Expansão acelerada do Universo

Em 1927-29, Edwin Hubble (1889-1953) e Georges Lemaitre (1894-1966) observaram que o Universo estava se expandindo. Todas as galáxias estão se afastando de nós e as galáxias distantes estão se afastando de nós mais rapidamente do que as galáxias próximas. Esta observação significa que o espaço está crescendo. Tudo acontece como se o Universo crescesse por dentro!
Isso é suficiente para dizer que nosso Universo está se expandindo porque se fossem as galáxias que estivessem se movendo, não poderíamos explicar essa observação.
A expansão do Universo é, portanto, um fenômeno bastante perturbador, porque as galáxias, sem se moverem, se afastam umas das outras e não há contradição nessa observação. Desde a década de 1990, as observações mostraram de forma convincente que a expansão do universo está se acelerando, em vez de desacelerar como seria de esperar devido à atração gravitacional entre as galáxias. Dados coletados de vários métodos observacionais, incluindo supernovas, raios cósmicos e oscilações acústicas bariônicas (BAO), confirmaram essa descoberta. Até conhecemos a velocidade de expansão acelerada que é de 72 km/s/Mpc. A relatividade geral prevê que a expansão deve desacelerar com o tempo porque a matéria tende a desacelerar a expansão. O que significa que no passado a velocidade deve ter sido mais rápida do que hoje. Outra estranheza é que essa velocidade medida ao longo do tempo não corresponde às previsões. A velocidade de expansão aumenta com o tempo. Ela era menor no passado do que é hoje. Mais precisamente, durante os primeiros 8 bilhões de anos da evolução do Universo, a velocidade de expansão diminui com o tempo conforme o esperado e, de repente, acelera.
Então, o que está impulsionando essa aceleração que começou há 5 bilhões de anos?
Os cientistas por mais de 20 anos desenvolveram muitas teorias. No entanto, apesar das muitas teorias que tentam explicar essa estranheza, ainda não sabemos qual é o fenômeno responsável pela expansão acelerada do Universo. As teorias são classificadas em duas categorias diferentes, as da energia escura e as da gravidade modificada.
A principal hipótese para explicar essa aceleração é a existência de energia escura. Ao contrário da matéria comum, esta forma de energia não deve ser diluída em um volume crescente ao longo do tempo, mas deve permanecer distribuída uniformemente por todo o universo. Quando o Universo cresce, a quantidade de energia escura também deve crescer proporcionalmente. Quando a quantidade de energia escura cresce, o universo cresce e, portanto, há mais energia escura. Este ciclo força o Universo a se expandir cada vez mais rápido!

Uma das hipóteses mais populares é que a energia escura é simplesmente uma constante cosmológica, uma forma de energia cuja densidade permanece constante ao longo do tempo e em todo o universo. A energia escura representa quase 70% de toda a densidade de energia no universo. Isso é muito, mas mexendo na constante cosmológica, ou seja, dando-lhe o valor certo, podemos obter um Universo que começa a acelerar nos primeiros 8 bilhões de anos após o Big Bang. No entanto, isso não é satisfatório. A natureza da energia escura ainda é amplamente desconhecida. Nas categorias que explicam a energia escura encontramos as teorias de Gauss-Bonnet, Brans-Dicke, Einstein-Aether, Biggravidade, Cascading gravity, The Fab Four, Galileon, Massive gravity, Randall-Sundrum, etc.
Outra hipótese é que a aceleração da expansão do universo pode ser explicada por uma modificação da gravidade em escala muito grande. Essa teoria propõe que a gravidade não segue exatamente as leis de Newton em escalas muito grandes e que isso pode explicar a aceleração da expansão do universo.
De fato, a relatividade geral foi enormemente testada e validada, mas nunca em uma escala muito grande, a de todo o Universo. Nesta categoria de gravitação modificada encontramos as teorias de quintessência, K-essência, energia escura fantasma, quintessência acoplada, constante cosmológica, gás de Chaplygin, etc.
Em última análise, ainda não conhecemos a verdadeira natureza da energia escura e a expansão acelerada do universo. Os físicos estão tentando testar esses dois paradigmas capazes de explicar as observações, o da energia escura e o da gravitação modificada. Isso eliminaria um grupo de teorias. As missões Euclides ou SKA ajudarão a decidir entre esses dois grupos de teorias.
A professora Camille Bonvin, professora da Universidade de Genebra, desenvolveu um método para testar esses dois paradigmas. Consiste em comparar a distorção do tempo com a distorção do espaço, gerada pelas galáxias e aglomerados presentes no Universo. A relatividade geral de Einstein prevê que essas duas distorções são iguais, ao contrário das teorias alternativas da gravidade em que, geralmente, essas distorções diferem.
Testar a validade, no limite do Universo, da teoria de Einstein é, sem dúvida, um dos grandes desafios da cosmologia de amanhã.