Capítulo 13: O mistério da energia escura

Noite 150: Um empurrão suave

No dia 150 da missão, a estação ia subir um pouco mais acima da Terra. Isso se chama reimpulso, e acontece de tempos em tempos. A cerca de 400 quilômetros de altura, quase não há ar, mas também não é que não haja nenhum. Um vestígio muito tênue da atmosfera ainda chega tão alto. A cada segundo, a estação se choca com um número enorme dessas partículas de ar bem espalhadas e, juntas, elas a freiam um tantinho. Ao longo de semanas e meses, a estação vai baixando devagar. Por isso, de vez em quando, os motores dela são acionados para empurrá-la de volta para cima.

Noor achava isso um fato discretamente surpreendente. Mesmo ali, muito acima das nuvens e do clima, a estação não estava totalmente livre do ar da Terra. Sem esses pequenos empurrões, a estação baixaria cada vez mais ao longo dos anos, o ar em volta dela ficaria mais denso e, no fim, ela desceria para o ar espesso lá embaixo. Então o reimpulso é uma espécie de manutenção de rotina, como calibrar os pneus de um veículo ou lubrificar uma porta. Ninguém em terra vê, mas é isso que mantém tudo funcionando.

O reimpulso foi planejado pelas equipes em solo, e os motores eram controlados de lá e pelos computadores da estação. O trabalho da tripulação era se preparar. Noor e Tomás percorreram os módulos e verificaram que nada solto estivesse flutuando num lugar onde pudesse ser empurrado pela pequena mudança de velocidade. As ferramentas foram guardadas. As câmeras foram fixadas. Um experimento que mede movimentos minúsculos foi pausado. Noor apertou as correias de uma bolsa de roupas que vinha querendo arrumar havia dias.

Quando os motores foram acionados, não houve rugido nenhum. Houve só um empurrão suave e constante. Noor estava segurando um corrimão perto da janela e sentiu, através dele, um puxão leve enquanto a estação se movia para a frente à sua volta. Uma caneta que alguém tinha esquecido foi flutuando devagar em direção ao fundo do módulo. Tomás a pegou sem olhar, como pega quase tudo. Depois de vários minutos, os motores pararam, e tudo voltou a flutuar como antes. A estação estava agora um pouco mais alta e ficaria lá em cima por mais tempo.

Alguns minutos depois, uma voz calma do solo confirmou que o reimpulso tinha corrido como planejado. Tomás anotou o horário no registro, e Noor e Ade percorreram de novo os módulos, desfazendo uma a uma as preparações da manhã. O experimento pausado recomeçou. As câmeras foram soltas. Na hora do almoço, a estação estava exatamente como antes, só um pouco mais alta acima das nuvens.

Naquela noite, Noor contou a Sami sobre o reimpulso. Ele trabalha com veículos toda noite e entendeu na hora. “Então é como o caminhão subindo uma ladeira”, escreveu. “Se você tira o pé do acelerador, perde velocidade.” Depois perguntou outra coisa. “O universo também perde velocidade? Se tudo saiu voando depois do Big Bang, ele não deveria estar desacelerando a essa altura?”

Noor sorriu para a tela. Durante a maior parte do século XX, os astrônomos fizeram exatamente a mesma pergunta, e esperavam a mesma resposta. A história desta noite é sobre o que eles encontraram em vez disso. É uma das maiores surpresas da história da astronomia, e continua sendo um mistério.

Esperando a desaceleração

Pense em jogar uma bola direto para cima. Enquanto ela sobe, a gravidade da Terra a puxa, e ela vai mais devagar. Se você a joga de leve, ela desacelera, para e cai de volta na sua mão. Se você conseguisse jogá-la com uma força enorme, ela talvez escapasse da Terra por completo, mas continuaria desacelerando o caminho todo, porque a gravidade nunca para de puxar.

Durante muitos anos, os astrônomos pensaram no universo em expansão de modo parecido. Depois do começo quente, as galáxias vêm se afastando, porque o espaço vem se esticando. Mas toda a matéria do universo puxa toda a outra matéria pela gravidade. Então parecia natural pensar que essa atração iria frear a expansão aos poucos. A única pergunta parecia ser a força desse freio. A expansão desaceleraria tanto que um dia pararia e daria meia-volta? Ou desaceleraria para sempre sem chegar a parar?

A teoria da gravidade de Albert Einstein, que ele concluiu em 1915, permitia vários futuros diferentes para um universo cheio de matéria. Em 1922, Alexander Friedmann calculou algumas dessas possibilidades no papel. Num tipo de universo, a expansão desacelera e depois se inverte, e tudo volta a cair junto. Em outro tipo, a expansão desacelera, mas nunca para. Em qual dos tipos vivemos dependeria de quanta matéria o universo contém. Durante décadas, medir essa quantidade e a desaceleração da expansão foi uma das tarefas centrais da astronomia.

Para responder a isso, os astrônomos precisavam comparar a expansão de agora com a expansão de muito tempo atrás. Lembre-se de que olhar longe é olhar para trás no tempo. Se você consegue medir a velocidade com que galáxias muito distantes se afastavam quando a luz delas partiu e comparar isso com galáxias próximas, consegue ver se a expansão mudou. É um pouco como conferir a velocidade de um veículo numa gravação antiga e compará-la com a velocidade dele hoje.

A parte difícil era medir distâncias até galáxias extremamente distantes. As estrelas pulsantes que Henrietta Leavitt estudou são brilhantes, mas não o bastante para serem vistas nas maiores distâncias. Os astrônomos precisavam de um tipo de lâmpada muito mais brilhante, cujo brilho verdadeiro eles conhecessem. Encontraram-no num tipo especial de estrela que explode.

Estrelas que explodem como lâmpadas de medir

Algumas estrelas que explodem começam como anãs brancas, os restos pequenos e densos de estrelas como o Sol que conhecemos numa noite anterior. Quando uma anã branca tem uma estrela companheira próxima, ela pode ir juntando devagar matéria dessa companheira. Quando fica pesada demais, ela explode de um jeito muito brilhante e bastante regular. Explosões desse tipo chegam quase ao mesmo brilho máximo todas as vezes, e os astrônomos aprenderam a corrigir as pequenas diferenças entre elas. Isso as tornou úteis como lâmpadas de medir que podem ser vistas através de bilhões de anos-luz.

O método é simples de descrever, embora o trabalho seja muito difícil. Se você sabe o quanto uma lâmpada é brilhante de verdade, pode dizer a que distância ela está pelo quanto ela parece fraca. Um poste de luz no fim de uma estrada longa parece fraco não porque seja fraco, mas porque está longe. Do mesmo modo, uma estrela desse tipo que explode e parece fraca deve estar muito distante.

Nos anos 1990, duas equipes separadas de astrônomos se propuseram a usar essas explosões para medir a desaceleração da expansão. O trabalho exigia paciência. Essas explosões são raras numa galáxia qualquer, então as equipes tinham de observar grandes quantidades de galáxias, flagrar as explosões enquanto estavam brilhantes e depois medi-las com cuidado em grandes telescópios. Muitas pessoas trabalharam noites longas, compararam anotações e discutiram cada passo.

Em 1998, as duas equipes relataram o mesmo resultado. As explosões distantes eram mais fracas do que o esperado. Isso queria dizer que elas estavam mais longe do que deveriam estar se a expansão estivesse desacelerando. A melhor explicação era o contrário do que quase todo mundo esperava. A expansão do universo não estava desacelerando. Nos últimos vários bilhões de anos, ela vem acelerando.

O que tornou o resultado tão convincente foi que ele veio de duas equipes separadas. As equipes trabalhavam de forma independente, usavam os seus próprios telescópios e os seus próprios métodos de verificação, e estavam, de um jeito amigável, competindo para chegar primeiro. Se só uma equipe tivesse encontrado a aceleração, outros cientistas poderiam ter suspeitado de um erro no trabalho dela. Quando as duas equipes encontraram a mesma resposta surpreendente, ficou muito mais difícil descartar o resultado. Na ciência, como em muitos lugares de trabalho, um resultado a que dois grupos cuidadosos chegam separadamente vale mais do que um resultado que só um grupo viu.

No começo, muitos cientistas ficaram em dúvida. Será que a poeira estava enfraquecendo a luz? Será que as explosões de muito tempo atrás eram um pouco diferentes? Essas perguntas foram testadas repetidas vezes nos anos seguintes. Outros tipos de medição, inclusive mapas detalhados da luz mais antiga e da maneira como as galáxias estão distribuídas pelo espaço, apontaram desde então na mesma direção. A aceleração da expansão é hoje uma parte amplamente aceita do quadro.

O quadro completo que saiu desse trabalho tem duas partes. Nos primeiros vários bilhões de anos depois do começo quente, a expansão estava de fato desacelerando, exatamente como os astrônomos esperavam, porque a matéria estava mais concentrada e a gravidade dela era forte. Mas, à medida que o espaço se esticava e a matéria ficava mais rarefeita, o freio dela foi enfraquecendo. Há vários bilhões de anos, um empurrão desconhecido, a que vamos dar nome daqui a pouco, ficou mais forte do que o freio da matéria, e a expansão começou a acelerar. Então os astrônomos do século XX não estavam errados sobre a gravidade. Só estava faltando a eles uma segunda parte, inesperada, da história.

Dando um nome ao mistério

Se a expansão está acelerando, alguma coisa deve estar causando isso. Os cientistas não sabem o que é essa coisa. Mesmo assim, deram-lhe um nome: energia escura. Ela se chama “escura” porque não brilha e não pode ser vista diretamente, e “energia” porque parece agir sobre o universo inteiro. Mas o nome é uma etiqueta numa caixa vazia. Ele nos diz que alguma coisa está lá; não nos diz o que é.

Segundo as medições atuais, o conteúdo total do universo pode ser dividido mais ou menos assim. A matéria comum, a que forma as estrelas, os planetas, o gás e as pessoas, é só cerca de 5 por cento. A matéria escura, que conhecemos numa noite anterior, é cerca de 27 por cento. A energia escura é cerca de 68 por cento. Em outras palavras, tudo o que já vimos com os nossos telescópios é só uma pequena parte do que o universo contém. O resto só é conhecido pelos seus efeitos.

Talvez ajude imaginar isso como um orçamento doméstico. Imagine que você analisa os seus gastos de um mês e descobre que só cinco partes em cada cem vão para coisas que você consegue nomear: aluguel, comida, transporte. Cerca de vinte e sete partes vão para algo cujo efeito você sente, mas que não aparece em nenhum recibo. E cerca de sessenta e oito partes vão para algo ainda mais estranho, que parece fazer o orçamento inteiro crescer a cada mês. Você ia querer muito entender esses dois itens escondidos. É nessa situação que os astrônomos estão hoje.

Uma possibilidade é que a energia escura seja uma propriedade do próprio espaço vazio. Se até o espaço completamente vazio tiver uma pequena quantidade de energia, então, à medida que o espaço se estica, há mais espaço vazio, e mais dessa energia. Essa energia empurraria a expansão para a frente. Curiosamente, essa ideia traz de volta um termo que Albert Einstein acrescentou às suas equações em 1917, quando queria descrever um universo parado. Mais tarde, ele abandonou o termo, quando a expansão foi descoberta. Hoje, o mesmo termo volta num papel novo, não para manter o universo parado, mas para descrever a sua aceleração.

Mas essa não é a única possibilidade. Alguns cientistas acham que a energia escura poderia mudar com o tempo. Outros se perguntam se a nossa teoria da gravidade precisa ser modificada quando olhamos para as maiores distâncias. No momento, não há uma resposta aceita por todos. Grandes novos levantamentos do céu estão medindo as posições e as distâncias de quantidades enormes de galáxias, para ver com mais exatidão como a expansão mudou ao longo do tempo. Essas medições talvez mostrem um dia quais ideias estão no caminho certo.

Duas medições que não concordam

Há outra pergunta em aberto, ligada à expansão, em que os astrônomos estão trabalhando hoje. Ela é sobre a velocidade com que o universo está se expandindo neste momento. Há maneiras diferentes de medir isso. Uma é medir as distâncias e as velocidades de galáxias próximas, usando estrelas pulsantes e estrelas que explodem, como no trabalho que descrevemos. Outra é partir do mapa detalhado da luz mais antiga e calcular, usando a nossa melhor teoria do universo, qual deveria ser a velocidade da expansão hoje.

Os dois métodos são cuidadosos, e os dois foram conferidos muitas vezes. Mesmo assim, eles dão respostas um pouco diferentes. A diferença não é enorme, mas é maior do que os erros esperados das medições. É um pouco como dois trabalhadores cuidadosos medindo o mesmo cômodo com duas ferramentas diferentes e obtendo resultados que diferem por uma quantidade pequena, mas teimosa. Cada trabalhador confere a própria ferramenta, e cada ferramenta parece estar em ordem.

Ninguém sabe ainda por que as respostas diferem. Talvez haja um pequeno erro escondido num dos métodos que ninguém encontrou. Talvez falte alguma coisa à nossa teoria do universo, por exemplo, algo sobre a energia escura ou sobre o universo primitivo. Os cientistas estão testando as duas possibilidades com novos telescópios e novos métodos. É um exemplo honesto de como a ciência funciona: quando duas boas medições discordam, os cientistas não escolhem a de que gostam mais. Continuam medindo até entender.

Novos telescópios estão ajudando nessa questão. O Telescópio Espacial James Webb, que vê luz infravermelha, consegue olhar através da poeira e distinguir estrelas pulsantes isoladas em galáxias com mais clareza do que os telescópios anteriores. Os astrônomos estão usando esse e outros telescópios para conferir, passo a passo, as medições das distâncias próximas. Enquanto isso, outras equipes estão aperfeiçoando os cálculos baseados na luz mais antiga. Cada novo resultado é acompanhado de perto, porque uma resposta clara, seja qual for, nos ensinaria algo importante.

Para quem trabalha, há algo de familiar nisso. Muitos de nós já tivemos no trabalho um problema que não ia embora, um número que não batia ou uma máquina que às vezes parava sem motivo claro. A solução muitas vezes vem devagar, de uma verificação paciente. O universo também está sendo compreendido uma verificação paciente de cada vez.

Antes de dormir

Tarde da noite, Noor flutuou até a janela. A estação tinha subido um pouco naquele dia, mas de dentro nada parecia diferente. A Terra girava lá embaixo, e as estrelas brilhavam acima da borda do ar. Em algum lugar além dessas estrelas, galáxias estão se afastando um pouco mais depressa a cada ano, empurradas por algo que ninguém jamais viu.

Ela escreveu para Sami. “Você fez bem em perguntar. Os astrônomos esperavam que o universo estivesse desacelerando, como o seu caminhão subindo a ladeira sem acelerador. Mas, quando mediram, encontraram o contrário. A expansão está acelerando. Eles chamam a causa de energia escura, mas ninguém sabe o que ela é. Então, esta noite, a sua pergunta é uma das maiores perguntas da ciência.”

Antes de dormir, ela pensou em como era estranho trabalhar numa estação que precisa ser empurrada para ficar onde está, dentro de um universo que parece ser empurrado para fora por algo que ninguém entende. A lenta descida da estação e a aceleração do universo foram ambas percebidas do mesmo jeito, por pessoas que olharam com cuidado para os números e viram que algo não se encaixava.

Às três da manhã, Sami leu a mensagem na cabine do caminhão. “Então o universo está com o pé no acelerador”, respondeu ele, “e ninguém sabe de quem é o pé.” Noor leu a resposta quando acordou e achou que não era nada má como descrição.

Talvez seja um consolo saber que nem as pessoas que estudam o universo a vida profissional inteira têm todas as respostas. Se alguma coisa na sua própria vida ainda não está clara esta noite, você está em muito boa companhia. Algumas perguntas são respondidas depressa. Outras precisam de paciência, de trabalho cuidadoso e de tempo.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que a energia escura e a matéria escura são a mesma coisa, porque as duas têm “escura” no nome. Na verdade, elas são muito diferentes. A matéria escura puxa as coisas umas para as outras. A gravidade dela mantém as galáxias e os aglomerados de galáxias unidos e ajudou a formá-los. A energia escura parece fazer o contrário: ela empurra a expansão do universo para que fique mais rápida. As duas são chamadas de “escuras” porque não podemos vê-las diretamente, e as duas ainda não são compreendidas. Mas são dois mistérios separados.

Muita gente também pensa que a energia escura é um tipo de energia que poderíamos recolher e usar, como a energia de uma bateria ou da luz do Sol. Por causa do nome, parece ser isso. Mas a energia escura, seja lá o que for, está espalhada de modo extremamente rarefeito pelo espaço. No espaço de um cômodo, ou mesmo da Terra inteira, quase não haveria nada dela. O efeito dela só se torna importante nas enormes distâncias entre grupos de galáxias. Ela não é uma fonte de energia para máquinas, e ninguém sabe como poderia ser usada, nem mesmo em princípio.

Por fim, algumas pessoas acham que os cientistas já sabem como o universo vai acabar, por exemplo, que ele vai se despedaçar, congelar ou desabar sobre si mesmo. Talvez você já tenha lido ideias assim apresentadas como fatos. A verdade é que o futuro distante depende da natureza da energia escura, e ainda não conhecemos essa natureza. Se ela continuar como parece ser agora, a expansão vai continuar acelerando, e as galáxias distantes vão sair devagar do nosso campo de visão. Mas, se a energia escura mudar, o futuro pode ser diferente. Na próxima noite, durante um turno de vigia tranquilo, vamos até as próprias bordas do que sabemos e perguntar o que existe além delas.