A nossa compreensão sobre a origem, evolução e organização em grande escala do Universo sofreu mudanças revolucionárias no último século, impulsionadas por observações cada vez mais precisas e avanços teóricos. A cosmologia, outrora uma área meramente especulativa, desenvolveu-se numa disciplina rica em dados, graças às medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, aos levantamentos de galáxias e aos detectores mais avançados. Esta abundância de dados não só ilumina o Universo primordial – quando as flutuações quânticas se estenderam a escalas astronómicas – como também revela como se formaram filamentos, aglomerados e vazios, que constituem a enorme “teia cósmica” que observamos hoje.
No tema 10: Cosmologia e estrutura em grande escala do Universo analisamos os principais pilares da investigação cosmológica moderna:
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Inflação cósmica: teoria e evidências
A inflação do Universo primordial propõe que, durante a primeira fração minúscula de segundo, ocorreu uma expansão exponencial extremamente rápida, resolvendo os problemas do horizonte e da planura. Esta deixou marcas nas flutuações de densidade, posteriormente registadas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM) e na estrutura em grande escala. Os dados atuais sobre as anisotropias e polarização da RCFM apoiam fortemente este cenário, embora a física detalhada da inflação (e o mecanismo exato) ainda estejam a ser ativamente investigados. -
Estrutura detalhada da radiação cósmica de fundo em micro-ondas
A RCFM é o eco da radiação quente do Universo primordial, codificando pequenas variações de temperatura e polarização que refletem perturbações de densidade cerca de 380 000 anos após o Big Bang. Mapas como os do Planck e WMAP revelam os embriões das galáxias e aglomerados, bem como parâmetros cosmológicos precisos, como a densidade da matéria, a constante de Hubble e restrições à curvatura do Universo. -
Teia cósmica: filamentos, vazios e superaglomerados
A gravidade, atuando sobre a matéria escura e os bárions desde as flutuações iniciais, formou a “teia cósmica”, onde galáxias se agrupam ao longo de enormes filamentos que rodeiam vazios, formando superaglomerados. Simulações N-corpos de matéria escura e gás, comparadas com estudos de deslocamento, mostram como a estrutura se formou hierarquicamente ao longo de bilhões de anos – halos menores fundindo-se em estruturas maiores. -
Oscilações acústicas bariônicas
Na plasma quente primordial, ondas sonoras (oscilações acústicas) propagaram-se através do fluido de fotões e bárions até à recombinação, deixando uma escala característica na distribuição da matéria. Estas BAO funcionam agora como uma “régua padrão” nas funções de correlação das galáxias, permitindo medir com precisão a expansão e geometria cósmica, complementando os métodos das supernovas. -
Estudos de deslocamento para o vermelho e mapeamento do Universo
Desde os primeiros levantamentos CfA até iniciativas modernas como SDSS, DESI ou 2dF, os astrónomos registaram milhões de galáxias, construindo uma reconstrução tridimensional da teia cósmica. Estes estudos fornecem conhecimento sobre os fluxos em grande escala, a taxa de expansão, a amplitude das aglomerações e o impacto da energia escura no Universo ao longo do tempo. -
Lente gravitacional: telescópio cósmico natural
Aglomerados massivos de galáxias ou estruturas cósmicas distorcem a propagação da luz de fundo, criando imagens múltiplas ou amplificando o brilho – um telescópio natural da natureza. Para além das impressionantes imagens astrofísicas, a lente permite medir com precisão a massa total (incluindo matéria escura), avaliar a distribuição de massa dos aglomerados, calibrar distâncias e estudar a energia escura através do efeito de lente fraca. -
Medição da constante de Hubble: tensão
Uma das questões mais recentes da cosmologia é a discrepância entre as medições “locais” da constante de Hubble (usando escadas de distância, como estrelas Cefeidas e supernovas) e os métodos “globais” (análises ΛCDM baseadas em dados da RCFM). Esta chamada tensão de Hubble gerou debates sobre possível nova física, erros sistemáticos ou fenómenos ainda desconhecidos no Universo primordial ou tardio. -
Revisões da energia escura
Projetos especializados como o Dark Energy Survey (DES), Euclid e o Telescópio Espacial Roman observam supernovas, aglomerados de galáxias e sinais de lente para melhor compreender a equação de estado e evolução da energia escura. Estas observações testam se a energia escura é uma constante cosmológica simples (w = -1) ou um campo dinâmico com w variável. -
Anisotropias e não homogeneidades
Desde as anisotropias de temperatura na RCFM até às não homogeneidades locais na distribuição das galáxias – estes fenómenos são extremamente importantes. Não só confirmam a inflação cósmica, como mostram como a matéria escura e os bárions, sob a ação da gravidade, se acumulam formando o ambiente em grande escala do Universo que vemos hoje. -
Discussões atuais e questões em aberto
Embora o modelo ΛCDM funcione bem em muitos aspetos, ainda existem questões em aberto: detalhes da inflação, natureza das partículas de matéria escura, possíveis teorias alternativas da gravidade para explicar a aceleração cósmica, resolução da tensão de Hubble e topologia mais profunda do Universo. Estas questões impulsionam o desenvolvimento teórico contínuo e novos projetos de observação.
Ao rever estes temas principais – inflação, estrutura da RCFM, teia cósmica, BAO, estudos de deslocamento, lente gravitacional, observações da energia escura e questões em aberto – este tema revela o magnífico retrato da estrutura em grande escala do Universo: como se formou a partir da época inflacionária primordial, evoluiu sob a influência da matéria escura e energia escura, e continua a apresentar mistérios por resolver, aguardando respostas.