Como o Universo vai acabar? A pergunta acaba de ter uma reviravolta inesperada

Se você tivesse me perguntado há um ano sobre o destino final mais provável para o Universo, eu teria sido capaz de responder imediatamente. Como cosmóloga, passei muito tempo pensando sobre o assunto – e até escrevi um livro. Sabemos que o Universo está se expandindo e que essa expansão está se acelerando. Em um futuro muito distante, essa expansão acelerada esvaziará o cosmo até que não reste praticamente nada. 

As estrelas se queimam, a matéria se decompõe, os buracos negros se evaporam e, por fim, não restará nada além de algumas partículas de luz perdidas que difundem o calor residual de toda a criação. Esse cenário é às vezes chamado de “morte por calor” ou “grande congelamento”, e é uma consequência direta de nossa melhor teoria sobre como o universo se comporta.

Mas se você me perguntar hoje sobre o fim do Universo, eu hesitaria em responder. Os resultados anunciados no final de março pelo Dark Energy Spectroscopic Instrument (Instrumento espectroscópico de energia escura), da sigla DESI, com base em um lançamento de dados anterior no ano passado, pintam um quadro muito diferente do nosso Universo, desafiando nossa melhor suposição quanto à natureza de seu componente mais importante - e mais misterioso: a energia escura.

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Quais são as origens da energia escura

Quando a energia escura foi descoberta pela primeira vez, foi, para dizer o mínimo, uma surpresa.

No final da década de 1990, os astrônomos descobriram que a expansão do Universo, inicialmente iniciada pelo Big Bang, estava sutilmente acelerando nos últimos bilhões de anos. A aceleração estava clara nos dados e foi confirmada por vários grupos, mas não parecia fazer sentido.

Os pesquisadores esperavam que a expansão desacelerasse – e não ao contrário. Tudo no cosmos – galáxias, estrelas, gás, poeira e até mesmo energia pura – tem um efeito gravitacional sobre todo o resto. E a gravidade aproxima os objetos, nunca os separa. 

Portanto, embora os astrônomos saibam há mais de 100 anos que as galáxias distantes estão se afastando umas das outras, e se afastando de nós, com a expansão do cosmos, a única expectativa sensata era que a gravidade de todo esse material deveria resistir à expansão e, gradualmente, desacelerá-la.

Porém, se a expansão do universo estivesse se acelerando, seria como se algo estivesse ativamente esticando o espaço a partir de dentro, além da expansão residual do Big Bang. Nada que se saiba existir no universo deveria ser capaz de fazer isso.

Quando confrontados com suas observações inesperadas de aceleração, os astrônomos modernos pensaram que talvez a constante cosmológica pudesse explicar o alongamento inesperado do Espaço. Por mais bizarro que fosse, isso aconteceu.

Felizmente para os astrônomos, a teoria da gravidade de Albert Einstein – relatividade geral – oferecia uma possível brecha. Embora ainda fosse verdade que nenhuma substância conhecida poderia fazer o universo acelerar em sua expansão, Einstein deixou em aberto a possibilidade de que o próprio espaço pudesse fazer o trabalho. 

Em suas equações para a evolução do cosmos, ele adicionou um termo chamado “constante cosmológica” – representado pela letra grega Λ ou “lambda” – que essencialmente dava ao próprio Espaço a capacidade de inchar por dentro e de se opor ao colapso gravitacional.

Quando Einstein propôs isso pela primeira vez, os astrônomos não sabiam que o Universo estava se expandindo. Quando as observações apontaram para um Universo em expansão, ele retirou o termo de suas equações, considerou-o um erro e partiu para outras coisas mais sensatas. Por mais bizarro que fosse, isso aconteceu

A constante cosmológica também apresentou uma linha do tempo convincente. Quando o universo era menor e mais denso, a gravidade estava gradualmente desacelerando a expansão, e a constante cosmológica não tinha muito efeito. Mas assim que o Universo se tornou grande e difuso o suficiente, cerca de seis bilhões de anos atrás, todo aquele espaço vazio extra significava que a pequena tendência de alongamento poderia assumir o controle, fazendo com que a expansão voltasse a acelerar.

Nas últimas décadas, todas as observações pareciam estar razoavelmente de acordo com essa narrativa, de modo que os físicos integraram uma constante cosmológica em seu modelo de como o Universo funciona. A constante cosmológica está sob o guarda-chuva do termo mais genérico energia escura, que se refere a qualquer coisa que cause aceleração cósmica e engloba a possibilidade de uma constante cosmológica ou algo ainda mais estranho.

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A energia escura representa boa parte da densidade do Universo

Ao manter a definição de energia escura ampla, também mantivemos a mente aberta para outras explicações. Talvez a energia escura não seja uma propriedade inerente do Espaço, mas, na verdade, algum tipo de campo de energia ainda desconhecido (às vezes chamado de “quintessência” ou “energia escura dinâmica”). 

Esse campo poderia estar agindo como uma constante cosmológica agora – esticando o Espaço da mesma forma – mas, em vez de ser uma propriedade constante do Espaço, poderia ser algo que muda com o tempo, ficando mais fraco ou mais forte à medida que o Universo evolui.

Descobrir o que exatamente está acontecendo com a energia escura e se ela realmente é uma constante cosmológica tem sido a motivação de vários projetos observacionais importantes nos últimos anos, incluindo o DESI. 

Seja qual for a energia escura, de acordo com nossa melhor contabilidade astrofísica, ela representa algo em torno de 70% da densidade de energia do universo. É a coisa mais importante no cosmos, tanto em termos de quantidade quanto de influência na evolução cósmica.

Se a energia escura for uma constante cosmológica, o cenário de morte por calor – em que o universo termina escuro, frio e vazio – está praticamente garantido. 

Podemos calcular quanto tempo levará até que galáxias distantes sejam afastadas de nós tão rapidamente que não possamos mais vê-las (cerca de 100 bilhões de anos) e podemos determinar quanto tempo levará até que o cosmos sucumba totalmente à sua própria decadência inevitável (o número é grande demais para ser facilmente expresso em palavras).

No entanto, desde que os resultados do Desi foram divulgados, as pessoas têm se perguntado como esse quadro pode mudar.

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A morte do Universo será através do calor? 

Os resultados do Desi parecem concordar melhor com um tipo de energia escura que se enfraquece com o tempo do que com uma constante cosmológica. Os resultados são bastante convincentes, mas ainda não são o que nós, na física, chamaríamos de “descoberta”. 

Se a descoberta estiver correta, a expansão ainda está se acelerando, mas não tanto quanto estava quando a energia escura começou a dominar. Definitivamente, não é assim que uma constante cosmológica funciona.

Algumas notícias sobre os resultados sugeriram que isso é motivo para um certo tipo de otimismo. Talvez a morte por calor não seja nosso destino, afinal. Talvez o enfraquecimento da energia escura signifique que a expansão entrará em uma fase de desaceleração ou, por fim, parará completamente. Alguns chegaram a lançar a ideia de que essa energia escura em evolução poderia se enfraquecer tanto que se tornaria uma força de atração, revertendo completamente a expansão e levando a uma “grande crise”.

Pessoalmente, eu defenderia um pouco mais de cautela nessas interpretações. Mesmo que os resultados da Desi sejam completamente resistentes ao escrutínio e confirmados por outras pesquisas, eles não nos dão essencialmente nenhuma informação sobre o futuro. 

A única razão pela qual podemos fazer inferências sobre nosso destino com uma constante cosmológica é que sabemos exatamente como ela se comporta: ela é constante. Com a energia escura dinâmica, no entanto, até que saibamos o que impulsiona sua evolução, não temos controle sobre o que acontecerá em seguida.

Talvez tenhamos outra coisa completamente diferente. Tomados pelo seu valor nominal, os resultados do Desi sugerem que, em uma época anterior, a energia escura estava no que os físicos chamam de regime “fantasma”. 

A energia escura fantasma é a energia escura que se torna mais poderosa com o passar do tempo, de uma forma que pode literalmente despedaçar o Universo. 

Se ela realmente era fantasma no passado, não há nada que diga que ela não possa mudar para essa direção novamente, podendo levar a um destino bastante horrível chamado de “big rip”. Do ponto de vista da teoria, há razões para duvidar que a energia escura fantasma possa acontecer, mas, se puder, isso não inspira exatamente otimismo.

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O que acontece se a energia escura desaparecer do Universo?

Devo dizer que, mesmo que a energia escura se enfraqueça tanto que desapareça por completo, e mesmo que a expansão pare completamente, isso também não é necessariamente um alívio. 

As estrelas ainda explodirão ou desaparecerão à medida que o hidrogênio que elas contêm for convertido em hélio em seus núcleos. Os buracos negros crescerão e acabarão se evaporando. 

E, de uma forma ou de outra, o cosmos tenderá à desordem e à decadência, como exigem algumas de nossas leis físicas mais confiáveis. Também é possível que um destino totalmente diferente nos atinja, impulsionado por uma mudança quântica nas leis da física: um fenômeno estranho e decididamente impossível de sobreviver conhecido como decaimento do vácuo.

Se a energia escura realmente desaparecer e se o decaimento do vácuo não acontecer, algumas poucas perspectivas de manter algo parecido com a vida em um universo em expansão podem, teoricamente, existir, mas eu diria que são mais técnicas do que práticas. Simplesmente não há muito espaço em nossa compreensão atual da cosmologia para um “felizes para sempre”.

Pessoalmente, estou animada para ver como esse debate se desenvolve, apesar do prognóstico sombrio. Os resultados do Desi podem levar à primeira grande mudança de paradigma cosmológico desde que a energia escura foi descoberta e a uma reescrita completa de nosso modelo do universo.

Provavelmente, a energia escura acabará destruindo tudo. Mas, nesse meio tempo, a busca para entendê-la levou a algumas descobertas incríveis. E não há como dizer o que o Universo nos reserva para o futuro.