Pergunte a Ethan: O Big Rip pode levar a outro Big Bang?
Ao decifrar o quebra-cabeça cósmico de qual é a natureza da energia escura, aprenderemos melhor o destino do Universo. Se a energia escura muda em força ou sinal é a chave para saber se terminaremos em um Big Rip ou não. (PAPEL DE PAREDE REFLEXÕES CÊNICAS)
Em vez de expansão eterna, poderíamos apenas fazer parte de um ciclo cósmico universal?
Existem poucas perguntas que podem nos manter acordados à noite da mesma forma que ponderar o destino final de todo o cosmos. As estrelas queimarão, serão substituídas por novas, que se queimarão, até que o Universo fique sem combustível. As galáxias se fundirão e ejetarão matéria, enquanto o espaço entre galáxias unidas e grupos e aglomerados se expandirá para sempre. A energia escura faz com que essa expansão não seja apenas implacável, mas acelere. Mas isso é necessariamente o fim? Entrando em território especulativo, Justin Agustino di Paola quer saber:
O grande rasgo poderia levar a outro Big Bang? Quando o universo se expande rápido o suficiente para separar os átomos, então os quarks... Nesse ponto o universo criaria uma sopa de quark-glúon?
Nada menos do que o destino do Universo está em jogo.
Galáxias distantes, como as encontradas no aglomerado de galáxias de Hércules, estão acelerando para longe de nós. Eventualmente, deixaremos de receber luz além de um certo ponto deles. Mas o valor da energia escura não precisa ser tão perfeitamente ajustado quanto muitos afirmam; pode ser uma constante, ou pode variar de várias maneiras. (ESO/INAF-VST/OMEGACAM. RECONHECIMENTO: OMEGACEN/ASTRO-WISE/KAPTEYN INSTITUTE)
Quando você olha para uma galáxia distante aleatoriamente no Universo, as chances são extremamente boas de que você descubra que sua luz é mais vermelha do que a luz que você veria das estrelas dentro de nossa própria galáxia. Voltando à década de 1920, os cientistas notaram uma relação que era verdadeira em geral: quanto mais distante uma galáxia estava de você, em média, mais vermelha a luz se tornava. No contexto da Relatividade Geral, foi rapidamente entendido que isso provavelmente se devia ao próprio tecido do espaço se expandindo com o passar do tempo.
As observações originais de 1929 da expansão do Universo pelo Hubble, seguidas por observações subsequentemente mais detalhadas, mas também incertas. (DIREITA, ROBERT P. KIRSHNER, ( GOO.GL/C1D7EF ); À ESQUERDA, EDWIN HUBBLE)
O próximo passo, então, foi quantificar exatamente o quão rápido o Universo estava se expandindo e como essa expansão estava mudando ao longo do tempo. A razão pela qual isso é tão importante, do ponto de vista teórico, é que a história da expansão do Universo determina exclusivamente o que está nele. Se você quer saber do que o seu Universo, nas maiores escalas, é feito, medir como o Universo se expandiu ao longo de todo o tempo cósmico é uma maneira infalível de chegar lá.
Se o seu universo estiver cheio de matéria, você espera que a taxa de expansão caia na proporção de como a matéria se dilui à medida que o volume aumenta. Se estiver cheio de radiação, você espera que a taxa caia mais rapidamente, já que a própria radiação muda para o vermelho e perde energia adicional. Um Universo com curvatura espacial, cordas cósmicas ou energia inerente ao próprio espaço evoluiria ainda de forma diferente, dependendo das proporções de todos os vários componentes de energia.
Um gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) é consistente com um Universo que se expandiu mais rápido no passado, mas onde galáxias distantes estão acelerando em sua recessão hoje. Esta é uma versão moderna, estendendo-se milhares de vezes além do trabalho original do Hubble. Observe o fato de que os pontos não formam uma linha reta, indicando a variação da taxa de expansão ao longo do tempo. (NED WRIGHT, COM BASE NOS DADOS MAIS RECENTES DE BETOULE ET AL. (2014))
Com base no conjunto completo de medições que conseguimos fazer, incluindo estrelas variáveis, diferentes tipos e propriedades de galáxias e supernovas do tipo Ia, bem como do fundo cósmico de microondas e agrupamento e correlações de galáxias, fomos capaz de determinar com precisão do que o Universo é composto. Em particular, consiste em:
- 68% de energia escura,
- 27% de matéria escura,
- 4,9% de matéria normal,
- 0,09% de neutrinos, e
- 0,01% de radiação,
com uma incerteza de apenas alguns por cento em cada figura.
Os destinos esperados do Universo (três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Nosso Universo sendo dominado pela energia escura é particularmente interessante, porque este era um componente do Universo que não precisava existir, muito menos dominar. No entanto, aqui estamos, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, vivendo em um Universo onde a energia escura governa a expansão do Universo.
Existem muitas questões em torno da energia escura, incluindo qual é a sua natureza, o que a causa e se é uma constante ou evoluirá ao longo do tempo. Ainda há um pouco de espaço de manobra, mas todas as observações são consistentes com o fato de ser uma constante cosmológica. Em outras palavras, parece se comportar como se fosse uma nova forma de energia, inerente ao próprio espaço. À medida que o Universo se expande, ele cria um novo espaço, que contém a mesma quantidade uniforme de energia escura.
Embora as densidades de energia da matéria, radiação e energia escura sejam muito conhecidas, ainda há muito espaço de manobra na equação do estado da energia escura. Pode ser uma constante, mas também pode aumentar ou diminuir em força ao longo do tempo. (HISTÓRIAS QUÂNTICAS)
Essa é a imagem favorita atual, de qualquer forma. De uma perspectiva teórica, existem várias maneiras conhecidas de gerar uma constante cosmológica e, portanto, essa explicação – desde que os dados sejam consistentes com ela – provavelmente permanecerá favorecida. Mas não há razão para que a energia escura não possa ser algo mais complicado do que isso.
Pode ser algo que se dilui com o tempo, ficando cada vez menos denso, ainda que levemente. Pode ser algo que inverte o sinal em um futuro distante, levando ao colapso do Universo em um Big Crunch. Ou pode ser algo que fica mais forte com o tempo, fazendo com que o Universo se expanda cada vez mais rápido com o passar do tempo. É esta última possibilidade que leva ao cenário do Big Rip.
As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Permanecer constante ou aumentar em força (em um Big Rip) poderia potencialmente rejuvenescer o Universo, enquanto a reversão do sinal poderia levar a um Big Crunch. (NASA/CXC/M.WEISS)
Quando falamos sobre qualquer componente de energia no Universo, falamos sobre sua equação de estado, que descreve como ela evolui ao longo do tempo no Universo. Os astrofísicos designam o parâmetro Dentro para o efeito, onde Dentro = 0 corresponde à matéria, Dentro = 1/3 corresponde à radiação, e Dentro = -1 corresponde a uma constante cosmológica.
A energia escura parece ter Dentro = -1, mas há algum espaço de manobra lá. Por exemplo, um novo artigo da colaboração Subaru Hyper Suprime-Cam lançou novas restrições na equação de estado da energia escura. Embora pareça ser muito consistente com Dentro = -1, há alguma sugestão de que poderia ser um pouco mais negativo do que isso. Se realmente for - se acontecer que Dentro <-1 instead of equaling it — then the Big Rip is inevitable.
O destino esperado do Universo é de expansão eterna e acelerada, correspondendo a w (no eixo y) igual a -1 exatamente. Se w for mais negativo que -1, como alguns dos dados favorecem, nosso destino será um Big Rip. (Colaboração Subaru Hyper Suppress Cam)
Se o Big Rip é real, então não apenas o Universo está se expandindo (o que acontece independentemente da energia escura), e não apenas objetos distantes parecem acelerar para longe de nós a taxas cada vez mais rápidas com o passar do tempo (o que acontece por causa de energia escura), mas os objetos que estão unidos por qualquer uma das forças fundamentais acabarão sendo despedaçados pela força cada vez maior da energia escura.
Muitos bilhões de anos no futuro, nosso grupo local verá as estrelas nos arredores serem arremessadas para o espaço, à medida que se desvinculam da gravidade de nossa galáxia no futuro distante: Milkdromeda. Com o passar do tempo, mais e mais estrelas serão lançadas para fora, eventualmente eliminando a estrutura que conhecemos como galáxia e nos transformando em uma coleção de bilhões de estrelas soltas e cadáveres estelares.
O cenário Big Rip ocorrerá se descobrirmos que a energia escura aumenta em força, enquanto permanece negativa em direção ao longo do tempo. (JEREMY TEAFORD/ UNIVERSIDADE DE VANDERBILT)
Com o passar do tempo, os planetas serão ejetados de seus sistemas solares à medida que a energia escura continua a se fortalecer, e até os próprios planetas serão destruídos. Nos momentos finais, objetos mantidos juntos por forças atômicas e moleculares serão dilacerados, elétrons serão arrancados de seus átomos, núcleos atômicos serão quebrados e até mesmo os próprios quarks serão separados uns dos outros. Se houver algo que inclua quarks, eles também serão destruídos.
Se o Big Rip estiver correto, tudo no Universo será reduzido aos seus constituintes mais fundamentais, em algum estranho paralelo com os primeiros estágios do Big Bang.
O plasma quark-gluon do Universo primitivo será muito semelhante ao plasma quark-gluon gerado nos instantes finais do Big Rip. Embora frequentemente representemos partículas como quarks, glúons e elétrons como esferas tridimensionais, as melhores medidas que já fizemos mostram que elas são indistinguíveis das partículas pontuais. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)
Mas este é um plasma de quarks-glúons muito diferente daquele do início do Big Bang. Por um lado, o Big Bang é caracterizado por um estado quente e denso, mas o Big Rip será extremamente frio e esparso. Por outro lado, o Big Bang é caracterizado por toda a matéria e energia do Universo sendo comprimida em um pequeno volume de espaço, mas no Big Rip, será espalhado por trilhões de anos-luz. E ainda por outro, o Big Bang representa um estado de entropia bastante baixa, mas a entropia será cerca de 10³⁵ vezes maior no Big Rip do que no Big Bang.
Mas, ainda há uma esperança.
É possível que a energia escura, se levar ao Big Rip, poderia reciclar o universo . Se a energia escura aumenta em força, isso realmente é uma energia inerente ao próprio tecido do espaço e pode ser completamente análoga a um período inicial da história do nosso Universo, onde o espaço se expandiu a uma taxa incrível: inflação cósmica. A inflação remove toda a matéria e energia pré-existentes do Universo, deixando apenas o tecido do próprio espaço para trás. Após um período de inflação, essa energia de alguma forma é convertida em partículas, antipartículas e radiação, e leva ao Big Bang quente. Este cenário já foi explorado antes, e é conhecido como um Universo rejuvenescido .
As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)
Se o Big Rip for verdadeiro, ele deveria simplesmente rasgar toda a matéria, levando a um Universo muito vazio com uma grande quantidade de energia inerente ao próprio espaço. Se extrapolarmos isso arbitrariamente para as energias mais altas imagináveis, o próprio espaço se romperá, e é por isso que é chamado de Big Rip. Mas talvez haja um corte, e talvez haja outra transição reservada. Se é para isso que nosso Universo está indo, então o Big Rip pode não ser a última coisa que acontece; em vez disso, pode ser um precursor do nascimento de um novo universo.
Talvez seja realmente o caso que, como J.M. Barrie colocou, tudo isso já aconteceu antes e tudo acontecerá novamente.
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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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