A gravidade é mais conhecida como a força que puxa os objetos em direção à Terra, mas seu papel vai muito além da queda das maçãs. Em todo o universo, a gravidade atua como uma estrutura invisível que influencia a formação e evolução de galáxias, aglomerados de galáxias e as maiores estruturas cósmicas.
No entanto, durante décadas, os astrónomos têm sido confrontados com observações que não correspondem exatamente ao que pode ser observado. Algumas estrelas e galáxias movem-se muito mais rapidamente do que a sua massa visível parece ser capaz de explicar. Esse mistério intrigou o pesquisador Patricio A. da Universidade da Pensilvânia. Isso levou cosmólogos como Gallardo a investigar se as leis da gravidade estabelecidas por Isaac Newton e Albert Einstein são válidas em todo o universo.
“A astrofísica sofre de enormes inconsistências no livro-razão cósmico”, diz Gallardo. “Quando observamos como as estrelas orbitam dentro das galáxias ou como as galáxias se movem dentro dos aglomerados de galáxias, algumas estrelas parecem estar viajando muito rápido, dada a quantidade de matéria visível nelas.”
Segundo Gallardo, essa discrepância aponta para duas possibilidades dramaticamente diferentes. O universo pode conter grandes quantidades de “matéria escura” invisível cuja gravidade fornece atração adicional, ou “as equações fundamentais da gravidade precisam ser modificadas”.
Testando a gravidade em escalas cósmicas sem precedentes
Gallardo e seus colegas colocaram agora a gravidade em um teste incomumente grande usando observações do Atacama Cosmology Telescope (ACT), um telescópio de quase três a quatro andares de altura que foi amplamente desenvolvido por pesquisadores da Penn liderados por Mark Devlin.
A equipe investigou a gravidade em aglomerados de galáxias separados por centenas de milhões de anos-luz, tornando-se o teste de gravidade em maior escala já realizado.
Resultados, publicados em artigo de revisão físicaMostre que a força da gravidade diminui com a distância, conforme previsto pelas equações de Newton e foi posteriormente incorporada à teoria da relatividade geral de Einstein.
Gallardo diz: “É notável que a lei dos inversos dos quadrados – proposta por Newton no século XVII e depois incorporada pela teoria da relatividade geral de Einstein – continue a vigorar no século XXI.”
Esta descoberta apoia um dos fundamentos da cosmologia moderna. Segundo Gallardo, demonstrar que as teorias estabelecidas da gravidade continuam a funcionar a distâncias enormes fortalece o modelo padrão da cosmologia. Também limita drasticamente uma classe de alternativas, incluindo a dinâmica newtoniana modificada (MOND), que tenta explicar movimentos cósmicos incomuns alterando as leis da gravidade.
Newton desenvolveu originalmente a relação do inverso do quadrado para descrever o movimento dentro do sistema solar. A teoria afirma que a força da gravidade diminui de acordo com o quadrado da distância que separa dois objetos. Os cientistas testaram agora a mesma relação usando massas e distâncias que “eram inimagináveis na época de Newton”, diz Gallardo.
Por que as galáxias se movem muito rápido?
Existem mais de 200 mil milhões de galáxias no Universo e o seu movimento representa há muito tempo um grande enigma para os astrónomos.
Numa imagem newtoniana simples, as estrelas que orbitam longe do centro da galáxia deveriam viajar mais lentamente. As observações mostram algo diferente. As estrelas nas regiões exteriores das galáxias movem-se mais rapidamente do que a quantidade de matéria visível que parece ser capaz de suportar a gravidade.
Um problema semelhante também ocorre em aglomerados de galáxias. Galáxias inteiras viajam através destas estruturas gigantes a velocidades que não podem ser explicadas apenas pela sua massa observada.
“Esse é o enigma principal”, explica Gallardo. “Ou a gravidade se comporta de maneira diferente em escalas muito grandes, ou há matéria extra no universo que não podemos ver diretamente”.
Luz antiga fornece teste de gravidade
Para testar qual explicação se ajusta melhor às evidências, os pesquisadores analisaram observações do ACT sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB. Esta luz antiga foi libertada cerca de 380.000 anos após o Big Bang e tem viajado pelo Universo desde então.
À medida que a luz da CMB viaja através de aglomerados de galáxias gigantes, o movimento desses aglomerados produz pequenas mudanças na luz. Os astrônomos podem detectar essas assinaturas tênues e usá-las para estudar o movimento dos aglomerados.
Ao examinar estes efeitos em centenas de milhares de enxames de galáxias separados por milhões de anos-luz, os investigadores foram capazes de determinar a força com que a gravidade actua sobre algumas das maiores estruturas do Universo.
Se modelos de gravidade modificados, como o MOND, fornecessem a explicação correta, as medições deveriam ter mostrado que a gravidade diminuía gradualmente com a distância.
A equipe não entendeu. Em vez disso, as medições caíram aproximadamente na mesma área onde a teoria de Newton e a teoria de Einstein concordam.
Como a gravidade se comportou conforme previsto, a mudança nas leis da gravidade não explica a massa perdida revelada por estas observações. O resultado, portanto, reforça o argumento de que um componente invisível, a matéria escura, fornece a atração gravitacional adicional.
A matéria escura permanece um mistério
Embora as descobertas acrescentem evidências da matéria escura, elas não respondem a uma das maiores questões que permanecem na física: o que exatamente constitui a matéria escura.
“Este estudo reforça a evidência de que existe um componente de matéria escura no universo”, diz Gallardo. “Mas ainda não sabemos do que é feito esse componente.”
Medições futuras da CMB, juntamente com levantamentos maiores de galáxias, deverão permitir aos astrónomos e físicos testar a gravidade com ainda maior precisão.
“Com tantas questões sem resposta, a gravidade continua a ser uma das áreas de investigação mais fascinantes. É um campo naturalmente fascinante”, diz Gallardo, rindo.
Patricio Gallardo é pesquisador associado do Departamento de Astronomia e Física da Escola de Artes e Ciências da Universidade da Pensilvânia.
O estudo envolveu mais de 40 pesquisadores representando afiliações institucionais em diversos países. Pesquisadores individuais que contribuíram para este estudo foram apoiados por uma variedade de bolsas e agências de financiamento nacionais, incluindo o Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago, a Simons Society of Fellows, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA (AST-2206088), NASA Rosas grant 12-EUCLID12-0004, Agência Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) do Chile. O Projeto Basileia estava envolvido. FB210003, a Fundação Nacional de Pesquisa da África do Sul e o Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC) por meio de bolsas RGPIN-2023-05014 e DGECR-2023-00180. Apoio adicional foi fornecido pela Cátedra da Família Sutton em Ciência, Cristianismo e Cultura na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Toronto.
O projeto Atacama Cosmology Telescope (ACT) é apoiado principalmente pela US National Science Foundation por meio dos prêmios AST-0408698, AST-0965625 e AST-1440226, bem como PHY-0355328, PHY-0855887 e PHY-1214379 para o projeto ACT. Financiamento adicional foi fornecido pelos prêmios da Fundação Canadense para Inovação (CFI) à Universidade de Princeton, à Universidade da Pensilvânia e à Universidade da Colúmbia Britânica. O desenvolvimento dos detectores e lentes multicroicos ACT foi apoiado pelas doações da NASA NNX13AE56G e NNX14AB58G, e a pesquisa de detectores no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) foi apoiada através do programa NIST Innovations in Measurement Science.
