Pergunte ao Ethan nº 53: Qual é o Big Rip?
O mais assustador de todos os destinos possíveis resulta na destruição final de tudo o que já foi ou será.
Crédito da imagem: Boren-Simon 2.8–8 ED POWERNEWT Astrograph Image Gallery.
Por que as pessoas têm que ser tão solitárias? Qual é o sentido disso tudo? Milhões de pessoas neste mundo, todas ansiando, esperando que os outros as satisfaçam, mas se isolando. Por quê? A terra foi colocada aqui apenas para nutrir a solidão humana? – Haruki Murakami
Existe um vasto Universo lá fora, estendendo-se por centenas de bilhões de anos-luz e contendo no mínimo cerca de um trilhão de galáxias. Na verdade, o Universo – indo muito além da parte que é observável para nós – pode muito bem ser infinito. Mas o que vai acontecer com tudo isso no futuro? Você enviou uma série de grandes perguntas e sugestões esta semana, mas esta edição do Ask Ethan tem a honra de ir para Jeff Harris, que pergunta:
Há muito tempo, li um artigo do New York Times sobre algo que eles chamavam de Big Rip. Eles apontaram que uma expansão acelerada do universo acabaria levando as galáxias a serem imperceptíveis umas às outras, então as estrelas seriam imperceptíveis umas às outras, e então os átomos seriam incapazes de se formar, e a matéria “evaporaria”. Dadas as estimativas atuais da taxa de aceleração, isso é possível? Quais seriam os principais pontos de referência observáveis desse processo do 'Big Rip' e a que distância no futuro do nosso ponto de origem temporal atual cada um desses efeitos observáveis ocorreria?
Se você está interessado no destino do Universo, você vai querer voltar ao Big Bang e ver como o Universo avançou para onde estamos hoje.
Crédito da imagem: Scientific American, via http://www.sciam.com/ .
De volta aos estágios iniciais, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, nosso Universo era quente, denso, quase perfeitamente uniforme e se expandindo muito, muito rapidamente. Ao mesmo tempo, como o Universo é tão massivo, temos a força de atração gravitacional trabalhando para desacelerar essa expansão, neutralizá-la e – se possível – eventualmente revertê-la. Se pode ou não deve depender só em três coisas: a taxa de expansão inicial, a quantidade total de matéria e energia no Universo e que tipos de energia estão presentes (e em que proporções) em nosso Universo.
Por muito tempo, pensamos que haveria três destinos possíveis para o Universo:
- Um destino onde havia matéria e energia suficientes para superar a expansão inicial, desacelerando-a, fazendo-a parar em alguma escala máxima e reverter. O Universo entraria em colapso e terminaria em um Big Crunch.
- Um destino onde há não era matéria e energia suficientes, e onde a expansão continuou para sempre no futuro. A gravidade seria suficiente para diminuir essa taxa continuamente, mas sempre permaneceria positiva, e as galáxias distantes continuariam a se afastar cada vez mais para sempre.
- O caso certo equilibrado entre os dois acima, onde mais um próton no Universo faria com que ele voltasse a entrar em colapso, mas simplesmente não o temos. Neste caso, a taxa de expansão do Universo assíntota para zero, mas nunca reverte.
Claro, o atual Universo não faz nenhuma dessas três coisas.
Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.
Ele se expandiu e desacelerou por um longo tempo, à medida que a matéria e a radiação se diluíam, e então... cerca de seis bilhões de anos atrás - a taxa na qual as galáxias distantes estavam se afastando de nós parou de diminuir, e o universo começou a acelerar . Essa aceleração continuou até os dias atuais e não mostra sinais de diminuir.
Mesmo que as densidades de matéria e radiação continuem a cair, a aceleração contínua nos diz que há uma nova forma de energia além desses tipos mais comuns: algo que chamamos de energia escura.
Crédito da imagem: Supernova Cosmology Project / Amanullah et al., Ap.J. (2010).
A energia escura se mostra em uma série de observações diferentes, incluindo estrutura em grande escala, o fundo cósmico de micro-ondas e em observações de objetos muito distantes, como explosões de raios gama, quasares e supernovas do tipo Ia. Medimos isso com muita precisão nos últimos anos, e na última década passou de incertezas de cerca de 100% a 50% a 30% a 12% e finalmente agora caiu para cerca de 8%.
No melhor de nossas limitações atuais, vemos que a energia escura é consistente em ser uma constante cosmológica, o que significa que sua densidade de energia permanece constante ao longo do tempo.
Crédito da imagem: Quantum Stories, recuperada via http://cuentos-cuanticos.com/ .
Não precisa ser exatamente uma constante. Teoricamente, o melhor e mais convincente argumento (ou seja, com menos suposições e menos parâmetros livres) seria que a energia escura fosse uma constante cosmológica, e é isso que os dados favorecem. De todas as possibilidades, uma constante cosmológica seria o resultado menos surpreendente.
Mas há outras possibilidades: a energia escura pode ser quase uma constante, tendo decaído de algo maior no passado e ainda decaindo ainda mais hoje, embora lentamente. Se este fosse o caso, o fenômeno da aceleração acabaria por decair também, deixando-nos com um Universo que parou de se expandir completamente.
Também é concebível que a energia escura possa se reverter, passando de uma constante cosmológica positiva para uma negativa, resultando afinal em um Big Crunch.
Mas há mais uma possibilidade a considerar - e é isso que Jeff quer que consideremos - que a energia escura realmente mais forte com o passar do tempo. Esta é a possibilidade que resulta no Big Rip.
Crédito da imagem: Dark Energy Task Force / LSST, via http://www.lsst.org/lsst/science/scientist_dark_energy . A energia escura como constante é w_a = 0, w_0 = -1, enquanto w_0 sendo mais negativo do que -1 é a possibilidade de que a energia escura fique mais forte com o passar do tempo.
Se a energia escura fosse uma constante, isso significaria que um objeto que está a cerca de 10 milhões de anos-luz de nós agora deveria estar se afastando de nós a uma taxa de cerca de 150 a 200 km/s. Com o tempo, está a 20 milhões de anos-luz de distância, no entanto, estará se movendo a 300 km/s. Quando estiver a 100 milhões de anos-luz de distância, estará recuando a 1.500 km/s, quando estiver a 1 bilhão de anos-luz de distância, 15.000 km/s e a 20 bilhões de anos-luz de distância, parecerá retroceder de nós na velocidade da luz, ou 300.000 km/s!
O fato de que nosso Universo já está acelerando e que há objetos se afastando mais rápido do que 300.000 km/s de nós agora significa que 97% do Universo observável para nós - todas as estrelas, galáxias e planetas mais distantes do que essa velocidade de recessão - são para sempre inacessíveis para nós. Mesmo que entrássemos em uma nave espacial hoje com uma quantidade infinita de energia à nossa disposição, nunca poderíamos chegar a esses destinos distantes.
Crédito da imagem: NASA, ESA, J. Blakeslee, M. Postman e G. Miley / STScI, Advanced Camera for Surveys do Hubble.
Se a energia escura é só uma constante, do que coisas como nosso Sistema Solar, nossa galáxia e até mesmo nosso grupo local de galáxias – consistindo da Via Láctea, Andrômeda, a Galáxia do Triângulo, as Nuvens de Magalhães e algumas dúzias de pequenas galáxias anãs – permanecerão gravitacionalmente unidas por trilhões e trilhões de anos no futuro. Mas se a energia escura é aumentando , ou ficando mais forte ao longo do tempo, então essa taxa de aceleração não apenas afastará galáxias distantes de nós, mas fará com que essas estruturas se tornem gravitacionalmente não vinculado com o passar do tempo!
Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay e R. van der Marei (STScI); T. Hallas e A. Mellinger.
Se a densidade de energia da energia escura aumentasse para cerca de dez vezes o que é hoje, seria suficiente para impedir que a Via Láctea se fundisse com Andrômeda e, em vez disso, afastaria nossa galáxia vizinha de nós, como todas as outras galáxias distantes do planeta. Universo. Também desapareceria a Galáxia do Triângulo e a maioria das outras também.
Aumente a densidade de energia da energia escura para cerca de cem vezes seu valor atual, e as estrelas nos arredores da Via Láctea começariam a voar para fora de nossa galáxia, já que a expansão métrica do espaço superaria a atração gravitacional de toda a matéria em nossa vizinhança local. Obtenha até duzentas ou trezentas vezes seu valor atual, e nosso Sol se juntará a essas estrelas externas ao se separar de nossa galáxia.
Crédito da imagem: ESA/Hubble e NASA, da galáxia PGC 6240.
E se a densidade de energia da energia escura continuasse a aumentar, o que aconteceria com nosso Sistema Solar? Eventualmente, os próprios planetas se libertariam do nosso Sol, com a Terra sendo lançada fora de órbita quando a energia escura atingir uma densidade – você está pronto? - do 100 bilhões de vezes seu valor presente. Finalmente, os humanos seriam separados da atração gravitacional da Terra, células, moléculas, átomos e núcleos individuais seriam dilacerados, à medida que a densidade de energia escura continuasse a aumentar a uma quantidade infinita. Presumivelmente, até mesmo o próprio espaço-tempo seria dilacerado no final.
Crédito da imagem: Wallpaper Scenic Reflections, via http://www.scenicreflections.com/media/200801/The_Big_Rip_Jigsaw_Wallpaper/ .
Um destino horrível, sem dúvida. Isso foi apresentado pela primeira vez em um artigo em 2003 por Robert Caldwell, Marc Kamionkowski e Nevin Weinberg , e a forma como funcionava era muito simples. Você vê, todas as formas de densidade de energia no Universo têm uma pressão associada a elas, e essa pressão (com algumas conversões de unidades) pode ser expressa como uma fração da densidade de energia. A poeira imóvel tem uma pressão de zero, a radiação tem uma pressão que é 1/3 de sua densidade de energia e as constantes cosmológicas têm uma pressão igual à negativo da densidade de energia.
Na física, chamamos essa constante que sai na frente - +1/3 para radiação, 0 para matéria, -1 para constante cosmológica - o parâmetro Dentro , e se refere a ele como um equação de estado . As pessoas que cunharam o termo Big Rip originalmente consideravam w = -1,5 , e descobriu que o Universo terminaria em 22 bilhões de anos nesse cenário. Quase todos os eventos descritos acima ocorrem muito perto do fim, pois a densidade de energia escura teria que aumentar muito lentamente por um longo tempo, apenas atingindo o infinito no final do Universo.
Crédito da imagem: New Scientist, 2003, via http://www.newscientist.com/article/dn3461-phantom-menace-may-rip-up-cosmos.html .
Para o melhor de nossas medições, podemos agora afirmar que w = -1,0 , com uma incerteza de cerca de ± 0,08, empurrando qualquer cenário de Big Rip para pelo menos 80 bilhões de anos a partir do presente. Se você quiser calcular o tempo de vida restante no Universo para algum equação de estado, você pode colocar a seguinte fórmula e certifique-se de converter suas unidades adequadamente:
Crédito da imagem: página Big Rip da Wikipedia, via http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Rip .
Apesar Faz ser avisado que, até onde sabemos, w = -1 , exatamente, e se for esse o caso, não haverá Big Rip sempre. E é aí que eu colocaria meu dinheiro se fosse um apostador, embora seja importante lembrar que isso é ciência, e não descartamos nenhuma possibilidade, por mais desagradável que possamos achar, até que a evidência nos permita faça isso.
Crédito da imagem: Greg Bacon (STScI) / Hubblesite.org, convertido em imgflip, original de http://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/videos/hs-2004-12-c-high_quicktime.mov .
Obrigado por uma ótima pergunta, Jeff, e se você quiser que sua pergunta apareça no Ask Ethan, envie seu perguntas e sugestões . Afinal, o Universo certamente está cheio de quebra-cabeças grandes e pequenos que valem a pena pensar!
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