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Testing cosmic acceleration from thermogravity without vacuum energy

Este artigo apresenta um teste observacional de nível de fundo de uma teoria termogravitacional onde a aceleração cósmica surge da não conservação de energia em vez de uma constante cosmológica, constatando que, embora um modelo que restringe a não conservação à matéria escura fria melhore o ajuste aos dados de distância em comparação com $\Lambda$ CDM, ele exacerba a tensão de Hubble ao reduzir o valor inferido de $H_0$ .

Autores originais: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Publicado 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autores originais: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

O universo está em expansão e, durante décadas, a principal explicação para essa aceleração tem sido uma força misteriosa chamada energia escura, frequentemente modelada como uma constante cosmológica. Este conceito sugere que o próprio espaço vazio possui uma energia inerente que afasta as galáxias. No entanto, esta ideia enfrenta um problema teórico profundo: cálculos da energia esperada do espaço vazio preveem um valor vastamente maior do que o que realmente observamos. Além disso, medições recentes da taxa de expansão do universo revelaram desacordos persistentes entre o que vemos no cosmos primordial e o que medimos no universo próximo. Essas tensões levaram os físicos a questionar se o modelo padrão de cosmologia está omitindo algo fundamental, talvez uma falha na forma como entendemos a gravidade ou como a energia se comporta nas maiores escalas.

Um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Sheffield e do Imperial College London explora uma alternativa radical ao modelo padrão. Em vez de assumir que o espaço vazio empurra o universo para longe, eles investigam uma teoria onde a gravidade e a termodinâmica estão profundamente ligadas. Neste arcabouço, as equações que descrevem a gravidade são modificadas para que a energia do vácuo do espaço vazio não contribua para a gravidade de forma alguma. Mais importante ainda, a teoria permite uma violação controlada da lei de conservação de energia. Na visão padrão, a energia não pode ser criada ou destruída, mas neste modelo de termogravidade, o universo pode gerar densidade de energia ao longo do tempo sem criar momento. Os pesquisadores fizeram uma pergunta simples: se o universo pode criar energia por conta própria, poderia esse processo, sozinho, impulsionar a aceleração observada, eliminando totalmente a necessidade de uma constante cosmológica?

Para responder a isso, a equipe testou duas versões desta teoria contra dados astronômicos reais. A primeira versão, chamada de modelo universal, assumiu que essa criação de energia acontece para todas as formas de matéria e luz igualmente. Quando compararam este modelo com observações de supernovas distantes e a estrutura em grande escala do universo, os resultados foram drásticos. O modelo universal falhou em se ajustar aos dados. Ele criou um compromisso rígido: para corresponder à taxa de expansão vista no meio da história do universo, o modelo tinha que prever uma aceleração atual que era fraca demais para corresponder ao que vemos hoje. Os dados desfavoreceram fortemente essa ideia, mostrando que uma simples criação universal de energia não pode explicar o cosmos como o observamos.

Os pesquisadores então se voltaram para uma versão mais matizada da teoria, onde essa criação de energia é restrita apenas à matéria escura fria, a substância invisível que mantém as galáxias unidas. Neste cenário, a matéria comum, a luz e os neutrinos comportam-se exatamente como no modelo padrão, enquanto apenas o setor da matéria escura ganha energia ao longo do tempo. Esta abordagem provou ser muito mais bem-sucedida. Quando testado contra os mesmos dados astronômicos, este modelo forneceu um ajuste melhor do que o modelo padrão da constante cosmológica. A melhoria foi estatisticamente significativa, com os dados favorecendo esta nova explicação sobre a antiga por uma margem que sugere uma preferência genuína pela teoria. O modelo funciona ao desacelerar ligeiramente a taxa de expansão no passado em relação ao modelo padrão, o que se alinha melhor com as distâncias medidas até galáxias distantes.

No entanto, a história não termina com uma vitória simples para a nova teoria. Embora a versão de apenas matéria escura se ajuste melhor à história da expansão, ela não resolve outro grande enigma que assola a cosmologia: a tensão de Hubble. Esta tensão surge porque as medições da taxa de expansão do universo vindas do universo primordial discordam das medições do universo próximo. Quando os pesquisadores usaram dados do universo primordial para calibrar seu modelo, o resultado foi que a taxa de expansão prevista para hoje caiu ainda mais, tornando o desacordo com as medições próximas pior, em vez de melhor. A nova teoria descreve com sucesso como o universo se expande, mas ainda não resolve o conflito entre diferentes formas de medir essa expansão.

O estudo conclui que, embora uma criação universal de energia provavelmente não seja a resposta, uma versão onde apenas a matéria escura participa deste processo permanece uma possibilidade viável e convincente. Ela oferece uma alternativa concreta e testável ao modelo padrão que melhora nossa descrição da história cósmica sem adicionar parâmetros extras. Os pesquisadores enfatizam que este é apenas um primeiro passo, focando no plano de fundo suave e em grande escala do universo. O verdadeiro teste virá quando os cientistas puderem aplicar esta teoria às estruturas irregulares e flutuantes do cosmos, como o fundo cósmico de micro-ondas e o crescimento de aglomerados de galáxias. Até lá, a ideia de que a matéria escura pode estar ganhando energia lentamente do próprio tecido do espaço-tempo permanece como um forte candidato na busca para entender por que o universo está acelerando.

Resumo Técnico: Testando a Aceleração Cósmica a partir da Termogravidade sem Energia de Vácuo

Enunciado do Problema
O modelo padrão $\Lambda$ CDM descreve o Universo observado com sucesso, mas depende da constante cosmológica $\Lambda$ , cuja origem física permanece obscura (o antigo problema da constante cosmológica) e que não é observada para gravitar com a magnitude natural de seu campo quântico. Além disso, existem tensões persistentes entre sondagens do Universo inicial e do Universo tardio, particularmente em relação ao parâmetro de Hubble $H_0$ e à amplitude da estrutura em tempos tardios. Este artigo investiga um arcabouço alternativo onde a aceleração tardia é gerada não por um setor de energia escura ou energia de vácuo, mas por violações controladas da conservação do tensor energia-momento decorrentes de uma teoria de "termogravidade". Neste arcabouço, as equações de Einstein são restritas à sua forma livre de traço, tornando a energia de vácuo gravitacionalmente inativa, enquanto a não-conservação de energia impede a reinstituição de $\Lambda$ como uma constante de integração. A questão central é se tal não-conservação pode, isoladamente, impulsionar a aceleração cósmica sem introduzir parâmetros de fundo adicionais em relação ao $\Lambda$ CDM plano.

Metodologia
Os autores analisam duas implementações específicas da teoria de termogravidade derivada da Ref. [18], focando exclusivamente no nível do fundo homogêneo para evitar as complexidades das perturbações em uma teoria com quebra de invariância de Lorentz local e de difeomorfismo.

Modelo Universal: Neste benchmark minimalista, todas as espécies de matéria (bárons, fótons, CDM) participam da não-conservação de energia. A violação é governada por uma escala de comprimento $L^2$ . Os autores observam que uma violação universal modifica o próprio "dicionário observacional" (por exemplo, definições de redshift, distância de luminosidade e réguas padrão), tornando difícil uma análise de fundo autoconsistente. Consequentemente, eles testam este modelo usando distâncias padrão de Supernovas do Tipo Ia (SNe) e medições de Oscilações Acústicas de Bárions (BAO) não calibradas, reconhecendo que a exclusão deste modelo sob suposições padrão não pode excluir a teoria de forma mais ampla.
Modelo Apenas-CDM ( $\xi$ CDM): Para alcançar uma análise autocontida, os autores restringem a violação da não-conservação apenas ao setor da Matéria Esca Fria (CDM). Bárions, fótons e neutrinos seguem leis de conservação padrão. Isso preserva o significado operacional padrão dos redshifts de SNe, luminosidades, restrições de Nucleossíntese Primordial (BBN) e a régua de BAO no nível do fundo. O modelo é tratado como uma extensão de um parâmetro do $\Lambda$ CDM, onde o parâmetro $\xi_c \equiv 1/(H_0 L^2)$ quantifica a força da criação de energia do CDM.

A análise emprega métodos de Monte Carlo via Cadeias de Markov (MCMC) usando o amostrador Cobaya. Os conjuntos de dados incluem:

SNe Ia: Amostras DES Ano 5 (DD) e Pantheon+ (PP).
BAO: Medições DESI DR2 (não calibradas e calibradas).
Âncoras do Universo Inicial: Restrições de BBN sobre a densidade bariônica ( $\omega_b$ ) e likelihoods comprimidos do CMB (Planck 2018) para o ângulo da escala de som $\theta_s$ .
Escada de Distâncias: Restrições de $H_0$ de SH0ES e $H_0$ DN.

Para o modelo $\xi$ CDM, os autores introduzem uma densidade de CDM "efetiva" ( $\omega_c^{\text{eff}}$ ) para calibrar corretamente o horizonte de som ( $r_{\text{drag}}$ ) e a época de recombinação, contabilizando o fato de que a densidade de CDM no passado difere da evolução padrão $a^{-3}$ .

Contribuições Principais e Resultados

Modelo Universal: A implementação universal é fortemente desfavorecida pelos dados de fundo. Embora os dados de SNe possam ser acomodados, a inclusão das medições de BAO do DESI piora drasticamente o ajuste ( $\Delta\chi^2 \simeq 51$ em relação ao $\Lambda$ CDM). O modelo exibe uma rigidez intrínseca: aumentar a densidade de matéria $\Omega_m$ para corresponder à normalização de BAO em redshift intermediário aumenta simultaneamente o parâmetro de desaceleração atual ( $q_0 = -1 + 3\Omega_m/2$ ), enfraquecendo assim a aceleração atual exigida pelas SNe de baixo redshift. Os autores alertam que esta exclusão aplica-se à aplicação padrão do dicionário observacional a uma teoria universal, não necessariamente excluindo o arcabouço da termogravidade em si, pois o dicionário exigiria uma rederivação em um cenário totalmente universal.
Modelo $\xi$ CDM: O modelo apenas-CDM fornece um ajuste sistematicamente melhorado aos conjuntos de dados de fundo considerados.
- Qualidade do Ajuste: Ele alcança uma redução em $\chi^2$ de $\Delta\chi^2 = -4.85$ (aprox. $2.2\sigma$ ) em relação ao $\Lambda$ CDM para certas combinações de conjuntos de dados (ex: DD+DESI).
- Evidência Bayesiana: O modelo mostra uma preferência Bayesiana positiva, com um máximo de $\ln B = 2.77$ (aprox. $2.9\sigma$ ) para a combinação DD+DESI.
- Mecanismo: A melhoria decorre do fato de que a não-conservação suprime a taxa de expansão $H(z)$ no passado em relação ao $\Lambda$ CDM, permitindo um melhor ajuste à relação distância-redshift observada.
- Tensão de Hubble: Crucialmente, o modelo não resolve a tensão de Hubble. Quando a régua de BAO é calibrada usando informações do universo inicial (BBN ou CMB), a redução da densidade efetiva de CDM no passado aumenta o horizonte de som ( $r_{\text{drag}}$ ). Como as distâncias não calibradas restringem rigidamente o produto $r_{\text{drag}}h$ , isso força $H_0$ para valores mais baixos, aumentando a tensão com as calibrações da escada de distâncias (ex: SH0ES).

Significância e Alegações
O artigo afirma apresentar o primeiro teste observacional em nível de fundo do cenário de termogravidade proposto na Ref. [18]. Sua principal significância reside em distinguir a viabilidade de diferentes implementações da teoria:

Benchmark Formal: O modelo universal serve como um benchmark formal. Sua forte desfavorabilidade sob suposições padrão destaca a tensão entre a criação universal de matéria e a expansão observada, mas os autores enfatizam que isso não é uma exclusão física completa da termogravidade universal, pois a teoria alteraria fundamentalmente os observáveis usados para testá-la.
Alternativa Viável: A implementação apenas-CDM ( $\xi$ CDM) é identificada como um alvo viável, autocontido e competitivo para análises futuras. Ela oferece um mecanismo concreto para melhorar o ajuste aos dados de expansão de fundo sem adicionar parâmetros extras além do $\Lambda$ CDM.
Limitações: Os autores declaram explicitamente que estes resultados são provisórios. A análise é restrita ao fundo homogêneo porque a quebra da invariância de Lorentz local torna a escolha de um referencial fisicamente relevante para as perturbações. Uma avaliação definitiva requer um tratamento perturbativo dedicado do CMB, lensing fraco e crescimento de estrutura, o que é adiado para trabalhos futuros.

Em conclusão, o artigo demonstra que, embora uma aplicação padrão da termogravidade seja inconsistente com os dados de fundo atuais, restringir a não-conservação de energia apenas ao setor escuro fornece uma extensão fenomenologicamente bem-sucedida do $\Lambda$ CDM que melhora o ajuste aos dados de história de expansão, embora falhe em aliviar a tensão de $H_0$ .

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