Pergunte a Ethan: Quando a matéria escura e a energia escura foram criadas?

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram, que podemos realmente entender nosso cosmos. A origem temporal da matéria escura e da energia escura tem restrições, mas um tempo exato de origem é desconhecido. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Eles compõem 95% do nosso Universo hoje, mas nem sempre foram tão importantes.


Um dos mistérios mais intrigantes sobre o Universo é simplesmente, onde está tudo? Tudo o que podemos ver, encontrar ou interagir é composto de partículas do Modelo Padrão, incluindo fótons, neutrinos, elétrons e os quarks e glúons que compõem os blocos de construção de nossos átomos. No entanto, quando olhamos para o oceano cósmico, descobrimos que tudo isso representa pouco menos de 5% da energia total do Universo; o resto é invisível. Chamamos os componentes ausentes de energia escura (68%) e matéria escura (27%), mas não sabemos o que são. Será que sequer sabemos quando eles surgiram? É isso que Alon David quer saber, perguntando:



Hoje [matéria normal] é de apenas 4,9%, enquanto a Matéria Escura e a Energia Escura ficam com o resto. De onde eles vieram?



Vamos descobrir.

A partir do fim da inflação e do início do Big Bang quente, podemos traçar nossa história cósmica. A matéria escura e a energia escura são ingredientes necessários hoje, mas ainda não está decidido quando se originaram. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)



Há muito que não sabemos sobre matéria escura e energia escura, mas há muitas coisas que podemos dizer definitivamente sobre elas. Observamos que a energia escura afeta a expansão do Universo, tornando-se proeminente e detectável apenas cerca de 6 a 9 bilhões de anos atrás. Parece ser o mesmo em todas as direções; parece ter uma densidade de energia constante ao longo do tempo; parece não se aglomerar ou aglomerar ou antiaglomerar com a matéria, indicando que é uniforme em todo o espaço. Quando observamos como o Universo se expande, a energia escura é absolutamente necessária, com aproximadamente 68% da energia total do Universo atualmente existente na forma de energia escura.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença da energia escura. (NASA e ESA)

A matéria escura, por outro lado, mostrou seus efeitos por toda a história de 13,8 bilhões de anos do nosso Universo. A grande teia cósmica de estrutura, desde os primeiros tempos até os dias atuais, requer que a matéria escura exista em cerca de cinco vezes a abundância da matéria normal. A matéria escura se aglomera e se aglomera, e seus efeitos podem ser vistos na formação dos primeiros quasares, galáxias e nuvens de gás. Mesmo antes disso, os efeitos gravitacionais da matéria escura aparecem na primeira luz do Universo: o fundo cósmico de micro-ondas ou o brilho remanescente do Big Bang. O padrão de imperfeições exige que o Universo seja feito de cerca de 27% de matéria escura, em comparação com apenas 5% de matéria normal. Sem ela, tudo o que observamos seria impossível de explicar.



O melhor mapa do CMB e as melhores restrições à energia escura e o parâmetro Hubble dele. Chegamos a um Universo que é 68% de energia escura, 27% de matéria escura e apenas 5% de matéria normal desta e de outras linhas de evidência. (ESA & THE PLANCK COLABORATION (TOP); P. A. R. ADE ET AL., 2014, A&A (BAIXO).)

Mas isso significa necessariamente que a matéria escura e a energia escura foram criadas no momento do Big Bang? Ou existem outras possibilidades? A coisa difícil sobre o Universo é que só podemos ver as partes que são acessíveis a nós hoje. Quando um efeito é muito pequeno para ser visto – como quando outros efeitos são mais importantes – só podemos tirar inferências, não conclusões sólidas.

Isso é particularmente problemático para a energia escura. À medida que o Universo se expande, ele se dilui; o volume aumenta enquanto o número total de partículas dentro dele permanece o mesmo. A densidade da matéria (tanto normal quanto escura) diminui; a densidade de radiação diminui ainda mais rápido (já que o número de partículas não apenas diminui, mas a energia por fóton diminui devido ao desvio para o vermelho); mas a densidade de energia escura 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)

Nosso Universo pode ser dominado pela energia escura hoje, mas este é um acontecimento relativamente recente. No passado, o Universo era menor e mais denso, o que significa que as densidades de matéria (e radiação) eram muito maiores. Cerca de 6 bilhões de anos atrás, as densidades de matéria e energia escura eram iguais; cerca de 9 bilhões de anos atrás, a densidade de energia escura é baixa o suficiente para que seus efeitos na taxa de expansão do Universo não fossem perceptíveis. Quanto mais extrapolamos no tempo (ou tamanho/escala do Universo), mais difícil se torna ver e medir os efeitos da energia escura.



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. À medida que a matéria se torna cada vez menos importante, a energia escura se torna o único termo que importa. Os estágios iniciais, no entanto, tornam muito mais difícil detectar a energia escura menos importante. (HISTÓRIAS QUÂNTICAS)

No melhor de nossa capacidade, parece que a energia escura tem uma densidade de energia absolutamente constante. Podemos usar os dados que temos para restringir a equação de estado da energia escura, que parametrizamos por uma quantidade conhecida como Dentro . Se a energia escura é exatamente uma constante cosmológica, então Dentro = -1, exatamente, e não muda com o tempo. Usamos todo o conjunto de dados cosmológicos que temos – desde a estrutura em grande escala, do fundo cósmico em micro-ondas, de objetos a grandes distâncias cósmicas – para restringir Dentro o melhor possível. As restrições mais rigorosas vêm das oscilações acústicas bariônicas e nos dizem que Dentro = -1,00 ± 0,08, com futuros observatórios como LSST e WFIRST prontos para reduzir essas incertezas para cerca de 1%.

Uma ilustração de como as densidades de radiação (vermelho), neutrino (tracejado), matéria (azul) e energia escura (pontilhada) mudam ao longo do tempo. Neste novo modelo, a energia escura seria substituída pela curva preta sólida, que até agora é indistinguível, observacionalmente, da energia escura que presumimos. (FIGURA 1 DE F. SIMPSON ET AL. (2016), VIA ARXIV.ORG/ABS/1607.02515 )

Isso não significa necessariamente que a energia escura sempre existiu com uma densidade de energia constante, no entanto. Pode mudar ao longo do tempo, desde que mude dentro das restrições observacionais. Pode haver uma conexão entre a energia escura e a expansão inicial do Universo pré-Big Bang, conhecida como inflação cósmica, que é a ideia por trás dos campos de quintessência. Ou a energia escura pode ser um efeito que não existia nos estágios iniciais do Universo, e só se manifestou em tempos tardios.

Não temos evidências que falem de uma forma ou de outra sobre a presença ou ausência da energia escura nos primeiros 4 bilhões de anos da história do Universo. Temos boas razões para presumir que não mudou, mas não a certeza observacional para apoiá-lo.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura de grande escala exige isso, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

A matéria escura, por outro lado, deve ter existido desde tempos muito antigos. O padrão de flutuações que vemos na CMB é a evidência mais antiga que temos da matéria escura em nosso Universo, datando de aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang. No entanto, já impressa no padrão de picos e vales nas flutuações da escala angular está a evidência esmagadora da matéria escura, naquela proporção crítica de 5 para 1 com a matéria normal. A matéria escura não apenas fornece as sementes da estrutura, o que faz com que cada vez mais matéria escura caia nas regiões superdensas (e se perca nas regiões subdensas), mas também o faz desde os primeiros estágios do Universo.

As alturas e posições relativas desses picos acústicos, derivadas dos dados do Fundo de Microondas Cósmicas, são definitivamente consistentes com um Universo feito de 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria normal. Os desvios são fortemente restritos. (RESULTADOS PLANCK 2015. XX. RESTRIÇÕES À INFLAÇÃO — COLABORAÇÃO PLANCK (ADE, P.A.R. ET AL.) ARXIV:1502.02114)

No entanto, isso não significa necessariamente que a matéria escura estava presente no instante do Big Bang quente. A matéria escura poderia ter sido criada a partir do momento em que a inflação acabou; poderia ter sido criado a partir de interações de alta energia que ocorreram imediatamente depois; poderia ter surgido de partículas de alta energia na escala GUT; poderia ter surgido de uma simetria quebrada (como uma simetria do tipo Peccei-Quinn) um pouco mais tarde; poderia ter surgido de neutrinos Dirac destros quando ganharam massas ultrapesadas de um mecanismo de gangorra cósmica; eles poderiam ter permanecido sem massa até que a simetria eletrofraca quebrasse, o que poderia estar conectado à matéria escura.

Uma ilustração dos padrões de agrupamento devido às oscilações acústicas de Baryon, onde a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma certa distância de qualquer outra galáxia é governada pela relação entre a matéria escura e a matéria normal. À medida que o Universo se expande, essa distância característica também se expande, permitindo-nos medir a constante de Hubble, a densidade da matéria escura e até o índice espectral escalar. Os resultados concordam com os dados do CMB, e um Universo composto de 27% de matéria escura, em oposição a 5% de matéria normal. (ZÓSIA ROSTOMIA)

Sem saber exatamente o que é a matéria escura – incluindo se é ou não uma partícula – não podemos afirmar com certeza exatamente quando ela pode ter surgido. Mas a partir das medições da estrutura em grande escala do Universo, incluindo as assinaturas impressas na imagem mais antiga de todas, podemos ter certeza absoluta de que a matéria escura surgiu nos estágios iniciais do Big Bang e, possivelmente, no início de tudo. A energia escura pode ter estado presente o tempo todo, ou pode ter surgido muito mais tarde; há uma exploração substancial da ideia de que somente quando estruturas complexas se formam, a energia escura surge e se torna importante no Universo.

A importância relativa da matéria escura, energia escura, matéria normal e neutrinos e radiação são ilustradas aqui. Embora a energia escura domine hoje, era insignificante no início. A matéria escura tem sido muito importante por tempos cósmicos extremamente longos, e podemos ver suas assinaturas até mesmo nos primeiros sinais do Universo. (E. SELO)

Parte do grande desafio para a cosmologia moderna é descobrir a natureza desses componentes ausentes do Universo. Se pudermos fazer exatamente isso, começaremos a entender quando e como surgiram a matéria escura e a energia escura. O que podemos dizer com certeza é que, nos estágios iniciais, a radiação era o componente dominante do Universo, com pequenas quantidades de matéria normal sempre presentes. A matéria escura pode ter surgido bem no início, ou pode ter surgido um pouco mais tarde, mas ainda muito cedo. Atualmente, acredita-se que a energia escura sempre existiu, mas só se tornou importante e detectável quando o Universo já tinha bilhões de anos. Determinar o resto é uma tarefa para o nosso futuro científico.


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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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