O nosso Universo parece assimétrico e isso pode pôr em causa toda a cosmologia.

A forma do Universo não é algo em que pensemos muitas vezes. Ainda assim, eu e os meus colegas publicámos um novo estudo que indica que ele pode ser assimétrico ou “descaído”, ou seja, pode não apresentar o mesmo aspeto em todas as direções.

Devemos dar importância a isto? A verdade é que o atual “modelo cosmológico padrão” - que procura descrever a dinâmica e a estrutura de todo o cosmos - assenta diretamente na hipótese de que o Universo é isotrópico (parece igual em qualquer direção) e homogéneo quando se faz a média em escalas muito grandes.

No entanto, várias chamadas “tensões” - isto é, discrepâncias nos dados - levantam dificuldades sérias a esta ideia de um Universo uniforme.

Acabámos de publicar um artigo científico centrado numa das mais relevantes dessas tensões, conhecida como a anomalia do dipolo cósmico. Concluímos que a anomalia do dipolo cósmico constitui um desafio sério à descrição do Universo mais aceite, o modelo cosmológico padrão (também chamado modelo Lambda-CDM).

Então, afinal, o que é a anomalia do dipolo cósmico - e por que motivo cria tamanhos problemas para quem tenta construir um retrato detalhado do cosmos?

Para começar, consideremos o fundo cósmico de micro-ondas (CMB), a radiação “fóssil” que restou do Big Bang. O CMB é extraordinariamente uniforme no céu: varia apenas ao nível de uma parte em cem mil.

É por isso que os cosmólogos se sentem confortáveis a modelar o Universo com a descrição de espaço-tempo “maximamente simétrica” na teoria da relatividade geral de Einstein. Esta visão simétrica do Universo - em que ele tem o mesmo aspeto em qualquer lugar e em qualquer direção - é conhecida como a “descrição FLRW”.

Essa simetria simplifica drasticamente a resolução das equações de Einstein e sustenta o modelo Lambda-CDM.

Apesar disso, existem várias anomalias importantes, incluindo uma muito discutida chamada tensão de Hubble. O nome vem de Edwin Hubble, a quem se atribui a descoberta, em 1929, de que o Universo está em expansão.

A tensão começou a emergir a partir de diferentes conjuntos de dados na década de 2000, sobretudo graças ao Telescópio Espacial Hubble, e também a dados mais recentes do satélite Gaia. Trata-se de um desacordo cosmológico: as medições da taxa de expansão do Universo na sua fase inicial não batem certo com as medições obtidas no Universo próximo (mais recente).

A anomalia do dipolo cósmico tem recebido muito menos atenção do que a tensão de Hubble, mas é ainda mais fundamental para a nossa compreensão do cosmos.

Então o que é, exatamente?

Apesar de se ter estabelecido que o fundo cósmico de micro-ondas é simétrico em grandes escalas, foram identificadas variações nesta radiação relicta do Big Bang. Uma das mais marcantes chama-se anisotropia dipolar do CMB. É a maior diferença de temperatura no CMB: um lado do céu aparece mais quente e o lado oposto mais frio, por cerca de uma parte em mil.

Esta variação no CMB, por si só, não põe em causa o modelo Lambda-CDM do Universo. Porém, seria de esperar encontrar variações correspondentes noutros dados astronómicos.

Em 1984, George Ellis e John Baldwin colocaram a questão de saber se existiria uma variação semelhante - ou “anisotropia dipolar” - na distribuição no céu de fontes astronómicas distantes, como radiogaláxias e quasares. Estas fontes precisam de estar muito longe, porque objetos próximos podem criar um falso “dipolo de aglomeração” (clustering dipole).

Se a hipótese FLRW de um “universo simétrico” estiver correta, então a variação observada nessas fontes astronómicas distantes deverá ser determinada diretamente pela variação observada no CMB. Este procedimento é conhecido como o teste Ellis–Baldwin, em homenagem aos astrónomos.

Se as variações no CMB e na matéria forem consistentes entre si, isso reforça o modelo padrão Lambda-CDM. Se houver discordância, o desafio é direto ao modelo - e, na verdade, à própria descrição FLRW. Como se trata de um teste muito preciso, só recentemente passou a existir o catálogo de dados necessário para o realizar.

O resultado é que o Universo falha o teste Ellis–Baldwin. A variação na matéria não coincide com a variação no CMB.

Dado que as potenciais fontes de erro são bastante diferentes entre telescópios e satélites, e também entre diferentes comprimentos de onda do espectro, é encorajador verificar que se obtém o mesmo desfecho tanto com radiotelescópios terrestres como com satélites que observam em comprimentos de onda no infravermelho médio.

Deste modo, a anomalia do dipolo cósmico afirmou-se como um grande desafio ao modelo cosmológico padrão, mesmo que a comunidade astronómica tenha optado, em larga medida, por ignorá-la.

Uma possível razão é não existir uma forma simples de “remendar” esta falha. Para a resolver, seria necessário abandonar não apenas o modelo Lambda-CDM, mas a própria descrição FLRW - e regressar ao ponto de partida.

Ainda assim, espera-se uma avalanche de dados vindos de novos satélites como o Euclid e o SPHEREx, bem como de telescópios como o Observatório Vera Rubin e o Square Kilometre Array. É plausível que, em breve, obtenhamos novas pistas arrojadas sobre como construir um novo modelo cosmológico, aproveitando avanços recentes num subconjunto da inteligência artificial (IA) chamado aprendizagem automática (machine learning).

O impacto seria verdadeiramente enorme na física fundamental - e na nossa compreensão do Universo.

Subir Sarkar, Professor Emérito, Universidade de Oxford

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.