• Começa Com Um Estrondo

Pergunte ao Ethan nº 52: Há quanto tempo o Universo está acelerando?

Se viéssemos a ser apenas alguns bilhões de anos antes, nunca saberíamos.

Crédito da imagem: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) & Giovanni Anselmi (Coelum Astronomy), Hawaiian Starlight.

Afinal, o ‘Universo’ é uma hipótese, como o átomo, e deve ser permitida a liberdade de ter propriedades e fazer coisas que seriam contraditórias e impossíveis para uma estrutura material finita. – Willem de Sitter

A cada semana, por um ano inteiro, tenho incentivado você a enviar seu perguntas e sugestões , e eu escolhi o meu favorito para torná-lo o assunto da nossa coluna semanal Pergunte ao Ethan. Abordamos tópicos das menores escalas às maiores, do terrestre ao cósmico e do início do universo ao seu destino final. Esta semana, recebi uma pergunta de Hemza Azri , que queria saber o seguinte:

Estou tentando saber se existem novas indicações observacionais sobre a fase acelerada do universo! Quando isso começou?!

Vamos falar sobre o Universo e como ele se expande.

Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.

Foi há menos de 100 anos que aprendemos que essas grandes nebulosas espirais nos céus não eram proto-estrelas se formando em nossa própria galáxia, mas galáxias inteiras em si mesmas, a milhões a bilhões de anos-luz de distância. Quase imediatamente após essa descoberta, no entanto, percebemos que havia uma relação impressionante entre a distância de uma galáxia e a rapidez com que parecia estar se afastando de nós!

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech, via http://scitechdaily.com/measuring-the-expansion-of-universe-a-newly-refined-value-for-the-hubble-constant/ e o Telescópio Espacial Spitzer da NASA.

Embora houvesse apenas algumas soluções exatas conhecidas naquele ponto na Relatividade Geral, uma delas era uma que descrevia muito bem nosso Universo: um Universo em expansão que era uniforme nas maiores escalas. Embora nosso Universo não seja uniforme em escalas de algumas dezenas de milhões de anos-luz, quando começamos a olhar em escalas de dezenas de bilhões de anos-luz, os desvios da uniformidade são muito pequenos. Em média , esta solução — o Métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker — descreve nosso Universo melhor do que qualquer outro.

Crédito da imagem: Science Photo Library / Take 27 Ltd, via http://fineartamerica.com/ .

O que nos diz é que o espaço entre galáxias – ou entre qualquer estrutura que não esteja gravitacionalmente ligada uma à outra ou mutuamente ligada a uma estrutura ainda maior – vai se expandir. Se queremos aprender quão esse espaço vai se expandir, ou seja, a que taxa, precisamos saber duas informações:

1. Qual é a taxa de expansão em qualquer ponto de nossa história cósmica, e
2. Que tipos e proporções de matéria e energia estão presentes em nosso Universo.

É isso! Se pudermos descobrir essas duas informações, podemos descobrir não apenas o destino do nosso Universo, mas qual foi, é e será a taxa de expansão em todos os momentos desde o Big Bang.

Crédito da imagem: Miguel Quartin, Valerio Marra e Luca Amendola, Phys. Rev. D, via http://astrobites.org/2014/01/15/from-nuisance-to-science-gravitational-lensing-of-supernovae/ .

O primeiro é bastante simples e temos várias maneiras diferentes de abordar esse problema. Ao medir a distância de vários objetos em nosso Universo e a rapidez com que eles estão se afastando de nós, podemos descobrir qual é a taxa de expansão hoje . Esse é apenas um ponto, mas é fácil de obter. Embora a taxa em si tenha sido controversa por um longo período de tempo até a década de 1990, estabelecemos definitivamente que é mais ou menos em torno de 67 km/s/Mpc (onde um Mpc é cerca de 3.260.000 anos-luz), com um incerteza de apenas cerca de 2 ou 3 km/s/Mpc.

E o segundo é algo que aprendemos a partir de uma combinação de muitos tipos diferentes de observações, inclusive de objetos muito distantes como supernovas, do fundo cósmico de micro-ondas e de estruturas de grande escala em geral e particularmente de oscilações acústicas de bárions .

Crédito da imagem: Supernova Cosmology Project / Amanullah et al., Ap.J. (2010).

O que chegamos a um entendimento de que nosso Universo consiste aproximadamente na seguinte distribuição de energia:

• Sobre 0,01% na forma de fótons, ou radiação na forma de luz,
• Sobre 4,9% na forma de matéria normal, baseada em próton-nêutron-e-elétron,
• Sobre 27% em todas as formas de matéria escura combinadas, incluindo neutrinos, que compõem cerca de 0,1% do total, sendo o resto de composição desconhecida,
• E o restante 68% ou assim na forma de energia escura, que até o melhor de nossas observações parece ser indistinguível de uma constante cosmológica.

É disso que, até onde sabemos, o Universo é feito.

Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, recuperada via http://www.deepspace.ucsb.edu/planck-2013-cosmology-release-march-21 .

Agora, quando falamos sobre o Universo acelerando , queremos dizer algo muito específico com isso. Não queremos dizer que a taxa de expansão atual – que chega a 67 km/s/Mpc – está ficando mais rápida; não é . O que eu quero que você pense é uma galáxia distante, uma distância arbitrária de nós. Vamos apenas calcular uma distância para obter um número de exemplo: 10 Mpc, para uma taxa de expansão de 670 km/s.

Crédito da imagem: Larry McNish do RASC Calgary Center, via http://calgary.rasc.ca/redshift.htm .

É assim que uma galáxia em particular se afasta de nós. Agora, à medida que o Universo continua a se expandir, ele fica menos denso , e, portanto, a densidade de energia cai. Como a taxa de expansão depende da densidade de energia, ela Além disso gotas. Mas como o Universo está se expandindo ao longo desse tempo, a galáxia que estamos observando está mais longe de nós agora.

Pense no que isso significa: a taxa de expansão é menor no futuro, mas o objeto individual é ainda mais longe . Se quisermos descobrir a velocidade aparente de um objeto à medida que avançamos no tempo, precisamos multiplicar esses dois números, então é uma questão de saber o que está mudando mais rápido : a taxa de expansão está diminuindo em uma porcentagem maior do que o objeto está aumentando sua distância de nós, ou vice-versa?

Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.

Do que isso depende é Qual a porcentagem da densidade de energia do Universo está na forma de matéria e radiação, que se diluem com o tempo, e qual porcentagem está na forma de uma constante cosmológica, o que não acontece! Vamos dar uma olhada em como a matéria, a radiação e a energia escura (a constante cosmológica) mudam ao longo do tempo.

Crédito da imagem: Quantum Stories, recuperada via http://cuentos-cuanticos.com/ .

Neste momento, nosso Universo é dominado pela energia escura e, portanto, a taxa de expansão cai mais devagar do que a distância aumenta: quando a taxa de expansão cair mais 10%, o objeto estará aproximadamente duas vezes tão distante de nós, o que significa que está acelerando. Mas no passado, o Universo tinha uma quantidade muito menor de energia escura (em porcentagem) e uma quantidade muito maior de matéria. Se voltarmos o suficiente, a radiação ultrapassou os dois! Durante a dominação de matéria ou radiação, a taxa de expansão caiu mais rapidamente, e o Universo foi desacelerando . Em nossa idade atual de 13,8 bilhões de anos, é relativamente recentemente que os objetos que se afastam de nós começaram a acelerar ou acelerar!

Crédito da imagem: eu.

Matematicamente, a transição da desaceleração, que é o que o Universo estava fazendo nos primeiros bilhões de anos, para a aceleração, que vem acontecendo nos bilhões mais recentes, ocorre quando a densidade de energia escura atinge um valor que é metade da densidade total da matéria. No momento, acabou Duplo a densidade da matéria, então está acelerando por um tempo, desde que o Universo foi 62% do seu tamanho atual . Com um pouco de matemática (e uma pequena ajuda da astrofísica), podemos calcular quantos anos o Universo tinha quando passou por esse marco, e foi quando o Universo tinha cerca de 7,8 bilhões de anos , ou cerca de 6 bilhões de anos atrás, cerca de 1,5 bilhão de anos antes de nosso Sistema Solar se formar.

se nós condensassemos toda a história cósmica do Universo em um ano civil , o Universo teria começado a acelerar por volta de 27 de julho.

Crédito da imagem: eu. Não mostrado: o marco da aceleração, que teria começado em 27 de julho.

Este número é extremamente sensível a pequenas mudanças em nossos parâmetros de densidade de matéria, densidade de energia escura e taxa de expansão; se esses números mudarem em até 2 ou 3%, o tempo em que a desaceleração terminou e a aceleração começou pode mudar em até um ou até dois bilhões de anos! A energia escura não começa a dominar o conteúdo de energia do Universo por mais 1,9 bilhão de anos (lembre-se, é apenas metade do conteúdo de matéria quando ocorre a transição de desaceleração/aceleração), e leva outros 4,1 bilhões de anos para atingir o valor de hoje, onde é aproximadamente o dobro da matéria valor.

Mas esse é o Universo acelerado em que vivemos, e foi aí que a transição aconteceu! Obrigado por uma ótima pergunta, Hemza, e se você tiver uma ideia para uma boa coluna Pergunte ao Ethan, envie seu dúvidas e sugestões aqui . Começaremos o ano 2 desta série na próxima semana, e mal posso esperar para ver o que você tem reservado para mim!

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