The local void model for the Hubble and BAO tensions

1. O Problema: A Tensão de Hubble e a Anomalia BAO

O artigo aborda a "crise" atual na cosmologia conhecida como Tensão de Hubble. Existe uma discrepância estatisticamente significativa (>7$\sigma$) entre:

• $H_0^{CMB}$: O valor da constante de Hubble inferido a partir do Fundo Cósmico de Micro-ondas (CMB) assumindo o modelo padrão $\Lambda$CDM, que é de aproximadamente 67,24 km/s/Mpc.
• $c z'$ local: O valor medido no Universo local (tipicamente $z < 0,15$), que é cerca de 9% maior (aproximadamente 73,5 km/s/Mpc).

O artigo destaca que esta tensão é um fenômeno de baixo desvio para o vermelho (low-redshift). Medições em desvios para o vermelho intermediários e altos ($z \gtrsim 0,2$) permanecem consistentes com o $\Lambda$CDM e com o CMB. Além disso, existe uma anomalia BAO (Oscilações Acústicas de Bárions) emergente: medições de distâncias BAO em $z < 1$ indicam que as distâncias para um dado desvio para o vermelho são menores do que o previsto pelo $\Lambda$CDM calibrado pelo CMB (indicado por $\alpha_{iso} < 1$), uma tensão que cresce com a diminuição de $z$.

2. Metodologia e Abordagem Teórica

Os autores propõem que a solução para essas tensões reside na existência de um grande vazio local (uma região de subdensidade de matéria) onde o nosso Sistema Solar e a Via Láctea estão localizados, especificamente o Vazio KBC (Keenan-Barger-Cowie).

• Mecanismo Físico: Em um ambiente subdenso, a gravidade gera dois efeitos que inflacionam o desvio para o vermelho observado ($z$) sem alterar a taxa de expansão de fundo global ($H_0 = H_0^{CMB}$):
  1. Velocidades Peculiares Coerentes: O vazio induz fluxos de saída (outflows) de matéria, criando velocidades peculiares que se somam ao fluxo de Hubble.
  2. Desvio para o Vermelho Gravitacional (GR): O observador está em um potencial gravitacional mais alto (no topo de uma "colina" de potencial) em relação às fontes distantes.
• Modelagem: O estudo utiliza modelos semi-analíticos de um vazio esférico, evoluindo partículas de teste desde $z=9$ até $z=0$. Para explicar a profundidade e o tamanho do vazio KBC (raio $\sim$300 Mpc), que é incompatível com o crescimento de estrutura padrão do $\Lambda$CDM, os autores incorporam uma modificação na gravidade (inspirada na dinâmica MOND) que atua em escalas $\gtrsim 100$ Mpc, permitindo um crescimento de estrutura mais rápido.
• Previsões: O modelo calcula a relação distância-desvio para o vermelho percebida por um observador dentro do vazio, incluindo contribuições não cosmológicas (Doppler e GR), e compara essas previsões com dados observacionais de BAO, contagem de galáxias e fluxos em massa (bulk flows).

3. Contribuições Chave e Resultados Principais

A. Explicação da Tensão de Hubble e BAO

O modelo demonstra que um vazio local pode inflar o valor local de $c z'$ para $\sim$73 km/s/Mpc, mesmo que a expansão de fundo seja $H_0^{CMB} \approx 67$ km/s/Mpc.

• Convergência em $z \gtrsim 0,2$: O modelo prevê que o efeito do vazio decai rapidamente com a distância. Isso explica por que a tensão de Hubble desaparece em $z > 0,2$ e por que as medições de BAO em altos $z$ concordam com o $\Lambda$CDM.
• Previsão da Anomalia BAO: O modelo prevê corretamente a tendência observada de $\alpha_{iso} < 1$ em baixos $z$. Ao ajustar os parâmetros do vazio apenas com dados locais de $c z'$ e contagem de galáxias (sem usar dados BAO), o modelo prevê a anomalia BAO observada nos últimos 20 anos.
  • Estatística: A inclusão dos dados BAO no modelo de vazio reduz o $\chi^2$ total de 76 (para o modelo homogêneo Planck) para 47–51, reduzindo a tensão de 3,8$\sigma$ para 1,1–1,3$\sigma$.

B. Evolução Histórica da Expansão ($H_0(z)$)

O artigo analisa a função $H_0(z)$, que representa o valor de $H_0$ inferido se observadores em diferentes $z$ assumissem um $\Lambda$CDM.

• Os resultados mostram que a curva $H_0(z)$ predita pelo modelo de vazio coincide notavelmente com reconstruções empíricas baseadas em BAO e Supernovas Tipo Ia não calibradas.
• A curva mostra uma transição suave: $H_0(z)$ é alto em $z \approx 0$ (local) e converge rapidamente para $H_0^{CMB}$ em $z \gtrsim 0,2$, alinhando-se com medições de cronômetros cósmicos e lentes gravitacionais em altos $z$.

C. Consistência com o Vazio KBC

O modelo é consistente com evidências multi-comprimento de onda (óptico, infravermelho, rádio, raios-X) que sugerem uma subdensidade local de $\sim$46% em espaço de desvio para o vermelho. O artigo argumenta que a existência do vazio KBC é uma prova independente de que o crescimento de estrutura em grandes escalas é mais rápido do que o previsto pelo $\Lambda$CDM padrão.

4. Testes Futuros e Diferenciação de Soluções

O artigo discute como distinguir entre uma solução de "vazio local" e soluções de "fundo" (que modificam a história de expansão global em baixos $z$). As principais propostas são:

1. Explosões de Rádio Rápidas (FRBs): A relação de Macquart (entre o Medidor de Dispersão - DM - e o desvio para o vermelho) é sensível à densidade de elétrons ao longo da linha de visada. Se estivermos em um vazio, o DM será menor, levando a uma subestimação da distância e uma superestimação de $H_0$ se assumirmos homogeneidade. O modelo prevê que FRBs devem indicar um $H_0$ ligeiramente maior (ex: ~76 km/s/Mpc) do que velas padrão tradicionais, o que já é sugerido por dados preliminares.
2. Efeito Sunyaev-Zel'dovich Cinemático (kSZ): Pode medir velocidades peculiares de aglomerados de galáxias em relação ao CMB, testando diretamente os fluxos de saída previstos pelo vazio.
3. Deriva de Desvio para o Vermelho (Redshift Drift): Medições de longo prazo da mudança temporal de $z$ ($\dot{z}$) poderiam detectar a variação temporal das contribuições não cosmológicas (velocidade peculiar e GR) que são únicas do modelo de vazio, diferenciando-o de modelos de fundo homogêneos.
4. Mapeamento de Velocidades Peculiares: Medições mais precisas de fluxos em massa (bulk flows) em escalas de 250-300 Mpc podem confirmar a amplitude e a direção coerente dos fluxos de saída.

5. Significado e Conclusão

O artigo conclui que o modelo de vazio local oferece uma explicação autoconsistente e preditiva para múltiplas anomalias cosmológicas:

• Resolve a Tensão de Hubble sem exigir nova física no universo primordial (preservando o sucesso do $\Lambda$CDM no CMB).
• Explica a anomalia BAO de baixo $z$ como uma consequência natural da posição do observador em um vazio.
• Liga a existência do Vazio KBC (um problema de crescimento de estrutura) à Tensão de Hubble (um problema de distância), sugerindo que a gravidade pode se comportar de maneira diferente em escalas $\gtrsim 100$ Mpc.

A principal implicação é que a "crise" de Hubble pode não ser um erro de medição ou uma falha na física do universo primordial, mas sim um efeito de ambiente local (violação da homogeneidade em escalas de centenas de Mpc) combinado com uma possível modificação na gravidade em grandes escalas. A confirmação definitiva dependerá de futuros testes observacionais, especialmente com FRBs e medições de velocidade peculiar.