Um dos maiores enigmas da cosmologia, a taxa de expansão do universo, instiga constantemente a comunidade científica. Essa taxa, prevista pelo modelo padrão de cosmologia conhecido como Lambda-cold dark matter (ΛCDM), baseia-se na observação da luz remanescente do Big Bang – o chamado fundo cósmico de micro-ondas (CMB).

Galáxias afastam-se umas das outras devido à expansão do universo, e quanto mais distantes, mais rápido se movem. A relação entre a velocidade e a distância de uma galáxia é definida pela 'constante de Hubble', que é de aproximadamente 70 km por segundo por Megaparsec. Isto implica que uma galáxia acelera cerca de 50.000 milhas por hora para cada milhão de anos-luz de distância de nós.

No entanto, o valor previsto pelo modelo padrão foi recentemente contestado, gerando o que os cientistas chamam de 'tensão de Hubble'. Medidas da taxa de expansão utilizando galáxias próximas e supernovas indicam ser 10% maior do que a prevista pelo CMB. Em nosso novo estudo, apresentamos uma explicação possível: vivemos em um enorme vazio no espaço, uma região de densidade abaixo da média. Propomos que isso poderia inflar as medições locais por meio de fluxos de matéria saindo do vazio, causados quando regiões mais densas ao redor do vazio o despedaçam, exercendo uma atração gravitacional maior que a matéria de menor densidade interna ao vazio.

Para sustentar essa hipótese, consideramos estar próximos ao centro de um vazio com cerca de um bilhão de anos-luz de raio e densidade 20% inferior à média do universo. Um vazio tão grande e profundo é inesperado no modelo padrão e, portanto, controverso, pois o CMB sugere uma distribuição mais uniforme da matéria no universo atual. No entanto, ao contar diretamente o número de galáxias em diferentes regiões, os dados sugerem que estamos em um vazio local.

Para testar ainda mais essa ideia, nosso modelo não incorporou o ΛCDM, mas uma teoria alternativa chamada Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), originalmente proposta para explicar anomalias nas velocidades de rotação das galáxias, levando à sugestão da existência da 'matéria escura'. O MOND sugere que as anomalias podem ser explicadas por uma falha na lei da gravidade de Newton quando a força gravitacional é muito fraca.

Observações recentes de galáxias permitiram um novo teste crucial do nosso modelo, baseado na velocidade prevista em diferentes locais. Isso é medido pelo 'fluxo em bloco', a velocidade média da matéria em uma esfera, que varia com o raio da esfera. Observações indicam que o fluxo em bloco em uma escala de um bilhão de anos-luz tem uma velocidade quádrupla à esperada pelo modelo padrão e parece aumentar com o tamanho da região considerada, o oposto do previsto pelo modelo padrão. A probabilidade de isso ser consistente com o modelo padrão é inferior a uma em um milhão.

Nossos resultados surgem em um momento em que soluções populares para a tensão de Hubble enfrentam dificuldades. Alguns acreditam que precisamos de medidas mais precisas, enquanto outros pensam que pode ser resolvido assumindo que a alta taxa de expansão que medimos localmente é a correta, o que exigiria uma pequena alteração na história de expansão do universo primitivo para que o CMB ainda pareça correto.

No entanto, uma revisão influente destaca sete problemas com essa abordagem, incluindo a contradição com as idades das estrelas mais antigas, se o universo tivesse expandido 10% mais rápido durante a maior parte de sua história. A existência de um vazio local profundo e extenso nas contagens de galáxias e os rápidos fluxos em bloco observados sugerem fortemente que a estrutura cresce mais rápido do que o esperado no ΛCDM em escalas de dezenas a centenas de milhões de anos-luz.

A formação precoce e a alta massa e velocidade de colisão do aglomerado de galáxias El Gordo também são evidências de que a estrutura se forma muito lentamente no modelo padrão. Dado que a gravidade é a força dominante em tais escalas, é provável que precisemos estender a teoria da gravidade de Einstein, a Relatividade Geral, mas apenas em escalas maiores que um milhão de anos-luz.

Não temos como medir o comportamento da gravidade em escalas muito maiores, já que não há objetos gravitacionalmente ligados tão imensos. Podemos supor que a Relatividade Geral permanece válida e comparar com observações, mas é exatamente essa abordagem que leva às tensões severas enfrentadas pelo nosso melhor modelo de cosmologia atualmente.

Einstein teria dito que não podemos resolver problemas com o mesmo pensamento que os criou. Mesmo que as mudanças necessárias não sejam drásticas, podemos estar testemunhando as primeiras evidências confiáveis em mais de um século de que precisamos mudar nossa teoria da gravidade.

Indranil Banik, Pós-Doutorado em Astrofísica, Universidade de St Andrews

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.