Pergunte a Ethan: A perda de energia das estrelas radiantes pode explicar a energia escura?

A concepção de um artista de como o Universo pode se parecer ao formar estrelas pela primeira vez. À medida que brilham e se fundem, a radiação será emitida, tanto eletromagnética quanto gravitacional. Mas será que a conversão de matéria em energia será capaz de gerar uma força antigravitacional? (NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling et al. (STECF))



A expansão acelerada do Universo é um dos maiores enigmas da atualidade. Essa ideia fora da caixa poderia explicar isso sem energia escura?


Quando se trata de nossa busca para entender o Universo, existem mistérios para os quais ninguém sabe a solução. Matéria escura, energia escura e inflação cósmica, por exemplo, são todas ideias incompletas, onde não sabemos que tipo(s) de partículas ou campos são responsáveis ​​por elas. É até possível, embora a maioria dos principais profissionais não ache provável, que um ou mais desses quebra-cabeças possam ter uma solução não convencional que não é o que esperamos.

Pela primeira vez na história do Ask Ethan, recebemos uma pergunta de um Prêmio Nobel — John Mather — quem quer saber se as estrelas, em virtude da conversão de massa em energia, podem ser responsáveis ​​pelos efeitos que atribuímos à energia escura:



O que acontece com a gravidade produzida pela massa que se perde, quando é convertida por reações nucleares nas estrelas e se extingue como luz e neutrinos, ou quando a massa se acumula em um buraco negro, ou quando é convertida em ondas gravitacionais? ... Em outras palavras, as ondas gravitacionais e as ondas EM e os neutrinos são agora uma fonte de gravitação que corresponde exatamente à massa anterior que foi convertida, ou não?

Esta é uma ideia fascinante. Vejamos o porquê.

Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade ondulante do espaço-tempo representa as ondas gravitacionais emitidas pela colisão, enquanto os feixes estreitos são os jatos de raios gama que disparam apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais (detectadas como uma explosão de raios gama pelos astrônomos). A massa, em um evento como este, é convertida em dois tipos de radiação. (NSF / LIGO / Universidade Estadual de Sonoma / A. Simonnet)



Na teoria da Relatividade Geral de Einstein, existem apenas algumas maneiras de modelar o Universo que nos dão soluções exatas. Fazer um universo sem nada nele? Podemos descrever o espaço-tempo exatamente. Colocar uma única massa em qualquer lugar desse Universo vazio? É muito mais complicado, mas ainda podemos escrever uma solução. Colocar uma segunda massa em algum outro lugar desse Universo? É insolúvel. Tudo o que você pode fazer é fazer estimativas e tentar chegar a uma resposta numérica. Essa propriedade enlouquecedoramente difícil do espaço-tempo, que é tão difícil de caracterizar exatamente, é o motivo pelo qual foi necessário um tremendo poder de computação, trabalho teórico e tanto tempo para modelar adequadamente a fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons que o LIGO viu.

Não são apenas as localizações e magnitudes das massas que determinam como a gravidade funciona e o espaço-tempo evolui, mas sim como essas massas se movem uma em relação à outra e aceleram através de um campo gravitacional variável ao longo do tempo. Na Relatividade Geral, um sistema com mais de uma massa não é exatamente solúvel. (David Champion, Instituto Max Planck de Radioastronomia)

Um dos poucos casos que podemos resolver exatamente é onde o Universo é preenchido com uma quantidade uniforme de coisas em todos os lugares e em todas as direções. Não importa o que seja esse material. Pode ser uma coleção de partículas, um fluido, uma radiação, uma propriedade inerente ao próprio espaço ou um campo com as propriedades certas. Pode ser uma mistura de um monte de coisas diferentes, como matéria normal, antimatéria, neutrinos, radiação e até mesmo a misteriosa matéria escura e energia escura.

Se isso descreve o seu Universo, e você sabe quanto de cada uma dessas diferentes quantidades existem, tudo o que você precisa fazer é medir a taxa de expansão do Universo. Faça isso e você saberá imediatamente como o Universo se expandiu ao longo de toda a sua história, incluindo sua história futura. Se você sabe do que o Universo é feito e como ele está se expandindo hoje, você pode descobrir o destino de todo o Universo.



Os destinos esperados do Universo (três ilustrações principais) 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 governados pelas equações de Friedmann. (E. Siegel / Além da Galáxia)

Quando fazemos essa figura com base no Universo que observamos hoje, chegamos a um Universo que é feito de:

  • 68% de energia escura,
  • 27% de matéria escura,
  • 4,9% de matéria normal,
  • 0,1% de neutrinos,
  • 0,01% de radiação,

e uma quantidade insignificante de tudo o mais: curvatura, antimatéria, cordas cósmicas e qualquer outra coisa que você possa imaginar. A incerteza total sobre todos estes, combinados, é inferior a 2%. Também aprendemos o destino do Universo – que ele se expandirá para sempre – e a idade do Universo: 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang. É uma conquista notável da cosmologia moderna.

Uma linha do tempo ilustrada da história do Universo. Se o valor da energia escura é pequeno o suficiente para admitir a formação das primeiras estrelas, então um Universo contendo os ingredientes certos para a vida é praticamente inevitável. Estamos, felizmente, aqui para confirmar que isso ocorreu onde moramos. (Observatório Europeu do Sul (ESO))

Mas isso pressupõe que podemos aproximar o Universo da maneira como o modelamos: com uma quantidade suave e uniforme de coisas em todos os lugares e em todas as direções. O universo real, como você provavelmente notou, é grumoso. Existem planetas, estrelas, aglomerados de gás e poeira, plasmas, galáxias, aglomerados de galáxias e grandes filamentos cósmicos conectando-os. Existem enormes vazios cósmicos, às vezes estendendo-se por bilhões de anos-luz. A palavra matemática para um universo perfeitamente liso é homogênea, e ainda assim nosso universo é notavelmente dentro homogênea. É possível que nossa suposição que nos levou a essa conclusão esteja totalmente errada.



Ambas as simulações (vermelho) e pesquisas de galáxias (azul/roxo) exibem os mesmos padrões de agrupamento em grande escala. O Universo, particularmente em escalas menores, não é perfeitamente homogêneo. (Gerard Lemson e o Consórcio Virgo)

Nas maiores escalas, porém, o Universo é homogêneo. Se você olhar para uma escala pequena, como a de uma estrela, galáxia ou até mesmo um aglomerado de galáxias, descobrirá que tem regiões que estão muito abaixo e muito acima da densidade média. Mas se você olhar para escalas próximas a 10 bilhões de anos-luz (ou mais) de um lado, o Universo parece aproximadamente o mesmo em todos os lugares, em média. Nas maiores escalas, o Universo é mais de 99% homogêneo.

Felizmente, podemos quantificar quão boa (ou não boa) nossa suposição é calculando os efeitos das não homogeneidades sobre esse pano de fundo homogêneo em grande escala. Eu fiz isso para mim em 2005 , e descobriu que as heterogeneidades contribuem com menos de 0,1% para a taxa de expansão e não se comportam como energia escura. Você pode ver isso por si mesmo se você gostar.

Contribuições fracionárias da energia potencial gravitacional W (linha longa tracejada) e energia cinética K (linha sólida) para a densidade de energia total do universo, plotada em função do fator de expansão passado e futuro para um universo com matéria, mas sem energia escura. A linha tracejada curta é a soma das contribuições das não homogeneidades. As linhas pontilhadas mostram os resultados da teoria de perturbação linear. (E.R. Siegel e J.N. Fry, ApJ, 628, 1, L1-L4)

Mas uma possibilidade relacionada é que certos tipos de energia podem se transformar de um tipo em outro ao longo do tempo. Em particular, devido à

  • queima de combustível nuclear dentro das estrelas,
  • colapso gravitacional de nuvens em objetos contraídos,
  • fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros,
  • e a ação inspiradora de muitos sistemas gravitacionais,

matéria, ou massa, pode se transformar em radiação ou energia. Em outras palavras, é possível mudar a forma como o Universo gravita e, portanto, como ele se expande (ou se contrai) ao longo do tempo.

Embora tenhamos visto buracos negros se fundindo diretamente muitas vezes no Universo, sabemos que existem muitos mais. Quando os buracos negros supermassivos se fundem, o LISA nos permitirá prever, com até anos de antecedência, exatamente quando o evento crítico ocorrerá. (LIGO / Caltech / MIT / Estado de Sonoma (Aurore Simonnet))

Quando dois buracos negros se fundem, por exemplo, uma fração significativa de massa pode ser convertida em energia: até cerca de 5%. Na primeira fusão buraco negro-buraco negro detectada pelo LIGO, um buraco negro de 36 massas solares e um buraco negro de 29 massas solares se fundiram, mas produziram um único buraco negro cuja massa final era de apenas 62 massas solares. O que aconteceu com as outras 3 massas solares? Eles foram convertidos em energia pura, na forma de ondas gravitacionais, por Einstein E = mc² .

A questão, então, é como uma mudança de massa para radiação afeta a expansão do Universo? De acordo com um artigo recente de Nick Gorkavyi e Alexander Vasilkov , eles afirmam que pode gerar uma força repulsiva e antigravitacional.

Simulação computacional de dois buracos negros em fusão produzindo ondas gravitacionais. Quando a massa se converte em radiação, é possível que possamos gerar uma força repulsiva? (Werner Benger, cc by-sa 4.0)

Infelizmente, essa afirmação é baseada no que parece ser apenas antigravidade. Quando você tem uma certa quantidade de massa, você experimenta uma certa quantidade de atração gravitacional em relação a essa massa: isso é igualmente verdade tanto na teoria da gravidade de Einstein quanto na de Newton. Se você transformar essa massa em energia e ela irradiar para fora na velocidade da luz, como toda radiação sem massa, então quando essa radiação passar por você, de repente você verá menos massa para ser atraída.

A curvatura do espaço-tempo muda e, onde uma vez você experimentou uma certa atração gravitacional, agora você experimentará uma atração 5% menor. É equivalente, matematicamente, a adicionar uma força repulsiva e antigravitacional ao seu sistema. Mas, na realidade, você está experimentando a atração reduzida porque transformou massa em energia e a radiação gravita de maneira diferente (especialmente quando passa por você) do que a matéria. Isso foi dito muito claramente .

Qualquer objeto ou forma, física ou não física, seria distorcida à medida que as ondas gravitacionais passassem por ela. Sempre que uma grande massa é acelerada através de uma região do espaço-tempo curvo, a emissão de ondas gravitacionais é uma consequência inevitável. No entanto, podemos calcular os efeitos dessa radiação no espaço, e ela não causa repulsão ou expansão acelerada. (NASA/Ames Research Center/C. Henze)

Na verdade, podemos dar um passo adiante e calcular como essa transformação afeta todo o Universo! Podemos quantificar como as ondas gravitacionais contribuem para a densidade de energia do Universo e quanto da energia do Universo está na forma de radiação de todos os tipos . Como a massa, a radiação é quantizada, de modo que, à medida que o volume do Universo aumenta (por um fator de distância ao cubo), a densidade de partículas diminui (por um fator de um sobre a distância ao cubo). Mas, ao contrário da massa, a radiação tem um comprimento de onda e, à medida que o espaço se expande, esse comprimento de onda também diminui ao longo da distância; a radiação torna-se menos importante gravitacionalmente mais rápido do que a matéria.

Outra coisa que você precisa fazer é ter a equação de estado correta. A matéria e a radiação evoluem ao longo do tempo, como dito acima, mas a energia escura mantém uma densidade constante em todo o espaço à medida que o Universo se expande. À medida que avançamos no tempo, esse problema só piora; a energia escura torna-se mais dominante, enquanto a matéria e a radiação tornam-se cada vez menos importantes.

Não apenas a matéria e a radiação resultam em uma força atrativa e um Universo em desaceleração, mas nenhum deles pode dominar a densidade de energia do Universo enquanto ele continuar se expandindo.

O sombreamento azul representa as possíveis incertezas em como a densidade de energia escura foi/será diferente no passado e no futuro. Os dados apontam para uma verdadeira constante cosmológica, mas outras possibilidades ainda são permitidas. Infelizmente, a conversão de matéria em radiação não pode imitar a energia escura; só pode fazer com que o que antes se comportava como matéria agora se comporte como radiação. (Histórias Quânticas)

Se você deseja criar um Universo onde tenha uma expansão acelerada, até onde sabemos, você precisa de uma nova forma de energia sobre as que conhecemos atualmente. Demos um nome a ela, energia escura, embora não tenhamos 100% de certeza de qual é realmente a natureza da energia escura.

No entanto, apesar de nossa ignorância nesse reino, podemos afirmar com muita clareza o que a energia escura não é. Não são estrelas queimando seu combustível; não é a matéria emitindo ondas gravitacionais; não é devido ao colapso gravitacional; não é devido a fusões ou inspirações. É possível que haja uma nova lei da gravidade que eventualmente substitua Einstein, mas no contexto da Relatividade Geral, não há como explicar o que observamos com a física que conhecemos hoje. Há algo realmente novo para descobrir lá fora.


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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