Pergunte a Ethan: O Universo poderia ser dilacerado em um grande rasgo?
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 de Reflexos Cênicos)
A energia escura está afastando galáxias distantes umas das outras a uma taxa crescente. Se a hipótese do Big Rip for verdadeira, as coisas só vão piorar a partir daqui.
Uma das maiores surpresas de toda a física veio no final do século 20: em 1998. Observando alguns dos eventos mais distantes decorrentes de uma única estrela – supernovas do tipo Ia – pudemos determinar que o Universo não era t apenas expandindo, mas acelerando. Deve haver algo mais do que apenas matéria, radiação e a curvatura do espaço preenchendo o Universo.
Era preciso haver uma nova forma de energia que fizesse com que galáxias distantes se afastassem de nós. Essa misteriosa energia escura pode ser uma constante cosmológica, mas pode ser algo mais interessante. Uma opção interessante poderia mudar o destino do Universo, resultando em um Big Rip. Esse é o assunto Apoiador do Patreon A pergunta de Ken Blackman, como ele pergunta:
O Big Rip – onde a expansão excede todas as outras forças – ainda é considerado um futuro possível para o nosso Universo? Quais são os argumentos a favor ou contra? E se sim, como se desenrolaria, o que aconteceria?
Vamos descobrir.
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. (NASA/ESA e A. Riess (STScI))
Quando olhamos para o Universo distante, descobrimos que ele está cheio de fontes emissoras e absorventes de luz. Existem estrelas, galáxias, quasares, aglomerados de galáxias e uma enorme teia cósmica de estrutura. Há também poeira, gás neutro, plasma ionizado, matéria escura e enormes vazios cósmicos entre as estruturas. Existe uma grande variedade de tipos de radiação; existem neutrinos e existem buracos negros.
E se você somar tudo isso, representa apenas um terço de toda a energia do Universo. O material que gravita da maneira como o conhecemos é uma minoria do que realmente existe no Universo.
O conteúdo de matéria e energia no Universo no momento atual (esquerda) e em momentos anteriores (direita). Observe como, em todos os momentos, apenas cerca de 1/6 da massa do Universo pode ser descrita pela matéria normal (atômica); várias linhas de evidência indicam que a matéria escura é real e dominante. Hoje, a energia escura representa 2/3 da densidade de energia no Universo. (NASA, modificado pelo usuário do Wikimedia Commons 老陳, modificado ainda mais por E. Siegel)
Sabemos disso pela forma como o Universo se expandiu ao longo de sua história. Cerca de 6 bilhões de anos atrás, galáxias distantes começaram a acelerar em sua recessão para longe de nós: o Universo estava se acelerando. Com base em nossas observações de como eles estão se movendo agora, bem como observações do fundo cósmico de microondas, estrutura em grande escala e outros indicadores, determinamos que o Universo é 68% composto de energia escura.
Essa energia não parece diminuir de densidade à medida que o Universo se expande, ao contrário da matéria e da radiação. Enquanto a matéria se torna menos densa à medida que o volume do Universo aumenta, e a radiação também muda para comprimentos de onda mais longos e menos energéticos, a energia escura é uma energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado, a densidade de energia permanece constante.
Enquanto a matéria e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. (E. Siegel / Além da Galáxia)
Isso nos permite, em teoria, prever o destino do Universo. Se a energia escura fosse realmente um tipo constante de energia que não mudasse à medida que o Universo se expandisse, o Universo simplesmente se expandiria para sempre. A taxa de expansão do Hubble seria assíntota para um valor constante e finito de aproximadamente 55 km/s/Mpc. À medida que as galáxias distantes se tornavam cada vez mais distantes, de 10 Mpc a 100 Mpc a 1 Gpc, a velocidade de recessão aumentaria para 550 km/s, 5.500 km/s e depois 55.000 km/s.
Ao contrário de um cenário em que não havia energia escura, o Universo está acelerando. Até onde nossas observações indicam, ele continuará a acelerar a essa taxa constante arbitrariamente no futuro. O destino do Universo deve ser frio, vazio e solitário; apenas os objetos que já estão gravitacionalmente ligados hoje permanecerão ao alcance um do outro.
A câmera avançada do Hubble para pesquisas identificou vários aglomerados de galáxias ultradistantes. Se a energia escura for uma constante cosmológica, todos esses aglomerados permanecerão gravitacionalmente ligados, mas se afastarão de nós e uns dos outros ao longo do tempo, à medida que a energia escura continuar a dominar a expansão do Universo. (NASA, ESA, J. Blakeslee, M. Postman e G. Miley / STScI)
Isso pressupõe, no entanto, que a energia escura é verdadeiramente uma constante cosmológica. Ele assume que não aumenta ou diminui em força ou densidade, que não muda de sinal e que não varia no espaço. Temos boas evidências de que esse é o caso, principalmente a partir de observações de como as galáxias se aglomeram nas maiores escalas.
Mas mesmo com as melhores observações que temos, não podemos ter certeza de que a energia escura seja uma constante cosmológica. Pode variar com o tempo um pouco substancialmente, aumentando ou diminuindo em não mais do que uma certa quantidade. A maneira como quantificamos o quanto a energia escura pode variar é com um parâmetro chamado Dentro , onde se Dentro = -1 exatamente, é uma constante cosmológica. Mas observacionalmente, Dentro = -1,00 ± 0,08 ou mais. Temos todos os motivos para acreditar que seu valor é -1, exatamente.
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)
Se a energia escura não é uma constante, existem duas possibilidades principais de como ela pode mudar. Se Dentro torna-se mais positivo ao longo do tempo, então a energia escura perderá força e potencialmente até reverterá seu sinal. Se este for o caso, o Universo irá parar de acelerar e a taxa de expansão cairá para zero. Se o seu signo inverter, o Universo pode até entrar em colapso, fadado a um Big Crunch.
Não há boas evidências que indiquem que esse será o caso, mas telescópios de próxima geração como o LSST, WFIRST e EUCLID devem ser capazes de medir Dentro para uma precisão de 1-2%, uma grande melhoria em relação ao que temos atualmente. Todos esses observatórios devem ficar online na década de 2020, com o EUCLID programado para chegar primeiro: lançamento em 2021.
Claro, sempre há a opção de Dentro torna-se mais negativo ao longo do tempo, caindo abaixo de -1 e permanecendo lá. Se for esse o caso, algo fascinante acontece: o Universo experimenta um destino conhecido como Big Rip.
As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Se o universo futuro vir a energia escura aumentar em força, estamos caminhando para um cenário de Big Rip. (NASA/CXC/M.Weiss)
Se a energia escura é realmente constante, então 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 – irão permanecer gravitacionalmente unidos por trilhões e trilhões de anos no futuro.
Mas se a energia escura está aumentando em força, o que acontecerá se Dentro <-1, then that acceleration rate will not only drive distant galaxies away from us, but will cause these large-scale structures to become gravitationally unbound as time goes on!
Em um futuro próximo, todas as galáxias em nosso grupo local se fundirão, com a gravidade superando a atração da expansão do Universo. Se o cenário do Big Rip estiver correto, as galáxias em qualquer grupo ou estrutura galáctica serão dilaceradas à medida que a energia escura aumentar em força. (NASA, ESA, Z. Levay e R. van der Marei (STScI); T. Hallas e A. Mellinger)
A energia escura ficará cada vez mais forte ao longo do tempo, e isso terá consequências terríveis para o destino de tudo o que compõe nosso Universo hoje.
Quando a densidade de energia da energia escura aumentar para cerca de dez vezes o que é hoje, será suficiente para impedir que a Via Láctea se funda com Andrômeda. Em vez disso, esse cenário de Big Rip afastará nossa galáxia vizinha de nós, como todas as outras galáxias distantes do Universo. Também desapareceria a Galáxia do Triângulo e a maioria das outras galáxias anãs também. Mas este não será o fim; a energia escura continuará a aumentar em força.
Aumente a densidade de energia da energia escura para cerca de cem vezes seu valor atual, e as estrelas nos arredores da Via Láctea começarão a voar para fora de nossa galáxia. A expansão métrica do espaço será capaz de superar até mesmo a atração gravitacional de toda a matéria em nossa vizinhança local, tanto normal quanto escura.
E se você aumentar a força da energia escura para duzentas ou trezentas vezes seu valor atual, nosso Sol se juntará a essas estrelas externas ao se separar de nossa galáxia. Nosso Sistema Solar voará pelo espaço intergaláctico sozinho.
Em galáxias como NGC 6240, as estrelas podem ser separadas das galáxias devido a interações gravitacionais com outras. No cenário Big Rip, quando a energia escura aumenta para força suficiente, as estrelas na galáxia se desvinculam, com as estrelas mais externas sendo arrancadas primeiro. (ESA/Hubble e NASA)
Mas isso não será o fim do que perderemos em um cenário de Big Rip. A densidade de energia da energia escura continuará a aumentar e, eventualmente, isso ameaçará a existência não apenas do nosso Sistema Solar, mas de todos os Sistemas Solares do Universo. Quando a energia escura se tornar forte o suficiente, os próprios planetas se desvincularão do nosso Sol.
A nuvem de Oort irá primeiro, seguida pelo disco disperso e pelo cinturão de Kuiper, e então Netuno, Urano, Saturno e Júpiter. Os asteróides seriam os próximos, seguidos por Marte. A Terra será lançada fora de órbita quando a energia escura atingir uma densidade 100 bilhões de vezes seu valor atual.
E, finalmente, aqui na Terra, a catástrofe final recairia sobre qualquer um que ficasse para trás. Os seres 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, mesmo o tecido fundamental do próprio espaço-tempo seria dilacerado no final.
O cenário Big Rip ocorrerá se descobrirmos que a energia escura aumenta em força, enquanto permanece negativa em direção ao longo do tempo. A estimativa original para quando isso ocorreria assumia que w = -1,5, o que o colocaria 22 bilhões de anos no futuro. Saber que w não pode ser inferior a -1,1 empurra isso para cerca de 80 bilhões de anos. (Jeremy Teaford/Universidade Vanderbilt)
Felizmente, com as restrições que temos hoje em relação à energia escura, isso Dentro = -1,00 ± 0,08, temos tempo. Se o Universo terminar em um Big Rip, esse é um destino que não acontecerá até 80 bilhões de anos a partir de agora: quase seis vezes a idade atual do Universo. A separação das galáxias umas das outras, o primeiro passo notável no caminho para um Big Rip, não ocorrerá por muitas dezenas de bilhões de anos, mesmo no cenário viável mais pessimista.
Até onde sabemos, não há dados robustos que favoreçam a energia escura aumentando em força versus permanecendo constante, mas temos que ficar mais sensíveis para saber com certeza. O que é certo, no entanto, é que não importa o que as evidências indiquem, vamos medi-lo melhor do que nunca à medida que a década de 2020 se desenrola, com a Terra, o Sol, a galáxia e o grupo local a salvo desse destino por muitas gerações de estrelas. vir. O Big Rip, embora não descartado, pelo menos fica muito tempo no futuro.
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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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