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Pergunte a Ethan: O Universo ainda pode terminar em um Big Crunch?

Um ‘Big Bounce’ requer uma fase de recolhimento (ou seja, um Big Crunch) seguida por uma fase de expansão (que se parece com um novo Big Bang). Crédito da imagem: E. Siegel, derivado de Ævar Arnfjörð Bjarmason.

A energia escura pode ser real e o Universo pode estar se acelerando, mas isso significa que um Big Freeze é inevitável?

Está em todo lugar, realmente. Está entre as galáxias. É nesta sala. Acreditamos que em todos os lugares em que você tem espaço, espaço vazio, você não pode evitar ter um pouco dessa energia escura. – Adam Riess

Um dos maiores avanços do século 20 foi identificar exatamente o quão rico, expansivo e massivo nosso Universo realmente é. Com aproximadamente dois trilhões de galáxias contidas em um volume de cerca de 46 bilhões de anos-luz de raio centrado em nós, nosso Universo Observável nos permite reconstruir todo o conto de nossa história cósmica, estendendo-se até o Big Bang. e até, talvez, um pouco antes . Mas e quanto ao futuro? E o destino do Universo? Isso é uma certeza? É isso que Andy Moss quer saber, ao perguntar:

Você [escreveu] que o Universo está se expandindo a uma taxa decrescente. Eu pensei que um Prêmio Nobel foi concedido pela descoberta de que o Universo estava se expandindo a uma taxa crescente. Você pode esclarecer as principais teorias? O Big Crunch ainda é uma possibilidade?

O melhor preditor do comportamento futuro é o comportamento passado, é verdade. Mas assim como as pessoas às vezes podem nos surpreender, o Universo também pode.

Após o Big Bang, o Universo estava quase perfeitamente uniforme e cheio de matéria, energia e radiação em um estado de rápida expansão. A evolução do Universo em todos os momentos é determinada pela densidade de energia do que está dentro dele. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

A taxa de expansão do Universo, a qualquer momento, depende apenas de duas coisas: a densidade total de energia presente no espaço-tempo e a quantidade de curvatura espacial presente. Se entendermos as leis da gravitação e como os diferentes tipos de energia evoluem ao longo do tempo, podemos reconstruir qual deveria ter sido a taxa de expansão em qualquer momento do passado. Também podemos olhar para uma variedade de objetos distantes a várias distâncias e medir como essa luz foi esticada devido à expansão do espaço. Cada galáxia, supernova, nuvem de gás molecular etc. — tudo o que absorve ou emite luz — contará a história cósmica de como a expansão do espaço o esticou desde o momento em que foi emitido até que o observamos.

Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós, e mais sua luz é desviada para o vermelho, exigindo que olhemos para comprimentos de onda cada vez mais longos. Crédito da imagem: Larry McNish do RASC Calgary Center.

Conseguimos concluir, a partir de uma variedade de linhas independentes de observação, exatamente do que o Universo é feito. As três grandes e independentes linhas de observação são:

• As flutuações de temperatura presentes no fundo cósmico de micro-ondas, que codificam informações sobre a curvatura do Universo, matéria normal, matéria escura, neutrinos e conteúdo de densidade total.
• As correlações entre galáxias nas maiores escalas - conhecidas como oscilações acústicas bariônicas - que fornecem medidas muito rigorosas sobre a densidade total da matéria, a proporção de matéria normal para matéria escura e a taxa de expansão ao longo do tempo.
• E as velas padrão mais distantes e luminosas do Universo, a supernova do tipo Ia, que nos fala sobre a taxa de expansão e a energia escura à medida que evoluiu ao longo do tempo.

Velas padrão (L) e réguas padrão (R) são duas técnicas diferentes que os astrônomos usam para medir a expansão do espaço em vários tempos/distâncias no passado. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

Essas linhas de evidência, combinadas, apontam para uma imagem consistente do Universo. Eles nos dizem o que está no Universo hoje e nos dão uma cosmologia onde:

• 4,9% da energia do Universo está na matéria normal (como prótons, nêutrons e elétrons),
• 0,1% da energia do Universo está na forma de neutrinos massivos (que agem como matéria nos últimos tempos e radiação nos primeiros tempos),
• 0,01% da energia do Universo está na forma de radiação (como fótons),
• 27% da energia do Universo está na forma de matéria escura, e
• 68% está na forma de energia inerente ao próprio espaço: energia escura.

Eles nos dão um Universo plano (com 0% de curvatura), um Universo sem defeitos topológicos (monopolos magnéticos, cordas cósmicas, paredes de domínio ou texturas cósmicas) e um Universo cuja história de expansão passada é conhecida.

A importância relativa de diferentes componentes de energia no Universo em vários momentos no passado. No futuro, a energia escura terá 100% de importância. Crédito da imagem: E. Siegel.

As equações que regem a Relatividade Geral são muito deterministas nesse sentido: se sabemos do que é feito o Universo hoje e as leis da gravidade, sabemos exatamente o quão importante cada componente foi em cada conjuntura do passado. No início, a radiação e os neutrinos dominaram. Por bilhões de anos, a matéria escura e a matéria normal foram as peças mais importantes. E nos últimos bilhões de anos – e isso se tornará mais grave com o passar do tempo – a energia escura é o fator dominante na expansão do Universo. Está fazendo com que o Universo acelere, e é aí que começa a confusão (para a maioria das pessoas).

Possíveis destinos do Universo em expansão. Observe as diferenças de diferentes modelos no passado. Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.

Há duas coisas que podemos medir quando se trata da expansão do Universo: a taxa de expansão e a velocidade com que uma galáxia individual parece recuar da nossa perspectiva. Estes estão relacionados, mas não são os mesmos. A taxa de expansão, por um lado, fala sobre como o tecido do próprio espaço se estende ao longo do tempo. É sempre quantificado como uma velocidade por unidade de distância, que normalmente é dada em quilômetros por segundo (a velocidade) por Megaparsec (a distância), onde um Megaparsec é cerca de 3,26 milhões de anos-luz.

Como a matéria (em cima), a radiação (no meio) e uma constante cosmológica (em baixo) evoluem com o tempo em um Universo em expansão. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

Se não houvesse energia escura, a taxa de expansão cairia com o tempo, aproximando-se de zero, já que a densidade de matéria e radiação cairia para zero à medida que o volume se expandisse. Mas com a energia escura, essa taxa de expansão se aproxima de qualquer densidade de energia que a energia escura tenha. Se a energia escura, por exemplo, é uma constante cosmológica, então a taxa de expansão assíntota para um valor constante. Mas se é isso que a taxa de expansão faz, então as galáxias individuais que se afastam de nós verão suas velocidades acelerarem.

Imagem óptica da distante galáxia Markarian 1018, com uma sobreposição de dados do VLT (rádio). Crédito da imagem: Pesquisa ESO/CARS.

Imagine que a taxa de expansão seja algum valor: 50 km/s/Mpc. Se uma galáxia está a 20 Mpc de distância, ela parece se afastar de nós a 1.000 km/s. Mas dê um tempo; à medida que o tecido do espaço se expande, esta galáxia acabará por estar mais longe de nós. Quando estiver duas vezes mais distante, a 40 Mpc de nós, parecerá recuar a 2.000 km/s. Ao longo do tempo, será dez vezes mais longe do que começou: 200 Mpc, onde agora recua a 10.000 km/s. Quando chegar a uma distância de 6.000 Mpc de nós, parecerá retroceder a 300.000 km/s, que é mais rápido que a velocidade da luz. Mas isso continua e continua; quanto mais o tempo passa, mais rápido a galáxia parece se afastar de nós. Isso é o que está acelerando no Universo: a taxa de expansão diminui, mas a velocidade de uma galáxia individual se afasta de nós apenas aumenta e aumenta com o tempo.

O composto UV-visível-IR completo do Hubble eXtreme Deep Field; a maior imagem já divulgada do Universo distante. Crédito da imagem: NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z. Levay (STScI).

Tudo isso é consistente com nossas melhores medições: que a energia escura representa uma densidade de energia constante inerente ao próprio espaço. À medida que o espaço se estende, a densidade de energia escura permanece constante, e o Universo terminará neste destino de Big Freeze, onde tudo o que não está gravitacionalmente ligado (como nosso grupo local, galáxia, sistema solar, etc.) um do outro. Se a energia escura é realmente uma constante cosmológica, então a expansão continuará indefinidamente, dando origem a um Universo frio e vazio.

Quando os astrônomos perceberam que o universo estava se acelerando, a sabedoria convencional era que ele se expandiria para sempre. No entanto, até que entendamos melhor a natureza da energia escura, outros cenários para o destino do universo são possíveis. Este diagrama descreve esses possíveis destinos. Crédito da imagem: NASA/ESA e A. Riess (STScI).

Mas se a energia escura é dinâmica – algo teoricamente possível, mas observacionalmente sem suporte – ela ainda pode terminar em um Big Crunch ou um Big Rip. Em um Big Crunch, a energia escura enfraqueceria e reverteria o sinal, fazendo com que o Universo atingisse um tamanho máximo, girasse e se contraísse. Poderia até dar origem a um Universo cíclico, onde a crise dá origem a outro Big Bang. Se a energia escura continuar a se fortalecer, no entanto, ocorre o destino oposto, onde as estruturas vinculadas acabam sendo destruídas pela taxa de expansão crescente. A evidência que temos hoje, no entanto, apóia esmagadoramente um Big Freeze, a condição de expansão continuando a uma taxa constante para sempre.

Os principais objetivos científicos dos próximos observatórios, como o Euclid da ESA, o WFIRST da NASA e o LSST terrestre incluem medir se a energia escura é realmente uma constante cosmológica ou não. Embora a principal ideia teórica seja, de fato, a favor da energia escura constante, é importante considerar todas as possibilidades não descartadas por nossas medições e observações. Por mais improvável que pareça, um Big Crunch ainda não está descartado. Com mais e melhores dados, ainda podemos encontrar uma pista convincente de que a realidade é ainda mais estranha do que a maioria de nós imaginava!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive !

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