Gravitational-Susceptibility Dip Behind DESI's results: Addressing the Phantom Crossing by Local limit of Nonlocal Gravity

O universo está em expansão e, durante décadas, os astrônomos acreditaram que essa expansão é impulsionada por uma força misteriosa chamada energia escura. No modelo padrão da cosmologia, acredita-se que essa força seja uma energia constante e imutável inerente ao próprio espaço vazio, afastando as galáxias a uma taxa constante e previsível. Esse modelo funcionou bem para muitas observações, mas deixa os físicos com questões profundas sobre o porquê de o universo se comportar dessa maneira e o que é realmente a energia escura. Recentemente, um novo e massivo levantamento do cosmos começou a desafiar essa imagem simples. Ao mapear as posições de milhões de galáxias e quasares, os cientistas encontraram indícios de que a energia escura pode não ser constante, afinal. Em vez disso, ela parece estar mudando ao longo do tempo e de uma forma que desafia as regras atuais da física como as entendemos. Esses novos dados sugerem que a força que impulsiona a expansão do universo está cruzando um limiar crítico, mudando de um tipo de comportamento para outro, de uma forma que a teoria padrão tem dificuldade em explicar sem invocar formas de matéria instáveis ou impossíveis.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Sharif, no Irã, propôs uma nova maneira de entender esses resultados intrigantes sem quebrar as leis da física. Eles sugerem que o comportamento estranho visto nos dados não é causado por um novo tipo de energia exótica, mas por uma mudança sutil na forma como a própria gravidade funciona nas maiores escalas. O trabalho deles foca em uma teoria específica chamada gravidade não local, que imagina que a força da gravidade não é apenas uma interação simples entre dois pontos no espaço, mas é influenciada pelo histórico do campo ao seu redor, de forma muito semelhante a como a resposta de um material a um campo elétrico pode depender de seu estado passado. Nesse arcabouço, a força da gravidade é governada por um fator chamado suscetibilidade gravitacional, que pode variar conforme o universo evolui. Os pesquisadores descobriram que, se essa suscetibilidade mudar ao longo do tempo, ela pode criar a ilusão de que a energia escura está se comportando de forma estranha, mesmo que a própria energia escura permaneça perfeitamente normal e constante.

A chave para a descoberta deles reside nos dados mais recentes do Dark Energy Spectroscopic Instrument, ou DESI. Este instrumento mediu as posições de mais de quatorze milhões de galáxias e quasares, criando o mapa mais detalhado da estrutura de grande escala do universo já feito. Quando a equipe do DESI combinou suas medições com dados da radiação cósmica de fundo e de supernovas, os resultados apontaram para uma energia escura que muda sua natureza. Especificamente, os dados sugerem que a equação de estado da energia escura — um número que descreve como sua pressão se relaciona com sua densidade — cruzou uma linha crítica conhecida como "divisória fantasma" (phantom divide). Na visão padrão, cruzar essa linha exigiria que a energia escura se tornasse um fluido "fantasma", um tipo de matéria que viola condições fundamentais de energia e é geralmente considerada instável ou impossível na física padrão. Os dados do DESI indicam que esse cruzamento ocorreu há aproximadamente 4 bilhões de anos, quando o universo tinha cerca de dois terços de sua idade atual.

Os pesquisadores demonstraram que esse cruzamento fantasma não requer a existência de tal matéria impossível. Em vez disso, eles mostraram que uma suscetibilidade gravitacional variável pode mimetizar esse efeito perfeitamente. Em seu modelo, o fluido de energia escura permanece constante e bem comportado em todos os momentos, com uma relação fixa entre sua pressão e densidade. No entanto, como a suscetibilidade gravitacional muda conforme o universo se expande, um observador medindo a taxa de expansão calcularia um valor diferente e variável para o comportamento da energia escura. É como se o observador estivesse olhando para um objeto constante através de uma lente que está lentamente mudando de forma; o objeto não se moveu, mas a visão dele mudou. Os pesquisadores calcularam exatamente como essa suscetibilidade deve mudar para corresponder às observações do DESI. Eles descobriram que a suscetibilidade deve sofrer um declínio ao longo do tempo, atingindo um mínimo por volta da mesma época em que o cruzamento fantasma foi observado, antes de retornar ao seu estado anterior.

Para testar essa ideia, a equipe utilizou simulações computacionais poderosas para comparar seu modelo com os dados reais. Eles inseriram as medições mais recentes da radiação cósmica de fundo, o levantamento de galáxias do DESI e três catálogos diferentes de supernovas em suas equações. Os resultados foram impressionantes: o modelo com a suscetibilidade gravitacional variável ajustou-se aos dados tão bem quanto, e em alguns casos melhor do que, o modelo padrão de cosmologia. A análise revelou que o melhor ajuste para os dados exigia que a suscetibilidade gravitacional tivesse um declínio com uma profundidade de cerca de menos 0,025 em um redshift de aproximadamente 0,4, o que corresponde ao momento em que o cruzamento fantasma foi detectado. Este declínio é uma característica pequena, mas significativa, na estrutura da resposta do espaço-tempo à matéria, e sua presença explica a mudança observada no comportamento da energia escura sem a necessidade de introduzir quaisquer novas partículas ou campos exóticos.

O estudo também explorou como este novo modelo afeta nossa compreensão da idade do universo e da taxa de expansão, conhecida como constante de Hubble. Os pesquisadores descobriram que a profundidade do declínio da suscetibilidade está ligada ao valor desta taxa de expansão. Quando o modelo leva em conta o declínio, ele sugere uma taxa de expansão ligeiramente diferente do modelo padrão, ajudando a resolver algumas das tensões que surgiram nos últimos anos entre diferentes métodos de medir o crescimento do universo. É importante notar que o modelo permanece consistente com todas as principais sondas cosmológicas, incluindo os padrões detalhados de luz do universo primitivo. Os pesquisadores concluíram que o cruzamento fantasma visto pelo DESI é provavelmente um fenômeno efetivo, uma consequência natural de um arcabouço de gravidade modificada, em vez de um sinal de energia escura instável.

Este trabalho oferece uma alternativa convincente à ideia de que o universo está preenchido por matéria exótica e instável. Ao mostrar que uma simples mudança nas regras da gravidade pode reproduzir o comportamento complexo visto nos dados, os pesquisadores fornecem um caminho a seguir que mantém as leis da física intactas. O modelo sugere que a história da expansão do universo é mais dinâmica do que se pensava anteriormente, não porque a energia que a impulsiona esteja mudando, mas porque a maneira como a gravidade responde a essa energia está evoluindo. As descobertas não provam que esta seja a resposta final, mas demonstram que os sinais estranhos detectados pelo DESI podem ser explicados dentro de uma teoria de gravidade modificada coerente. À medida que mais dados chegam de futuros levantamentos, esta ideia de uma suscetibilidade gravitacional variável será testada ainda mais, potencialmente remodelando nossa compreensão das forças invisíveis que governam o cosmos.