os cientistas que examinaram a luz de um dos quasares mais distantes do universo ficaram surpresos ao encontrar flutuações na força eletromagnética. Crédito: Shutterstock
Aqueles que esperam um dia em que a Grande Teoria Unificadora ou a Teoria de Tudo da ciência, que possa ser usada em uma camiseta, podem ter que esperar um pouco mais, pois os astrofísicos continuam descobrindo indícios de que uma das constantes cosmológicas não é tão constante, afinal.
Em um artigo publicado no Science Advances, cientistas da UNSW Sydney relataram que quatro novas medições de luz emitidas a quase 13 bilhões de anos-luz de distância reafirmam estudos anteriores que encontraram pequenas variações na estrutura fina constante. O professor da UNSW Science, John Webb, diz que a constante da estrutura fina é uma medida do eletromagnetismo – uma das quatro forças fundamentais da natureza (as outras são gravidade, força nuclear fraca e força nuclear forte).
“A constante da estrutura fina é a quantidade que os físicos usam como uma medida da força da força eletromagnética”, diz o professor Webb.
“É um número sem dimensão e envolve a velocidade da luz, algo chamado constante de Planck e a carga de elétrons, e é uma proporção dessas coisas. E é o número que os físicos usam para medir a força da força eletromagnética”.
A força eletromagnética mantém os elétrons zunindo em torno de um núcleo em todos os átomos do Universo – sem ele, toda a matéria se separaria. Até recentemente, acreditava-se ser uma força imutável ao longo do tempo e do espaço. Mas nas últimas duas décadas, o professor Webb notou anomalias na constante da estrutura fina, na qual a força eletromagnética medida em uma direção específica do universo parece um pouco diferente.
“Descobrimos que esse número da constante de estrutura fina era diferente em certas regiões do Universo. Não apenas em função do tempo, mas também na direção do Universo, o que é realmente bastante estranho se estiver correto… mas foi o que descobrimos. “
À procura de pistas
Sempre cético, quando o professor Webb encontrou esses primeiros sinais de medições ligeiramente mais fracas e mais fortes da força eletromagnética, ele pensou que poderia ser uma falha do equipamento, um erro em seus cálculos ou qualquer outra coisa em comum. Foi ao olhar para alguns dos quasares mais distantes – corpos celestes maciços emitindo energia excepcionalmente alta – nas bordas do Universo, que essas anomalias foram observadas pela primeira vez usando os telescópios mais poderosos do mundo.
“Os quasares mais distantes que conhecemos estão entre 12 e 13 bilhões de anos-luz de nós”, diz o professor Webb.
“Então, se você pode estudar a luz em detalhes de quasares distantes, está estudando as propriedades do universo como era quando era pequeno, com apenas um bilhão de anos. O Universo era muito, muito diferente. Nenhuma galáxias existiam, as primeiras estrelas se formaram, mas certamente não havia a mesma população de estrelas que vemos hoje. E não havia planetas”.
Ele diz que, no estudo atual, a equipe analisou um desses quasares que lhes permitia investigar quando o universo tinha apenas um bilhão de anos e nunca havia sido feito antes. A equipe fez quatro medições da constante fina ao longo da linha de visão deste quasar. Individualmente, as quatro medições não forneceram nenhuma resposta conclusiva sobre se houve ou não mudanças perceptíveis na força eletromagnética. No entanto, quando combinadas com muitas outras medidas entre nós e quasares distantes feitas por outros cientistas e não relacionadas a este estudo, as diferenças na constante da estrutura fina se tornaram evidentes.
Um universo estranho
“Isto parece apoiar a ideia de que poderia haver uma direcionalidade no Universo, o que é realmente muito estranho”, diz o professor Webb.
“Portanto, o Universo pode não ser isotrópico em suas leis da física – um que é o mesmo, estatisticamente, em todas as direções. Mas, de fato, poderia haver alguma direção ou direção preferida no universo onde as leis da física mudam, mas não na direção perpendicular, ou seja, o Universo, em certo sentido, possui uma estrutura dipolar.
“Em uma direção específica, podemos olhar para trás 12 bilhões de anos-luz e medir o eletromagnetismo quando o Universo era muito jovem. Juntando todos os dados, o eletromagnetismo parece aumentar gradualmente à medida que olhamos, enquanto na direção oposta diminui gradualmente. Em outras direções do cosmos, a constante de estrutura fina permanece exatamente isso – constante. Essas novas medições muito distantes levaram nossas observações mais além do que jamais foi alcançado antes”.
Em outras palavras, no que se pensava ser uma propagação arbitrariamente aleatória de galáxias, quasares, buracos negros, estrelas, nuvens de gás e planetas – com a vida florescendo em pelo menos um pequeno nicho -, o Universo de repente parece ter o equivalente a um norte e um sul. O professor Webb ainda está aberto à ideia de que, de alguma forma, essas medições feitas em diferentes estágios, usando diferentes tecnologias e de diferentes locais da Terra, são na verdade uma enorme coincidência.
“Isso é algo que é levado muito a sério e é encarado, muito corretamente com ceticismo, mesmo por mim, mesmo que eu tenha feito o primeiro trabalho com meus alunos. Mas é algo que você precisa testar porque é possível vivermos em um universo estranho”.
Mas acrescentando ao lado do argumento que diz que essas descobertas são mais do que mera coincidência, uma equipe nos EUA trabalhando de forma totalmente independente e desconhecida pelo professor Webb, fez observações sobre raios-X que pareciam se alinhar à ideia de que o universo tem alguma coisa. tipo de direcionalidade.
“Eu não sabia nada sobre este artigo até que ele apareceu na literatura”, diz ele.
“E eles não estão testando as leis da física, estão testando as propriedades, as propriedades dos raios X das galáxias e os aglomerados de galáxias e as distâncias cosmológicas da Terra. Eles também descobriram que as propriedades do universo nesse sentido não são isotrópico e há uma direção preferida. E eis que a direção deles coincide com a nossa “.
A vida, o Universo e tudo mais
Embora ainda deseje ver testes mais rigorosos de idéias que o eletromagnetismo possa flutuar em certas áreas do universo para dar uma forma de direcionalidade, o professor Webb diz que, se essas descobertas continuarem sendo confirmadas, elas podem ajudar a explicar por que o nosso universo é a maneira como ele é, e por que há vida nele.
“Durante muito tempo, pensou-se que as leis da natureza parecem perfeitamente ajustadas para definir as condições para a vida florescer. A força da força eletromagnética é uma dessas quantidades. Se fosse apenas uma porcentagem diferente do valor se medirmos na Terra, a evolução química do universo seria completamente diferente e a vida talvez nunca tivesse continuado.Ele levanta uma pergunta tentadora: essa situação da “Cachinhos Dourados“, em que quantidades físicas fundamentais como a constante de estrutura fina são “perfeitas”? favorecer nossa existência, aplicar em todo o universo? “
Se existe uma direcionalidade no Universo, argumenta o professor Webb, e se o eletromagnetismo se mostra ligeiramente diferente em certas regiões do cosmos, os conceitos mais fundamentais que sustentam grande parte da física moderna precisarão de revisão.
“Nosso modelo padrão de cosmologia é baseado em um Universo isotrópico, que é o mesmo, estatisticamente, em todas as direções”, diz ele.
“Esse modelo padrão em si é construído sobre a teoria da gravidade de Einstein, que assume explicitamente a constância das leis da Natureza. Se tais princípios fundamentais se tornarem apenas boas aproximações, as portas estarão abertas para novas idéias muito emocionantes da física.”
A equipe do professor Webb acredita que este é o primeiro passo para um estudo muito maior, explorando muitas direções do universo, usando dados provenientes de novos instrumentos nos maiores telescópios do mundo. Novas tecnologias estão surgindo para fornecer dados de maior qualidade e novos métodos de análise de inteligência artificial ajudarão a automatizar medições e executá-las mais rapidamente e com maior precisão.
Referências: Michael R. Wilczynska et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay9672
K. Migkas et al. Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation, Astronomy & Astrophysics (2020). DOI: 10.1051/0004-6361/201936602