Energia escura: a força por trás de 68% do universo

Cerca de 68% de tudo o que existe é algo que nenhum instrumento detetou alguma vez diretamente: a energia escura. Os cosmólogos atribuem atualmente à matéria escura uma quota de 27% e aos átomos comuns — a matéria de que são feitos as estrelas, os planetas e as pessoas — apenas 5%. Apesar de pesar mais do que tudo o resto junto, a energia escura permaneceu sem nome e despercebida até aos últimos anos do século vinte.

Isso mudou em 1998, quando duas equipas rivais que estudavam estrelas em explosão descobriram que a expansão do universo está a acelerar em vez de abrandar. O resultado foi tão inesperado que levou os físicos a reconsiderar uma ideia que Albert Einstein tinha introduzido, e depois abandonado, décadas antes.

Este artigo percorre o que essas observações mostraram, de que forma a luz mais antiga do universo as confirma, e porque razão explicar a energia escura continua a ser considerado um dos problemas em aberto mais difíceis da física.

A divisão 68/27/5 é a melhor estimativa atual da cosmologia sobre tudo o que existe, e continua a ser refinada à medida que os instrumentos melhoram. Os dados do satélite Planck da Agência Espacial Europeia fixaram a quota da matéria escura em 26,8%, quase um quinto acima do que as estimativas anteriores sugeriam — um sinal de que mesmo os números "assentes" da cosmologia continuam a ser alvos móveis.

O que torna a energia escura estranha é a forma como domina o orçamento cósmico apesar de mal existir. A sua densidade é de cerca de 7×10⁻³⁰ gramas por centímetro cúbico, equivalente a cerca de 6×10⁻¹⁰ joules por metro cúbico de massa-energia — muito abaixo do que a matéria comum ou a matéria escura atingem quando concentradas dentro de uma galáxia. Ela vence a contabilidade não por estar concentrada nalgum lugar, mas simplesmente por estar em todo o lado ao mesmo tempo, pelo que o seu efeito total cresce à medida que o próprio universo cresce.

Muito antes de alguém medir uma aceleração, Einstein já tinha construído a ferramenta matemática que acabaria por a descrever. Acrescentou um termo extra às suas equações gravitacionais especificamente para permitir um universo estático e imutável, que era o pressuposto padrão da sua época. Quando observações posteriores mostraram que o cosmos estava, pelo contrário, a expandir-se, Einstein rejeitou a sua própria correção, chamando-lhe um erro.

Esse termo abandonado ficou praticamente esquecido até que o cosmólogo Michael S. Turner reviveu o conceito com um novo nome. Num artigo escrito com Saul Perlmutter e Martin White em 1998, Turner cunhou o termo "energia escura" para designar a força que estava a impulsionar a aceleração recém-descoberta — reabilitando efetivamente a mesma ideia que Einstein tinha descartado.

O avanço decisivo ocorreu em 1998, quando dois grupos rivais — o Supernova Cosmology Project, de um lado, e o High-Z Supernova Search Team, do outro — usaram de forma independente supernovas distantes do tipo Ia para acompanhar como o ritmo da expansão cósmica mudou ao longo de milhares de milhões de anos.

Estas supernovas em particular são réguas cósmicas fiáveis devido à consistência com que detonam. Ocorrem quando a massa de uma anã branca de carbono-oxigénio se aproxima de cerca de 1,44 massas solares, o limite além do qual a estrela já não consegue sustentar-se. Como esse limite é quase idêntico de estrela para estrela, as explosões resultantes atingem um brilho máximo comparável, o que permitiu às duas equipas usá-las para calcular distâncias. Quando essas distâncias foram comparadas com o desvio para o vermelho da luz, os números só faziam sentido se a própria expansão estivesse a acelerar.

A história da energia escura também passa pela luz mais antiga que os astrónomos conseguem observar. A radiação cósmica de fundo foi descoberta totalmente por acaso em 1965, quando dois investigadores dos Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, andavam à procura da origem de uma interferência de rádio e, em vez disso, depararam-se com um ténue brilho que cobria todo o céu.

Esse brilho é uma imagem instantânea do cosmos de há cerca de 375 000 anos após o seu início, numa altura em que tudo ainda era uma sopa quente e densa de partículas. À medida que o espaço se expandiu desde então, a própria luz esticou-se com ele, arrefecendo até comprimentos de onda de micro-ondas equivalentes a apenas 2,7 graus acima do zero absoluto atualmente. Em 1992, o satélite Cosmic Background Explorer da NASA descobriu que este brilho não é perfeitamente uniforme — apresenta pequenas variações de temperatura em todo o céu, e foi precisamente o mapeamento dessas variações com uma precisão cada vez maior que permitiu aos cosmólogos chegar à atual fórmula 68/27/5.

Saber que a energia escura existe é uma coisa; explicar o que ela realmente é continua a ser muito mais difícil. Uma das ideias principais trata-a como a energia intrínseca do espaço vazio, o vácuo descrito pela teoria quântica de campos. O problema é que, quando os físicos tentam calcular quanta energia esse vácuo deveria conter, o resultado ultrapassa o que é realmente observado em cerca de 120 ordens de grandeza — uma diferença tão enorme que alguns investigadores a consideram o cálculo menos preciso já registado na física. Nenhum ajuste à matemática conseguiu fechar essa diferença, o que explica em grande parte porque a energia escura continua a ser tratada como um assunto por resolver.

Se a energia escura não for real, algo mais tem de explicar a aceleração — e a principal alternativa é que a própria teoria da gravidade de Einstein deixe de funcionar quando as distâncias se tornam suficientemente grandes, permitindo que o espaço se expanda mais depressa do que a gravidade consegue conter. Excluir essa possibilidade demorou décadas, e só se tornou possível quando os astrónomos conseguiram medir diretamente as ondas gravitacionais.

A GW170817, a primeira onda gravitacional confirmada também através de observações não gravitacionais, permitiu aos físicos medir a velocidade da gravidade com precisão suficiente para excluir muitas das teorias de gravidade modificada que tinham sido propostas como alternativas à energia escura.

A história ainda não terminou. A colaboração Dark Energy Spectroscopic Instrument, num relatório divulgado em março de 2025, descobriu que a intensidade da energia escura poderá afinal não ser constante. Combinando os dados de oscilações acústicas de bariões do instrumento com medições da radiação cósmica de fundo, levantamentos de lentes gravitacionais fracas e catálogos de supernovas, a equipa encontrou provas de uma energia escura que evolui ao longo do tempo, com uma confiança estatística situada entre 2,8 e 4,2 sigma, consoante os conjuntos de dados combinados.

Esse resultado é intrigante, mas ainda não está definitivamente assente, o que mantém a verdadeira natureza da energia escura como uma questão em aberto décadas depois de Turner lhe ter dado o nome pela primeira vez.

• NASA: Visão geral do WMAP
• ESA: Planck revela um universo quase perfeito
• Phys.org: A busca para resolver o enigma sobre a teoria de Einstein
• Scientific American: O fim da cosmologia?
• Wikipedia: Energia escura
• Wikipedia: Expansão acelerada do universo
• Wikipedia: Constante cosmológica
• Wikipedia: Supernova de tipo Ia