Pergunte a Ethan #67: Matéria Escura vs. Energia Escura
Crédito da imagem: Consórcio DEUS 2014 — Simulações do universo de energia escura.
O Universo parece bizarro: uma infinidade de galáxias, muitos aglomerados, mas muito pouco maiores que isso. O que fez isso?
Somos incrivelmente descuidados na formação de nossas crenças, mas nos encontramos cheios de uma paixão ilícita por elas quando alguém se propõe a nos roubar sua companhia. – James Harvey Robinson
Claro, a maioria de nós tem alguma versão em nossas cabeças de como isso – o Universo – tudo veio a ser do jeito que é. No entanto, alguns dos detalhes, não importa quão bem versados cientificamente sejamos, devem parecer intrigantes. O Ask Ethan desta semana é cortesia do inquérito de Tom Anderson, que se torna o quarto vencedor do nosso Sorteio do calendário do ano no espaço 2015 , com sua submissão :
A matéria escura atrai enquanto a energia escura repele. A energia escura está continuamente impulsionando a expansão do espaço entre galáxias/aglomerados gravitacionalmente ligados e parece que o consenso geral atual é que o universo deve se expandir, esfriando e, eventualmente, em um cenário de grande congelamento. Tirando disso, como os sistemas gravitacionalmente ligados não se expandem, a força de atração combinada da matéria escura e da matéria comum é igual ou maior à força de repulsão da energia escura e da energia comum. Por que, então, o universo se expandiu após o Big Bang? [Por que] a matéria escura não neutralizou a força da energia escura na infância do universo?
Este é um bocado, então vamos começar por quebrar isso.
Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003–2014Conjecture Corporation, via http://www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.
A maneira como o Universo funciona e como estruturas como estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias se formam está um pouco fora do reino de nossa experiência comum. Para simplifique muito , nosso Universo é feito de espaço-tempo em expansão, onde a taxa de expansão começa em algum valor inicial, determinado pela física da inflação cósmica e como esse período inflacionário termina.
Crédito da imagem: Don Dixon / Cosmographica, representando a inflação cósmica e seu fim; original de http://www.cosmographica.com/ .
Mas essa taxa de expansão não é constante uma vez que a inflação acaba, porque o Universo é preenchido com todos os tipos de outras formas de energia: radiação, matéria, antimatéria, neutrinos, matéria escura e um pouco de energia inerente ao próprio espaço, conhecida como energia escura. É a combinação de todas essas coisas – que mudam à medida que o Universo se expande – que determinam como a taxa de expansão do Universo muda com o passar do tempo.
Crédito das imagens: Pearson / Addison-Wesley (L); Histórias quânticas, recuperadas via http://cuentos-cuanticos.com/ .
Então, em um global escala, ou seja, na escala de todo o Universo, ou vai entrar em colapso inteiramente, expandir-se para sempre, ou estar bem na fronteira entre esses dois casos, dependendo de quais são as proporções variáveis de todas as diferentes formas de energia no Universo.
Para aquele em que realmente vivemos, parece que o Universo se expandirá para todo o sempre, já que a energia escura passou a dominar nosso Universo nos últimos tempos.
Crédito da imagem: Don Dixon, de Scientific American 15 , 66–73 (2006)
doi: 10.1038 /cientificamerican0206–66sp.
Mas esta análise não se aplica ao Universo em todo escalas; simplesmente nos diz o que está acontecendo com o Universo em escala global, ou a escala de todo o Universo! Nos diz que agora , em tempos tardios e em grandes escalas, objetos que ainda não estão gravitacionalmente ligados começarão a se afastar um do outro.
Mas ainda existem sistemas gravitacionalmente ligados, e eles existem em pequenas escalas em grande abundância, em escalas médias em abundância moderada e em escalas relativamente grandes em abundância esparsa, mas diferente de zero. E tudo faz parte da mesma história cósmica.
Veja bem, o Universo não começou perfeitamente liso, com quantidades exatamente iguais de matéria, radiação, matéria escura e energia escura em todos os locais. Se tivesse, nosso Universo seria incrivelmente chato; seria um mar perfeitamente uniforme onde todos os lugares eram exatamente medianos. Não haveria estrelas, galáxias ou planetas, vazios ou lugares vazios, pessoas, animais, vida, aglomerados ou filamentos.
Em vez disso, desde muito cedo, descobrimos que o Universo tem pequenas regiões de regiões superdensas e subdensas em todas as escalas: em escalas pequenas, médias e grandes.
Uma simulação cosmológica da matéria escura crescendo mais aglomerada ao longo do tempo. Crédito da imagem: Andrey Kravtsov.
A matéria escura ajuda as regiões superdensas a crescer ao longo do tempo, e eles podem crescer rápido o suficiente para que gravitacionalmente colapso , em apenas algumas dezenas de milhões de anos. É como se pequenas regiões do Universo começassem, localmente, com uma densidade geral de matéria e energia que era grande o suficiente para que, se o inteira Universo fosse assim, ele teria desmoronado completamente rapidamente!
Crédito das imagens: Tutorial de cosmologia de Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_03.htm (EU); Ross Church of Jesus College, via http://jcsu.jesus.cam.ac.uk/ (R).
Claro, há muito mais regiões onde a densidade é menor que a média, e elas tendem a ceder sua matéria para as regiões mais densas; se todo o Universo fosse como essas regiões, teríamos muito, muito poucas estrelas, galáxias e aglomerados.
Mas é essa mesma diversidade nas condições iniciais em todo o Universo que nos permite terminar com essa enorme diversidade de tudo o que podemos ver. Na luta cósmica da matéria escura contra a energia escura, da gravitação contra a expansão, dos grandes impulsos cósmicos para formar a estrutura e os impulsos cósmicos para suprimi-la, há vencedores e perdedores.
Percebemos os vencedores com muito mais facilidade, porque eles emitem e absorvem copiosamente a luz visível e a luz de outras porções do espectro eletromagnético, eles gravitacionalmente material de lente atrás deles e porque é muito mais fácil detectar a presença do que a ausência de algo.
Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, Observatório UCO/Lick e da Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Observatório UCO/Lick e Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.
Mas as regiões vazias estão lá, e são importantes, e - de fato - superam em muito as regiões cheias! A força atrativa combinada da matéria escura e normal posso derrotar tanto a expansão inicial quanto a força adicional e aceleradora da energia escura, mas apenas em escalas relativamente pequenas e em tempos relativamente precoces.
À medida que vamos para escalas cada vez maiores, descobrimos que há cada vez mais vitórias para a repulsão, e à medida que alcançamos as escalas maiores, a repulsão sempre vitórias.
O Universo se expandiu no início por causa das condições iniciais estabelecidas pela inflação, e a opção de recolapso – graças à atração gravitacional de quantidades como matéria normal, matéria escura, radiação e neutrinos – só foi suficiente para vencer em alguns locais selecionados. Não ganhou em todos eles, não ganhou em maioria deles, e não ganhou em média.
E é por isso que, quando olhamos para o nosso Universo hoje, existem toneladas de galáxias espalhadas por ele, muitas delas agrupadas em grupos e grandes coleções, e em grandes escalas, alinhadas ao longo de filamentos. Mas esses grupos de galáxias que consistem em alguns milhares de galáxias abrangendo algumas centenas de milhões de anos-luz de tamanho são provavelmente as maiores estruturas ligadas que temos; em todas as escalas maiores que isso, os alinhamentos são temporários, pois a presença de energia escura acabará por separá-los.
Se o Universo tivesse apenas uma pequena quantidade a mais de matéria escura - algo como 1 parte em 10^24 mais — teria resvalado bilhões de anos atrás. Foi muito bem equilibrado por um longo tempo - com a gravidade vencendo localmente em alguns pontos e perdendo em outros – mas agora que a energia escura passou a dominá-lo, estamos vendo que seus efeitos vão vencer. Ele vence no final, vence nas maiores escalas e vence por tudo o que já não estava gravitacionalmente ligado após os primeiros sete bilhões de anos do Universo.
E isso, Tom Anderson, é a resposta para sua pergunta sobre o crescimento, expansão e destino do Universo! Temos apenas uma semana restante (e mais um calendário restante) para o nosso Sorteio do calendário do ano no espaço 2015 , e se você quiser uma chance de ganhar, envie (junto com seu endereço de e-mail) seu perguntas ou sugestões para uma coluna Pergunte ao Ethan . Você pode ser o último sortudo do ano!
Deixe seus comentários em o fórum Starts With A Bang em Scienceblogs !
Compartilhar:
