É embaraçoso, mas os astrofísicos são os primeiros a admitir isso. Nosso melhor modelo teórico só pode explicar 5% do Universo.
Os 95% restantes são formados quase inteiramente de material invisível e desconhecido, especificamente, energia escura e matéria escura. Portanto, embora haja trilhões de trilhões de estrelas no universo observável, estas duas coisas exóticas são extremamente raras.
As duas misteriosas substâncias escuras só podem ser inferidas a partir de efeitos gravitacionais. A matéria escura pode ser um material invisível, mas exerce uma força gravitacional na matéria circundante que podemos medir. A energia escura é uma força repulsiva que faz o universo se expandir em ritmo acelerado. As duas sempre foram tratadas como fenômenos separados. Mas um estudo recente, publicado em Astronomy and Astrophysics, sugere que ambas podem ser parte do mesmo conceito estranho – um único “fluido escuro” unificado de massas negativas.
Massas negativas são uma forma hipotética de matéria que teria um tipo de gravidade negativa – repelindo todos os outros materiais ao seu redor. Ao contrário da massa familiar positiva, se uma massa negativa fosse empurrada, aceleraria em direção a você e não para longe de você.
Massas negativas não são uma ideia nova em cosmologia. Assim como a matéria normal, as partículas de massa negativa se tornariam mais espalhadas à medida que o universo se expandisse – o que significa que sua força repulsiva se tornaria mais fraca com o tempo. No entanto, estudos mostraram que a força que impulsiona a expansão acelerada do universo é implacavelmente constante. Essa inconsistência já levou os pesquisadores a abandonar essa ideia. Se existir um fluido escuro, este não deve diminuir ao longo do tempo.
No novo estudo, proponho uma modificação na teoria da relatividade geral de Einstein para permitir que massas negativas não apenas existam, mas sejam criadas continuamente. A “criação de matéria” já foi incluída em uma teoria alternativa inicial do Big Bang, conhecida como modelo do Estado Estável. O principal pressuposto era que a matéria (a massa positiva) era continuamente criada para reabastecer o material à medida que o Universo se expandiu. Agora sabemos, por evidências observacionais, que isso é incorreto. No entanto, isso não significa que a massa negativa não possa ser continuamente criada. O novo estudo mostra que este fluido escuro nunca se espalha muito finamente. Em vez disso, ele se comporta exatamente como a energia escura. Eu também desenvolvi um modelo de computador 3D deste universo hipotético para ver se ele também poderia explicar a natureza física da matéria escura. A matéria escura foi introduzida para explicar o fato de que as galáxias estão girando muito mais rápido do que nossos modelos prevêem. Isto implica que alguma matéria invisível adicional deve estar presente para evitar que se separem.
O novo modelo mostra que a força repulsiva circundante do fluido escuro também pode manter uma galáxia junta. A gravidade da massa positiva da galáxia atrai massas negativas de todas as direções, e à medida que o fluido de massa negativa se aproxima da galáxia, ela exerce uma força repulsiva mais forte sobre a galáxia, permitindo que ela gire em velocidades maiores sem se separar. Portanto, parece que um simples sinal de menos pode resolver um dos maiores problemas permanentes da física.
O universo é realmente tão estranho?
Pode-se argumentar que isso soa um pouco distante. Mas, uma vez que as massas negativas são bizarras, elas são consideravelmente menos estranhas do que você possa pensar. Para começar, esses efeitos podem parecer estranhos e desconhecidos para nós, já que residimos em uma região dominada pela massa positiva.
Seja fisicamente real ou não, as massas negativas já têm um papel teórico em um grande número de áreas. Bolhas de ar na água podem ser modeladas como tendo uma massa negativa. Pesquisas laboratoriais recentes também geraram partículas que se comportam exatamente como se tivessem massa negativa. E os físicos já estão confortáveis com o conceito de densidade negativa de energia. De acordo com a mecânica quântica, o espaço vazio é composto de um campo de energia flutuante de fundo que pode ser negativo em alguns lugares – dando origem a ondas e partículas virtuais que entram e saem da existência. Isso pode até criar uma pequena força que pode ser medida no laboratório. O novo estudo poderia ajudar a resolver muitos problemas da física moderna. A teoria das cordas, que é a nossa melhor esperança para unificar a física do mundo quântico com a teoria do cosmos de Einstein, é atualmente vista como incompatível com a evidência observacional. No entanto, a teoria das cordas sugere que a energia no espaço vazio deve ser negativa, o que corrobora as expectativas teóricas de um fluido escuro em massa negativo. Além disso, a equipe por trás da descoberta inovadora de um universo em aceleração detectou surpreendentemente evidências de uma cosmologia de massa negativa, mas tomou a precaução razoável de interpretar essas descobertas controversas como “não-físicas”. A teoria também poderia resolver o problema de medir a expansão do universo. Isso é explicado pela Lei Hubble-Lemaître, a observação de que galáxias mais distantes estão se afastando em um ritmo mais rápido. A relação entre a velocidade e a distância de uma galáxia é definida pela “constante de Hubble”, mas as medidas dele continuam a variar. Isso levou a uma crise na cosmologia. Felizmente, uma cosmologia de massa negativa prevê matematicamente que a “constante” de Hubble deve variar com o tempo. Claramente, há evidências de que essa nova teoria estranha e não convencional merece nossa atenção científica.
Para onde ir a partir daqui
O criador do campo da cosmologia, Albert Einstein – juntamente com outros cientistas, incluindo Stephen Hawking – teve que considerar massas negativas. De fato, em 1918, Einstein chegou a escrever que sua teoria da relatividade geral talvez tivesse que ser modificada para incluí-las.
Apesar desses esforços, uma cosmologia de massa negativa poderia estar errada. A teoria parece fornecer respostas a tantas questões atualmente abertas que os cientistas – com bastante razão – serão bastante suspeitos. No entanto, muitas vezes são as ideias prontas que fornecem respostas para problemas de longa data. A forte evidência acumulada agora cresceu ao ponto que devemos considerar essa possibilidade incomum.
O maior telescópio a ser construído – o Square Kilometre Array (SKA) – medirá a distribuição de galáxias ao longo da história do universo. Os pesquisadores estão planejando usar o SKA para comparar suas observações com previsões teóricas tanto para uma cosmologia de massa negativa quanto para a padrão – ajudando a provar, em última análise, se existem massas negativas em nossa realidade.
O Square Kilometer Array pode fornecer respostas.Crédito: Escritório de Desenvolvimento de Projetos da SKA e Swinburne Astronomy Productions, CC BY-SA
O que está claro é que essa nova teoria gera uma riqueza de novas perguntas. Assim como com todas as descobertas científicas, a aventura não termina aqui. De fato, a busca para entender a verdadeira natureza desse universo belo, unificado e – talvez polarizado – apenas começou.