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Pergunte a Ethan #49: As incógnitas cósmicas lançam dúvidas sobre o Big Bang?

Não conhecemos a natureza da matéria escura ou da energia escura: 95% do nosso Universo. Isso significa que o Big Bang está em dúvida?

Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003 — 2014 Conjecture Corporation, via http://www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.

Sempre que você tem infinitos em uma teoria, é aí que a teoria falha como descrição da natureza. E se o espaço nasceu no Big Bang, mas é infinito agora, somos forçados a acreditar que é instantaneamente, infinitamente grande. Parece absurdo. – Janna Levin

É uma maravilha, de certa forma, que com tudo o que sabemos, através de todas as nossas investigações, ainda nos deparamos com perguntas que simplesmente não podemos responder. A cada semana, você faz o possível para me enganar em nossa coluna semanal Pergunte ao Ethan, enviando seu perguntas e sugestões , sabendo que vou escolher o meu favorito para abordar. A entrada desta semana vem de jlnance, que pergunta:

Os cientistas estão bastante confiantes de que entendem a evolução do universo até os instantes anteriores ao big bang. Eles também estão confiantes de que o universo é composto em grande parte de matéria escura, cuja composição é desconhecida, e sua dinâmica é dominada pela energia escura, que também não é bem compreendida (é uma nova força?)

Como é possível extrapolar de volta para o big bang, quando tão pouco da matéria e da força do universo é compreendido?

Este é um ponto importante que vale a pena considerar sempre que adquirimos novos conhecimentos: é a nossa velho maneira de pensar ainda é válida? Vamos descobrir.

Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Podemos começar nos lembrando de onde surgiu a ideia do Big Bang. Houve alguns eventos importantes que aconteceram historicamente, estabelecendo as bases para o entendimento que viemos a desenvolver, e são os seguintes:

Crédito da imagem: Christopher Vitale de Networkologies e Pratt Institute.

A Relatividade Geral — uma nova teoria da gravidade — foi desenvolvida e teve suas novas previsões confirmadas. Originalmente projetado para resolver o problema da precessão orbital de Mercúrio ao redor do Sol, ele também previu uma série de fenômenos que já foram confirmados, incluindo a deflexão da luz estelar distante por massas intermediárias, desvios gravitacionais para o vermelho, um atraso de tempo devido a efeitos gravitacionais, o decaimento orbital de massas muito próximas umas das outras e muito mais.

Crédito da imagem: Observatórios Carnegie, via https://obs.carnegiescience.edu/PAST/m31var , da descoberta original do Hubble da primeira estrela variável na galáxia de Andrômeda, 1923.

Galáxias foram determinadas como objetos fora nossa própria Via Láctea. Originalmente pensado para ser nebulosa, regiões de formação de estrelas a apenas alguns milhares ou dezenas de milhares de anos-luz de distância, a combinação de velocidades observadas muito grandes (o que as tornaria gravitacionalmente não vinculado da nossa Via Láctea) e, mais tarde, a identificação de estrelas individuais dentro delas nos ensinou que elas devem estar a muitos milhões de anos-luz de distância.

Crédito da imagem: Wendy Freedman, NASA, Carnegie Institution of Washington e o projeto-chave HST.

As galáxias no Universo - descobertas como distribuídas de maneira uniforme em todas as direções e em todas as distâncias - foram determinadas como se expandindo para longe de nós. Ao combinar os dados de redshift, de quão rápido essas galáxias estavam se afastando de nós, com os dados de distância, que pudemos obter a partir de observações de estrelas dentro de cada galáxia, deu origem à Lei de Hubble, que estabeleceu que no geral , quanto mais distante uma galáxia estivesse de nós, mais rápido poderíamos esperar encontrá-la se afastando de nós.

Crédito da imagem: Davis e Lineweaver, 2000, via http://arxiv.org/abs/astro-ph/0011070 .

Quando combinado com as soluções viáveis ​​para a Relatividade Geral, isso levou não para um Universo onde todas as galáxias estavam se afastando de nós, como uma explosão centrada em nossa localização, mas para um Universo que estava se expandindo, com novos espaços sendo constantemente criados entre as galáxias, forçando-as a se separar. Para aqueles que estão se perguntando sobre os aspectos mais técnicos disso, todo Espaços-tempos isotrópicos e homogêneos (isto é, soluções para GR que são aproximadamente as mesmas em todos os locais do espaço e em todas as direções) devem ter espaço em expansão ou em contração.

Crédito da imagem: Take 27 LTD / Science Photo Library (principal); Chaisson & McMillan (inserção).

Um possível consequência disso, embora não seja o só possibilidade com base no que afirmamos até agora, é que o Universo era mais denso e mais quente no passado, e isso esfriará e se tornará mais esparso com o passar do tempo. Esta ideia, veja bem, é o Big Bang . O que isso implica é que o Universo está se expandindo hoje – que a luz é mais significativamente desviada para o vermelho quanto mais longe você olha – Porque o Universo era mais quente, mais denso e mais jovem no passado.

Os comprimentos de onda da luz eram mais curtos e, portanto, o Universo era mais energético naquela época. Além disso, matéria e radiação estavam mais próximas e, portanto, as colisões naquela época não apenas causavam um impacto maior, mas aconteciam com mais frequência. Se isso fosse verdade, haveria algumas consequências tremendas para o nosso Universo por causa dessa ideia.

Crédito da imagem: Andrey Kravtsov, University of Chicago, Center for Cosmological Physics, via http://cosmicweb.uchicago.edu/filaments.html .

1.) O Universo era mais uniforme espacialmente no passado . Como a gravitação é uma força descontrolada - quanto mais massa você juntar, maior será a força de atração em qualquer região em particular - isso significa que o Universo é agora mesmo mais grumoso do que em qualquer momento antes. Mas isso também significa que houve um tempo em que não havia superaglomerados de galáxias, quando não havia galáxias e até, se voltarmos cedo o suficiente, onde não havia estrelas individuais. Isso significa que não só haveria apenas minúsculo diferenças de densidade entre as regiões mais densas e as menos densas do Universo quando era mais jovem, mas que todos os elementos mais pesados ​​que foram criados nas estrelas não teriam existido em um passado distante.

Crédito da imagem: Instituto de Astronomia / Universidade Nacional Tsing Hua, via http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga2/ch28-03.htm .

2.) Era uma vez tão quente que os átomos neutros não podiam se formar . Se você permitir que as colisões entre fótons e átomos sejam frequentes e energéticas o suficiente, você vai expulsar os elétrons de qualquer átomo neutro. Se extrapolarmos cedo o suficiente – para quando o Universo era quente e denso o suficiente – teria sido impossível formar algum átomos neutros sem que eles sejam imediatamente ionizados por outro fóton. E finalmente,

Crédito da imagem: eu, modificado de Lawrence Berkeley Labs.

3.) Já foi tão quente que não conseguimos nem formar núcleos atômicos . Mesmo que as forças que unem os núcleos sejam muitas ordens de magnitude mais fortes do que as forças que unem os átomos - por um fator de cerca de um milhão - não há nada que impeça o Universo de ser arbitrariamente mais quente e mais denso no passado. Se isso for verdade, então houve um tempo em que o Universo era apenas um mar de prótons, nêutrons e elétrons, e resfriado através de um estágio em que os prótons e nêutrons poderiam se fundir sem serem destruídos. Isso deve resultar na fusão e formação de quantidades específicas dos elementos e isótopos mais leves – deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7 – mas não muito mais. Essa quantidade e proporção devem ser dependentes unicamente na proporção de bárions (prótons e nêutrons) para fótons presentes no Universo.

Se você tem matéria normal (prótons, nêutrons e elétrons) em seu Universo junto com radiação, e se o Big Bang estiver correto, veremos evidências de todas essas três coisas. Em particular, haverá um brilho remanescente de radiação dos primeiros estágios do Universo: quase perfeitamente isotrópico e homogêneo, e apenas alguns graus acima do zero absoluto.

Crédito da imagem: NASA, da Antena Holmdel Horn usada para descobrir originalmente o CMB na década de 1960. Através da http://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2003-00013.html .

Haverá também nuvens de gás lá fora que são intocadas: nunca tendo formado estrelas desde o Big Bang, e devemos ser capazes de detectar as quantidades desses oligoelementos e isótopos desses estágios iniciais.

Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.

E, finalmente, devemos ver flutuações naquele brilho remanescente do Big Bang, mas essas flutuações devem ser minúsculo em magnitude.

Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.

Além disso, devemos ver evolução na estrutura e composição química do Universo, com regiões mais antigas e mais próximas consistindo em maior aglomeração e maior densidade de elementos mais pesados.

O Big Bang não seria aceito se não víssemos todas essas coisas, e nós fazemos . Nenhuma outra teoria ou modelo prevê essas coisas ou pode rivalizar com o Big Bang por esse tipo de sucesso.

Crédito da imagem: ESA e colaboração Planck (principal), usuário da NASA / wikimedia commons 老陳 (inserção).

Mas a questão original ainda permanece: o Big Bang não previu matéria escura ou energia escura. Isso representa uma dificuldade?

Tudo isso - toda a história que descrevi acima - seria verdade independentemente do que mais está realmente em seu universo . As únicas coisas que mudam devido à matéria escura e à energia escura são as seguintes:

Crédito de imagem: Eisenstein & Hu, 1998.

A matéria escura afeta as sutilezas da formação da estrutura. Em particular, porque se aglomera como a matéria, mas não interage por meio de colisões com ela mesma, matéria normal ou radiação, altera quantitativamente a magnitude e o número de pequenas galáxias, grandes galáxias e como funciona seu agrupamento. Também afeta o espectro de flutuações que remontam ao fundo cósmico de micro-ondas.

Crédito da imagem: Wayne Hu / University of Chicago, via http://background.uchicago.edu/~whu/intermediate/driving2.html .

Mas mesmo com cinco vezes mais matéria escura do que matéria normal, o resto da história permanece inalterado.

A energia escura, por outro lado, só afeta a taxa de expansão cósmica nos últimos tempos. Embora houvesse evidências de matéria escura desde 1933, não é de admirar que as pessoas não tenham começado a considerar seriamente um Universo com energia escura até a década de 1990: você precisa ter medidas muito precisas de indicadores de distância no Universo indo para cerca de dez bilhões de anos-luz até mesmo começar a ver seus impactos.

Crédito da imagem:Descanso, A. et ai. arXiv: 1310.3828 [astro-ph.CO], via http://inspirehep.net/record/1258661/plots .

Portanto, embora a matéria escura e a energia escura constituam enormes frações do conteúdo de energia do nosso Universo – matéria escura em cerca de 26% e energia escura em torno de 69% – elas não representam nenhuma dificuldade para o Big Bang.

Em princípio, o Universo poderia ter incluído qualquer um ou todos os itens a seguir (classificados da pressão positiva mais alta para a pressão negativa mais baixa):

• radiação na forma de partículas sem massa (por exemplo, fótons),
• neutrinos,
• matéria normal (por exemplo, prótons, nêutrons e elétrons),
• matéria escura,
• defeitos topológicos de partículas pontuais (por exemplo, monopolos magnéticos),
• cordas cósmicas,
• curvatura espacial intrínseca,
• paredes de domínio,
• texturas cósmicas,
• uma constante cosmológica,
• e/ou energia escura que viola a condição de energia fraca, levando a uma Grande Rasgo destino para o nosso Universo!

Temos radiação, neutrinos e matéria normal; sabemos disso há quase um século. Mas de todas as outras coisas? Parece que temos matéria escura e uma constante cosmológica como nosso especial forma de energia escura e é isso .

Se você olhar para isso da perspectiva de bem, o Big Bang não previu isso, você pode ficar irritado, mas o Big Bang não é a resposta final para o Universo, é apenas papel da história!

Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); pesadas modificações por mim.

Sempre há mais para aprender, e assim a inflação cósmica, a matéria escura e a energia escura não representam um problema para o Big Bang, eles simplesmente nos mostram quais são os limites do Big Bang, tanto quanto nos ensinam a história completa sobre o nosso Universo. .

Obrigado por um ótimo Ask Ethan, e se você tiver dúvidas ou sugestões para mim, envie-os; a próxima coluna pode ser sua!

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