O Lado Escuro do Universo

Tudo o que observamos no Universo é apenas 5% do total, o restante existe sob a forma de matéria ou energia que escapam às nossas observações actuais. Quase tudo o que sabemos sobre o Universo é baseado no modelo do Big Bang, nas equações da Relatividade de Einstein e em três observações fundamentais: "o diagrama de Hubble", a "radiação de fundo de micro-ondas", e a "Inflação" introduzida em 1989 para remediar alguns problemas da teoria do Big Bang. O diagrama de Hubble indica que galáxias distantes estão a afastar-se de nós com velocidades (v) proporcionais à sua distância relativa (d): v = $H$_od, sendo $H$_o chamada constante de Hubble. Segundo Einstein, a dinâmica da expansão depende então de $H$_o e da densidade da massa-energia do Universo, normalmente designada pelo parâmetro normalizado $Omega$. O parâmetro inclui radiação e campos e deverá ser, segundo a Inflação, igual a 1.

Todavia, a teoria do Big Bang, que prevê de modo preciso a abundância de elementos leves como o hidrogénio, o hélio e o lítio, limita $Omega$ na forma bariónica (neutrões e protões). Em 1953, descobriu-se que a Terceira Lei de Kepler seria violada, a não ser que a massa e a dimensão duma galáxia fossem muito superiores às observadas. Nem toda a massa pode ser bariónica, pelo que teremos de ter $Omega$ = $Omega$_visivel + $Omega$_DM, onde $Omega$_DM é a densidade da massa da matéria escura desconhecida. Os candidatos para a matéria escura são (i) partículas leves, tais como os neutrinos, que em teoria de partículas têm massa zero, ou (ii) partículas pesadas do tipo neutrinos; em ambos os casos, a interacção fundamental envolvida é fraca para ter em consideraçãoa ausência de observação da matéria. No fim dos anos 90, havia 14 pesquisas em progresso nesta área por todo o mundo, com 7 outras em desenvolvimento.

A "radiação de fundo de micro-ondas", composta por fotões criados há cerca de 10-15 mil milhões de anos e prevista pela teoria do Big Bang, foi observada pela primeira vez em 1965. Em 1989, os resultados da experiência COBE começaram a revelar a isotropia da radiação em larga escala, tal como tinha sido previsto. Com estatísticas melhoradas, os resultados de 1992 começaram a mostrar variações de temperatura a nível de uma parte em 100000, o que é consistente com um cenário de Big Bang modificado por um período inflacionário, e com $Omega\; =\; 1$. As mediçõeseram ainda insensíveis aos efeitos de $Omega$_DM e $H$_o, estando estes relacionados com oscilações na radiação geradas por flutuações da densidade.

Em 1998, o panorama muda subitamente. Evidências indirectas indicaram massas leves para os neutrinos, facto que perturba o Modelo Standard da física de partículas. Para além disso, as experiências BOOMERANG e MAXIMA começaram a produzir mapas de alta resolução da radiação de fundo, com o resultado supreendente de que a expansão do Universo parece estar agora a acelerar. Quase simultâneamente, novos estudos de supernovas forneceram evidências da violação da Lei de Hubble. As medições combinadas parecem agora sugerir que $Omega$ é composto por 5$\%$ de $Omega$_visivel , 25$\%$ de $Omega$_DM e 70$\%$ de $Omega$_DE. Mas o que é $Omega$_DE? A constante $Lambda$ adicionada nas equações de Einstein, que relacionam a curvatura do espaço-tempo com o seu conteúdo de matéria-energia, comporta-se como energia. A dinâmica da expansão depende então da energia associada com $Lambda$ ($Omega$_Lambda), assim como de $H$_o e $Omega$, pelo que agora $Omega\; =\; Omega$_visivel + Omega_DM + Omega_Lambda. Enquanto que a presença de $Omega$_visivel + Omega_DM desacelera a expansão, devido à atracção gravitacional, um $Omega$_Lambda > 0 acelera-a, uma vez que $Lambda$ se comporta como uma pressão negativa. O verdadeiro vácuo (ou estado de energia mínima) corresponde ao mínimo de um poço de potencial com energia negativa, que pode ser associado a $Omega$_Lambda.

Um problema suscitado por esta identificação é o de que $Lambda$ deve ser ajustado cuidadosamente no início do Big Bang, de modo a produzir a contribuição de energia escura indicada. Explicaçõesalternativas fazem apelo a física de dimensões múltiplas. Presentemente, esforços para combinar Gravidade e Mecânica Quântica numa teoria unificada envolvem geralmente 10 ou mais dimensões, todas elas, excepto quatro, demasiado pequenas para serem observadas, e comportando-se exactamente como um campo com a forma $Lambda$.

É necessário mais investigação para confirmar tanto estas estimativas como as ideias por detrás das suas explicações. Todavia, a não ser que haja novas surpresas no futuro, o nosso destino parece ser agora descrito por um céu nocturno crescentemente vazio, vermelho e mais frio.

Doutor Tom Girard
Centro de Física Nuclear, Universidade de Lisboa