Essa galáxia grande e de aparência confusa é tão difusa que os astrônomos a chamam de galáxia

Os únicos grandes problemas da cosmologia são equívocos fabricados

Matéria escura, energia escura, inflação e Big Bang são reais, e todas as alternativas fracassam espetacularmente.

Se você acompanha as últimas notícias científicas, provavelmente está familiarizado com um grande número de controvérsias sobre a natureza do próprio Universo. A matéria escura, que supera a matéria atômica normal em uma proporção de 5 para 1, pode ser desnecessária e substituída por uma modificação em nossa lei da gravidade. A energia escura, que representa dois terços do Universo, é responsável pela expansão acelerada do espaço, mas a taxa de expansão em si nem sequer é acordada. E a inflação cósmica foi recentemente ridicularizada por alguns como não-científica, pois alguns de seus detratores afirmam que podem prever qualquer coisa e, portanto, não prevê nada.

Se você juntar todos eles, como o filósofo Bjørn Ekeberg fez em seu artigo recente para a Scientific American, você pode pensar que a cosmologia estava em crise. Mas se você é um cientista escrupuloso, exatamente o oposto é verdadeiro. Aqui está o porquê.

Se você olhar cada vez mais longe, também olhará cada vez mais para o passado. Quanto mais cedo você vai, mais quente e denso, além de menos evoluído, o Universo acaba sendo. Os primeiros sinais podem até nos dizer potencialmente sobre o que aconteceu antes dos momentos do quente Big Bang. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

A ciência é mais do que apenas uma coleção de fatos, embora certamente confie no conjunto completo de dados e informações que coletamos sobre o mundo natural. A ciência também é um processo, no qual as teorias e estruturas predominantes são confrontadas com o maior número possível de testes possíveis, buscando validar ou refutar as previsões conseqüentes de nossas idéias de maior sucesso.

É aqui que estão as fronteiras da ciência: nos limites da validade de nossas principais teorias. Fazemos previsões, as testamos experimentalmente e observacionalmente e depois restringimos, revisamos ou estendemos nossas idéias para acomodar qualquer nova informação que obtivemos. O sonho final de muitos é revolucionar a maneira como concebemos nosso mundo e substituir nossas teorias atuais por algo ainda mais bem-sucedido e profundo.

Muito antes de os dados do BOOMERanG voltarem, a medição do espectro do CMB, do COBE, demonstrou que o brilho restante do Big Bang era um corpo negro perfeito. Uma possível explicação alternativa possível foi a luz refletida nas estrelas, como previa o modelo de quase-estado estacionário, mas a diferença na intensidade espectral entre o que foi previsto e observado mostrou que essa alternativa não poderia explicar o que foi visto. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas não é uma tarefa tão fácil reproduzir os sucessos de nossas principais teorias científicas, muito menos ir além de suas limitações atuais. As pessoas apaixonadas por idéias que conflitam com observações robustas tiveram momentos notoriamente difíceis de deixar de lado suas conclusões preferidas. Esse tem sido um tema recorrente ao longo da história da ciência e inclui:

  • Fred Hoyle se recusando a aceitar o Big Bang por quase 40 anos após a descoberta do Antecedentes Cosmic Microondas,
  • Halton Arp insistindo que os quasares não são objetos distantes, apesar de décadas de dados demonstrando que seus desvios para o vermelho não são quantizados,
  • Hannes Alfven e seus seguidores posteriores insistindo que a gravitação não domina o Universo em grandes escalas, e que os plasmas determinam a estrutura em grande escala do Universo, mesmo depois de inúmeras observações refutarem a idéia.

Embora a própria ciência possa ser imparcial, os cientistas não são. Podemos ser vítimas dos mesmos vieses cognitivos que qualquer outra pessoa pode. Depois de escolhermos nossas conclusões preferidas, freqüentemente nos enganamos com a prática falaciosa do raciocínio motivado.

Diagrama esquemático da história do Universo, destacando a reionização. Antes da formação de estrelas ou galáxias, o Universo estava cheio de átomos neutros, bloqueadores de luz. Embora a maior parte do Universo não seja reionizada até 550 milhões de anos depois, com as primeiras grandes ondas ocorrendo por volta de 250 milhões de anos, algumas estrelas afortunadas podem formar apenas de 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang, e com o ferramentas certas, podemos revelar as galáxias mais antigas. (SG DJORGOVSKI ET AL., CENTRO DE MÍDIA CALTECH DIGITAL)

É daí que surgiu o famoso aforismo de que "a física avança um funeral de cada vez". Essa noção foi originalmente apresentada por Max Planck com a seguinte declaração:

Uma nova verdade científica não triunfa convencendo seus oponentes e fazendo-os ver a luz, mas sim porque seus oponentes acabam morrendo e uma nova geração cresce familiarizada com ela.

O grande problema que muitos não cientistas (e até mesmo alguns cientistas) nunca perceberão é o seguinte: você sempre pode contorcer suas idéias teóricas para forçá-las a serem viáveis ​​e consistentes com o que foi observado. É por isso que a chave, para qualquer teoria, é fazer previsões robustas antes do tempo: antes que a observação ou medição crítica seja realizada. Dessa forma, você pode ter certeza de que está testando sua teoria, em vez de mexer nos parâmetros após o fato.

De acordo com a hipótese da luz cansada, o número de fótons por segundo que recebemos de cada objeto cai proporcionalmente ao quadrado de sua distância, enquanto o número de objetos que vemos aumenta como o quadrado da distância. Os objetos devem ser mais vermelhos, mas devem emitir um número constante de fótons por segundo em função da distância. Em um universo em expansão, no entanto, recebemos menos fótons por segundo à medida que o tempo passa, porque eles precisam percorrer distâncias maiores à medida que o Universo se expande, e a energia também é reduzida pelo desvio para o vermelho. Mesmo a fatoração na evolução da galáxia resulta em um brilho superficial variável que é mais fraco a grandes distâncias, consistente com o que vemos (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO STIGMATELLA AURANTIACA)

Como se vê, é exatamente assim que acabamos com o principal modelo cosmológico que temos hoje, em praticamente todos os aspectos.

A noção do universo em expansão foi teoricamente prevista por Alexander Friedmann em 1922, quando ele derivou o que chamei de equação mais importante no universo. As observações de Vesto Slipher, Edwin Hubble e Milton Humason confirmaram isso apenas alguns anos depois, levando à noção moderna do universo em expansão.

De acordo com as observações originais de Penzias e Wilson, o plano galáctico emitiu algumas fontes astrofísicas de radiação (centro), enquanto um fundo quase perfeito e uniforme de radiação existia acima e abaixo desse plano. A temperatura e o espectro dessa radiação já foram medidos e o acordo com as previsões do Big Bang é extraordinário. (EQUIPE DE CIÊNCIA DA NASA / WMAP)

Muitas explicações concorrentes para a origem do Universo surgiram, com o Big Bang tendo quatro pilares explícitos:

  1. o universo em expansão,
  2. as abundâncias previstas dos elementos leves, criados durante o estágio quente, denso e inicial do Big Bang,
  3. um brilho remanescente de fótons apenas alguns graus acima do zero absoluto,
  4. e a formação de estruturas em larga escala, com estruturas que devem evoluir à distância.

Todos os quatro já foram observados, com os três últimos ocorridos após a proposta do Big Bang. Em particular, a descoberta do brilho restante dos fótons em meados da década de 1960 foi o ponto de inflexão. Como nenhuma outra estrutura pode dar conta dessas quatro observações, agora não há alternativas viáveis ​​para o Big Bang.

As flutuações no CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em larga escala e as observações modernas das lentes gravitacionais, entre muitas outras, apontam para a mesma imagem: um universo em aceleração, contendo e cheio de matéria escura e energia escura. As alternativas que oferecem previsões observáveis ​​diferentes também devem ser consideradas, mas comparadas com o conjunto completo de evidências observacionais existentes. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Com um universo em expansão e resfriamento que começou a partir de um estado quente, denso, cheio de matéria e radiação, todos governados pela Relatividade Geral de Einstein, há várias possibilidades de como o Universo poderia ter se desdobrado, mas não é um infinito número. Existem relações entre o que há no Universo e como sua taxa de expansão evolui, e isso restringe tremendamente o que é possível.

Esta é a única afirmação inequivocamente correta na peça de Ekeberg.

Depois de aceitar o Big Bang e um Universo governado pela Relatividade Geral, há um enorme conjunto de evidências que apontam para a existência de matéria escura e energia escura. Este também não é um conjunto novo, mas que vem montando desde os anos 1970. O principal concorrente da energia escura caiu cerca de 15 anos atrás, deixando apenas um universo com matéria escura e energia escura como uma cosmologia viável para explicar todo o conjunto de evidências.

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, o CMB e o BAO (que são uma característica da estrutura de larga escala do Universo). Observe que, mesmo sem as supernovas, precisaríamos de energia escura, e que apenas 1/6 da matéria encontrada pode ser matéria normal; o resto deve ser matéria escura. (PROJETO SUPERNOVA COSMOLOGY, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Essa é a chave que geralmente é esquecida: você precisa examinar todo o conjunto de evidências para avaliar o sucesso ou o fracasso de sua teoria ou estrutura. Claro, você sempre pode encontrar observações individuais que dificultam a explicação da sua teoria, mas isso não significa que você pode substituí-la por algo que explique com êxito essa observação.

Você tem que dar conta de tudo, além da nova observação, além de novos fenômenos que ainda não foram observados.

Esse é o problema de todas as alternativas. Todas as alternativas ao Universo em expansão, ao Big Bang, à matéria escura, à energia escura ou à inflação, nem sequer respondem pelo que já foi observado, muito menos pelo resto. É por isso que praticamente todo cientista que trabalha considera essas alternativas propostas como mero sandbox, em vez de um sério desafio ao consenso popular.

A galáxia anã Carina, muito semelhante em tamanho, distribuição estelar e morfologia à galáxia anã Draco, exibe um perfil gravitacional muito diferente de Draco. Isso pode ser explicado de maneira clara com a matéria escura, se puder ser aquecida pela formação de estrelas, mas não pela gravidade modificada. (ESO / G. BONO & CTIO)

De fato, existem galáxias por aí sem matéria escura, mas isso é previsto pela teoria. De fato, quase uma década atrás, um contrarian proeminente notou a falta de galáxias sem matéria escura e alegou que falsificava o modelo de matéria escura. Quando essas galáxias sem matéria escura foram descobertas, o mesmo cientista afirmou imediatamente que era consistente com a gravidade modificada. Mas apenas a matéria escura explica todo o conjunto de evidências sobre o Universo.

Existe, de fato, uma discrepância entre dois conjuntos diferentes de grupos que tentam medir a taxa de expansão do Universo. A diferença é de 9% e pode representar um erro fundamental na técnica de um grupo. Mais excitante, pode ser um sinal de que a energia escura ou algum outro aspecto do Universo seja mais complexo do que nossas suposições ingênuas. Mas a energia escura ainda é necessária de qualquer maneira; a única "crise" é fabricada artificialmente.

Um gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) é consistente com um Universo que se expandiu mais rapidamente no passado, mas onde galáxias distantes estão acelerando sua recessão hoje. Esta é uma versão moderna, estendendo-se milhares de vezes mais que o trabalho original do Hubble. Observe o fato de que os pontos não formam uma linha reta, indicando a alteração da taxa de expansão ao longo do tempo. O fato de o Universo seguir a curva que faz é indicativo da presença e do domínio tardio da energia escura. (NED WRIGHT, COM BASE NOS ÚLTIMOS DADOS DE BETOULE ET AL. (2014))

Finalmente, há a inflação cósmica, a fase do Universo que ocorreu antes do quente Big Bang, estabelecendo as condições iniciais em que nosso Universo nasceu. Embora muitas vezes seja ridicularizada por muitos, a inflação nunca teve a intenção de ser a resposta final e definitiva, mas como uma estrutura para resolver quebra-cabeças que o Big Bang não pode explicar e fazer novas previsões descrevendo o Universo primitivo.

Nessas contas, é espetacularmente bem-sucedido. Inflação:

  1. reproduz com sucesso todas as previsões do Big Bang quente,
  2. resolve os enigmas do horizonte, do nivelamento e dos monopólos que atormentavam o Big Bang não inflacionário,
  3. e fez seis predições novas que eram distintas das do estilo antigo do Big Bang, com pelo menos quatro delas agora confirmadas.
As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em larga escala do Universo atual, bem como às flutuações de temperatura observadas no CMB. Essas novas previsões são essenciais para demonstrar a validade de um mecanismo de ajuste fino. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA / PLANCK E DA FORÇA DE TAREFA DE INTERAGÊNCIA DOE / NASA / NSF SOBRE PESQUISA DA CMB)

Dizer que a cosmologia tem alguns quebra-cabeças interessantes é convincente; Dizer que tem grandes problemas não é algo com o qual a maioria dos cosmólogos concordaria. Ekeberg discute o Big Bang inflacionário com matéria escura e energia escura da seguinte forma:

Essa história bem conhecida é geralmente tomada como um fato científico auto-evidente, apesar da relativa falta de evidência empírica - e apesar de uma colheita constante de discrepâncias que surgem com as observações do universo distante.

Argumentar que há uma falta de evidência empírica para isso compreende completamente o que é a ciência ou como ela funciona, em geral e especificamente neste campo em particular, onde os dados são abundantes e de alta qualidade. Apontar para "uma colheita constante de discrepâncias" é uma leitura enganosa - e eu diria deliberadamente - das evidências usadas por Ekeberg para promover uma agenda anti-ciência solipsista, filosoficamente vazia.

Muitas galáxias próximas, incluindo todas as galáxias do grupo local (principalmente agrupadas na extrema esquerda), exibem uma relação entre sua dispersão de massa e velocidade que indica a presença de matéria escura. NGC 1052-DF2 é a primeira galáxia conhecida que parece ser feita apenas de matéria normal. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Devemos sempre estar cientes das limitações e suposições inerentes a qualquer hipótese científica que apresentamos. Toda teoria tem um intervalo de validade estabelecido e um intervalo em que estendemos nossas previsões além das fronteiras conhecidas. Uma teoria é tão boa quanto as previsões verificáveis ​​que pode fazer; empurrar para um novo território observacional ou experimental é onde devemos procurar, se alguma vez esperamos substituir o nosso entendimento atual.

Mas não devemos esquecer ou jogar fora os sucessos existentes da Relatividade Geral, o Universo em expansão, o Big Bang, a matéria escura, a energia escura ou a inflação. Ir além de nossas teorias atuais inclui - como um requisito obrigatório - abranger e reproduzir seus triunfos. Até que uma alternativa robusta possa atingir esse limiar, todos os pronunciamentos de “grandes problemas” com o paradigma predominante devem ser tratados pelo que são: diatribes ideologicamente orientadas sem o mérito científico necessário para apoiá-los.

Começa com um estrondo agora está na Forbes e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon. Ethan é autor de dois livros, Beyond The Galaxy, e Treknology: The Science of Star Trek, de Tricorders a Warp Drive.