O Universo, com seus bilhões de galáxias, apresenta uma estrutura complexa que intriga os cientistas há décadas. A questão de saber se essa estrutura é fractal, ou seja, semelhante em todas as escalas, continua atual.
O Universo abriga cerca de 2 trilhões de galáxias, organizadas em grupos, aglomerados e superaglomerados. Essas estruturas se estendem por milhões de anos-luz, formando uma teia cósmica complexa. No entanto, essa hierarquia de estruturas não se repete indefinidamente.
Um modelo da teia cósmica, mostrando galáxias luminosas se aglomerando onde os filamentos de gás se encontram.
Imagem: ESA / Springel et al., Virgo Consortium
Benoit Mandelbrot popularizou o conceito de fractais em meados do século XX. Uma fractal é uma estrutura definida por uma fórmula matemática única, mantendo sua forma em todas as escalas. Mandelbrot se perguntou se o Universo poderia ser uma fractal.
As fractais são onipresentes na natureza, desde os galhos de uma árvore até os contornos de um floco de neve. Mandelbrot explorou se o Universo, ao se afastar, revelaria estruturas repetitivas. De fato, observamos uma hierarquia de estruturas em diferentes escalas.
No entanto, essa hierarquia tem um limite. Em uma escala de cerca de 300 milhões de anos-luz, o Universo se torna homogêneo, sem estruturas maiores. Assim, o Universo não é uma fractal, embora algumas partes da teia cósmica apresentem propriedades fractais.
Os halos de matéria escura, que abrigam galáxias e seus aglomerados, formam estruturas aninhadas, com sub-halos e sub-sub-halos. Da mesma forma, os vazios do Universo não são totalmente vazios, contendo algumas galáxias anãs dispostas em uma versão sutil da teia cósmica.
Assim, embora o Universo como um todo não seja uma fractal, as propriedades fractais são onipresentes em suas estruturas complexas. As simulações computacionais revelam sub-vazios contendo suas próprias teias cósmicas, mostrando a riqueza e a complexidade do Universo.
O que é uma fractal?
Uma fractal é uma figura geométrica ou um conjunto natural que possui uma estrutura complexa e detalhada em todas as escalas. O conceito foi popularizado por Benoit Mandelbrot, que mostrou como essas formas aparecem na natureza, desde as costas marítimas até as estruturas das plantas.
As fractais são definidas por fórmulas matemáticas que geram padrões repetitivos. Esses padrões são auto-semelhantes, o que significa que mantêm sua aparência independentemente da escala em que são observados.
No contexto cosmológico, as fractais foram consideradas como um modelo possível para a estrutura do Universo. No entanto, as observações mostram que o Universo se torna homogêneo em grande escala, o que limita a aplicabilidade do modelo fractal ao cosmos como um todo.
E a matéria escura nisso tudo?
A matéria escura desempenha um papel crucial na formação e evolução das estruturas cósmicas. Invisível e sem emitir radiação, ela exerce uma atração gravitacional que molda a distribuição das galáxias e dos aglomerados de galáxias.
Os halos de matéria escura, vastas nuvens dessa substância ainda misteriosa, envolvem galáxias e seus aglomerados. Esses halos contêm subestruturas, como sub-halos, que abrigam galáxias menores.
As simulações computacionais mostram que a matéria escura forma uma teia cósmica complexa, com filamentos e vazios. Essa teia influencia a distribuição da matéria visível, como estrelas e galáxias, e desempenha um papel fundamental na estrutura em grande escala do Universo.
Fonte: Phys.org