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Pergunte a Ethan: A energia escura fará com que o Big Bang desapareça?

Quanto mais longe olhamos, mais perto no tempo estamos vendo o Big Bang. À medida que nossos observatórios melhoram, podemos ainda revelar as primeiras estrelas e galáxias, e descobrir os limites até os quais, além delas, não existem. (Crédito: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

• A energia escura está causando a expansão do universo a acelerar, dirigir galáxias e luz mais distante de nós.
• No futuro distante, nenhum sinal além do nosso Grupo Local permanecerá visível, eliminando as evidências que usamos para descobrir o Big Bang.
• Mas uma série de medições muito inteligentes, se formos experientes o suficiente para fazê-las, ainda podem revelar nossa história cósmica para nós.

13,8 bilhões de anos atrás, o universo como o conhecemos ⁠- cheio de matéria e radiação, expansão e resfriamento e gravitando ⁠- entrou em existência com o início do hot Big Bang. Hoje, podemos ver e medir os sinais de que a viagem até nós de enormes distâncias cósmicas, o que nos permite reconstruir com sucesso história do universo e como chegamos a ser. Mas com o passar do tempo, uma nova forma de energia em nosso universo - a energia escura - domina cada vez mais a expansão do espaço. Como a energia escura assume, ele acelera a expansão do universo, o que elimina gradualmente a informação chave necessária para tirar as conclusões Chegamos hoje.

É o suficiente para fazer uma pergunta: se nascêssemos em um futuro distante em vez de hoje, seríamos capazes de aprender sobre o Big Bang? Isso é o que Apoiador do Patreon Aaron Weiss queria saber, perguntando:

[A] em algum ponto no futuro, todos os objetos não ligados gravitacionalmente a nós irão recuar. [Os] únicos pontos de luz no céu noturno serão objetos em nosso Grupo Local. Nesse momento, haverá alguma evidência da expansão do universo que possa sugerir aos futuros astrônomos que existem/existiam estrelas e galáxias além do que seria visível para eles? Eles teriam linhas-de-site que levam a nada além do CMB?

Nossa capacidade de responder a perguntas fundamentais sobre o universo depende de quando e onde existimos na história cósmica? Vamos olhar para o futuro distante para descobrir.

O fundo cósmico de micro-ondas parece muito diferente para observadores em diferentes desvios para o vermelho, porque eles estão vendo como era antes. Em um futuro distante, essa radiação mudará para o rádio e sua densidade cairá rapidamente, mas nunca desaparecerá completamente. (Crédito: NASA/BlueEarth; ESO/S. Brunier; NASA/WMAP)

Hoje, existem quatro grandes evidências que normalmente consideramos as pedras angulares do Big Bang quente. Toda a razão pela qual consideramos o Big Bang como o consenso científico incontestável é porque é a única estrutura, consistente com as leis da física (como a Relatividade Geral de Einstein), que explica as quatro observações a seguir:

1. o universo em expansão, descoberto através da relação redshift-distância para galáxias
2. a abundância dos elementos leves, medidos através de várias nuvens de gás, nebulosas e populações estelares em todo o universo
3. o brilho restante do Big Bang, que é o fundo cósmico de micro-ondas de hoje, detectado diretamente por micro-ondas e observatórios de rádio
4. o crescimento da estrutura em grande escala no universo, conforme revelado pela evolução das galáxias e seus padrões de aglomeração e agrupamento vistos ao longo do tempo cósmico

É importante lembrar que a cosmologia, como todos os ramos das ciências astronômicas, é fundamentalmente impulsionada por observações. O que quer que nossas teorias prevejam, só podemos compará-las com observações no universo. A maneira como descobrimos cada um desses fenômenos em nosso universo tem sua própria história notável, mas é uma história que não estará por perto para sempre observarmos.

O crescimento da teia cósmica e a estrutura em grande escala no Universo, mostradas aqui com a expansão em si, resulta no Universo se tornando mais aglomerado e desagregado com o passar do tempo. Inicialmente, pequenas flutuações de densidade crescerão para formar uma teia cósmica com grandes vazios separando-os. No entanto, uma vez que as galáxias mais próximas recuem para distâncias muito grandes, teremos uma dificuldade extraordinária em reconstruir a história evolutiva do nosso cosmos. (Crédito: Volker Springel)

A razão é simples: as conclusões que tiramos são informadas pela luz que podemos observar. Quando olhamos para o universo com nossas melhores ferramentas modernas, vemos muitos objetos dentro de nossa própria galáxia – a Via Láctea – bem como muitos objetos cuja luz se origina muito além de nosso próprio quintal cósmico. Embora isso seja algo que damos como certo, talvez não devêssemos. Afinal, as condições em nosso universo hoje não serão as mesmas de um futuro distante.

Nossa galáxia doméstica atualmente se estende por pouco mais de 100.000 anos-luz de diâmetro e contém cerca de 400 bilhões de estrelas, bem como grandes quantidades de gás, poeira e matéria escura, com uma grande variedade de populações estelares: velhas e jovens, vermelho e azul, de baixa e alta massa, e contendo pequenas e grandes frações de elementos pesados. Além disso, temos talvez 60 outras galáxias dentro do Grupo Local (dentro de cerca de 3 milhões de anos-luz) e algo em torno de 2 trilhões de galáxias espalhadas por todo o universo visível. Ao olhar para objetos mais distantes no espaço, estamos medindo-os ao longo do tempo cósmico, o que nos permite reconstruir a história do universo.

Menos galáxias são vistas próximas e a grandes distâncias do que em galáxias intermediárias, mas isso se deve a uma combinação de fusões de galáxias, evolução e nossa incapacidade de ver as próprias galáxias ultradistantes e ultra fracas. Muitos efeitos diferentes estão em jogo quando se trata de entender como a luz do universo distante é desviada para o vermelho. (Crédito: NASA/ESA)

O problema, porém, é que o universo não é apenas a expansão, mas que a expansão está se acelerando devido à existência e as propriedades da energia escura. Nós entendemos que o universo é uma luta - uma corrida, do tipo - entre dois jogadores principais:

1. a taxa de expansão inicial com a qual o universo nasceu no início do Big Bang quente
2. a soma total de todas as formas de matéria e energia no universo

A expansão inicial compele o tecido do espaço a se expandir, esticando todos os objetos soltos cada vez mais longe uns dos outros. Com base na densidade total de energia do universo, a gravitação funciona para neutralizar essa expansão. Como resultado, você pode imaginar três destinos possíveis para o universo:

• vitórias de expansão, e não há gravidade suficiente em todo o material existente para neutralizar a expansão inicial grande, e tudo se expande para sempre
• a gravitação vence, e o universo se expande até um tamanho máximo e depois volta a colapsar
• uma situação entre os dois, onde a taxa de expansão assíntota para zero, mas nunca se inverte

Era isso que esperávamos. Mas acontece que o universo está fazendo uma quarta coisa, e bastante inesperada.

Os diferentes destinos possíveis do universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará cada estrutura galáctica ou supergaláctica ligada completamente isolada no universo, enquanto todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante. Mas suas implicações são maiores para o futuro. (Crédito: NASA e ESA)

Nos primeiros bilhões de anos de nossa história cósmica, parecia que estávamos bem na fronteira entre a expansão eterna e uma eventual recontração. Se você observasse galáxias distantes ao longo do tempo, cada uma continuaria a se afastar de nós. No entanto, sua velocidade de recessão inferida – conforme determinado a partir de seus redshifts medidos – pareceu diminuir ao longo do tempo. Isso é exatamente o que você esperaria de um universo rico em matéria que estava se expandindo.

Mas cerca de seis bilhões de anos atrás, essas mesmas galáxias de repente começou a recuar a partir de nós mais rapidamente. Na verdade, a velocidade de recessão inferido de cada objeto que ainda não esteja gravitacionalmente ligadas a nós - ou seja, que está fora do nosso Grupo Local - tem vindo a aumentar ao longo do tempo, uma descoberta que foi confirmada por uma grande conjunto de observações independentes.

O culpado? Deve haver uma nova forma de energia permeando o universo que é inerente ao tecido do espaço, que não se dilui, mas mantém uma densidade de energia constante com o passar do tempo. Essa energia escura passou a dominar o orçamento de energia do universo e assumirá inteiramente no futuro distante. À medida que o universo continua a se expandir, a matéria e a radiação ficam menos densas, mas a densidade da energia escura permanece constante.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) 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. No futuro distante, a energia escura será o único componente do universo importante para determinar nosso destino cósmico. (Crédito: E. Siegel/Além da Galáxia)

Isso terá muitos efeitos, mas uma das coisas mais fascinantes que ocorrerão é que nosso Grupo Local permanecerá gravitacionalmente unido. Enquanto isso, todas as outras galáxias, grupos de galáxias, aglomerados de galáxias e quaisquer estruturas maiores irão acelerar para longe de nós. Se tivéssemos surgido em uma data posterior ao Big Bang - 100 bilhões ou mesmo alguns trilhões de anos após o Big Bang, em oposição a 13,8 bilhões de anos - a maioria das evidências que usamos atualmente para inferir o Big Bang seria, por então, ser completamente removido de nossa visão do universo.

Nossa primeira dica do universo em expansão veio de medir a distância até, e os desvios para o vermelho de, as galáxias mais próximas além do nosso próprio país. Hoje, essas galáxias são apenas alguns milhões, a poucas dezenas de milhões, de anos-luz de distância de nós. Eles são brilhante e luminosa, facilmente revelado com as menores telescópios ou até mesmo um par de binóculos. Mas no futuro distante, as galáxias do Grupo Local serão todos se fundem, e até mesmo as galáxias mais próximos além do nosso grupo local vai recuaram afastado para tremendamente grandes distâncias e faintnesses incríveis. Uma vez que passa tempo suficiente, os telescópios mais poderosos, mesmo de hoje, revelaria não uma única galáxia além de nossa própria, mesmo se eles estavam a observar o abismo do espaço vazio por semanas a fio.

Olhando para trás através do tempo cósmico no Hubble Ultra Deep Field, o ALMA detectou a presença de gás monóxido de carbono. Isso permitiu aos astrônomos criar uma imagem tridimensional do potencial de formação de estrelas do cosmos, com galáxias ricas em gás mostradas em laranja. Num futuro distante, serão necessários observatórios maiores e com comprimento de onda mais longo para revelar até as galáxias mais próximas. (Crédito: R. Decarli (MPIA); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

Essa expansão acelerada, provocada pelo domínio da energia escura, também nos roubaria informações críticas sobre os outros pilares do Big Bang.

• Sem outras galáxias ou aglomerados/grupos de galáxias para observar além do nosso, não há como medir a estrutura em larga escala do universo e inferir como a matéria se agrupou, se agrupou e evoluiu ao longo dele.
• Sem populações de gás e poeira fora de nossa própria galáxia, particularmente com diferentes abundâncias de elementos pesados, não há como reconstruir a abundância inicial dos elementos mais leves antes da formação das estrelas.
• Depois de uma quantidade enorme de tempo, não haverá mais fundo cósmico de micro-ondas, pois a radiação remanescente do Big Bang se tornará tão esparsa e de baixa energia, esticada e rarefeita pela expansão do universo, que não será mais detectável .

À primeira vista, parece que, sem os quatro pilares de hoje, seríamos completamente incapazes de aprender sobre nossa verdadeira história cósmica e o estágio inicial, quente e denso que deu origem ao universo como o conhecemos. Em vez disso, veríamos que o que quer que nosso Grupo Local se torne – provavelmente uma galáxia evoluída, livre de gás e potencialmente elíptica – parece que estamos sozinhos em um universo vazio.

A galáxia mostrada no centro da imagem aqui, MCG+01-02-015, é uma galáxia espiral barrada localizada dentro de um grande vazio cósmico. É tão isolado que, se a humanidade estivesse localizada nesta galáxia em vez da nossa e desenvolvesse a astronomia na mesma proporção, não teríamos detectado a primeira galáxia além da nossa até atingirmos níveis tecnológicos alcançados apenas na década de 1960. No futuro distante, cada habitante do universo terá ainda mais dificuldade em reconstruir nossa história cósmica. (Crédito: ESA/Hubble & NASA, N. Gorin (STScI), Reconhecimento: Judy Schmidt)

Mas isso não significa que não teremos nenhum sinal que possa nos levar a conclusões sobre nossas origens cósmicas. Muitas pistas ainda permaneceriam, tanto teórica quanto observacionalmente. Com uma espécie inteligente o suficiente investigando-os, eles podem ser capazes de fazer inferências corretas sobre o Big Bang quente, o que poderia ser confirmado através do processo de investigação científica.

Veja como uma espécie de um futuro distante poderia descobrir tudo.

Teoricamente, uma vez que descobrimos o presente lei da gravidade - a relatividade geral de Einstein - poderíamos aplicá-la a todo o universo, chegando às mesmas soluções iniciais que descobrimos aqui na Terra durante os anos 1910 e os anos 1920, incluindo a solução para um isotrópico e universo homogêneo. Descobriríamos que um universo estático que foi preenchido com o material era instável e, portanto, deve estar se expandindo ou contraindo. Matematicamente, gostaríamos de trabalhar as consequências de um universo em expansão como um modelo de brinquedo. Mas na superfície, o universo parece estar apresentando uma solução de estado estacionário. No entanto, indícios observacionais ainda existiria.

O aglomerado Terzan 5 tem muitas estrelas mais velhas e de menor massa presentes (fracas e em vermelho), mas também estrelas mais quentes, mais jovens e de maior massa, algumas das quais irão gerar ferro e elementos ainda mais pesados. Ele contém uma mistura de estrelas da População I e da População II, indicando que este aglomerado passou por vários episódios de formação estelar. As diferentes propriedades de diferentes gerações podem nos levar a tirar conclusões sobre as abundâncias iniciais dos elementos leves. (Crédito: NASA/ESA/Hubble/F. Ferraro)

Em primeiro lugar, as populações estelares dentro de nossa própria galáxia ainda viriam em tremendas variedades. As estrelas de vida mais longa do universo podem persistir por muitos trilhões de anos. Novos episódios de formação estelar, embora se tornem um tanto raros, ainda devem ocorrer, desde que o gás do nosso Grupo Local não se esgote totalmente. Através da ciência da astronomia estelar, isso significa que ainda poderíamos determinar não apenas a idade de várias estrelas, mas suas metalicidades: a abundância dos elementos pesados ​​com os quais elas nasceram. Assim como fazemos hoje, seríamos capazes de extrapolar para antes da formação das primeiras estrelas, quão abundantes eram os vários elementos, e encontraríamos as mesmas abundâncias de hélio-3, hélio-4 e deutério que a ciência da A nucleossíntese do Big Bang rende hoje.

Poderíamos então procurar três sinais específicos:

1. O brilho remanescente severamente desviado para o vermelho do Big Bang, com apenas alguns fótons de radiofrequência de comprimento de onda extremamente longo chegando de todo o céu. Um grande e ultra-cool observatório de rádio no espaço poderia encontrá-lo, mas teríamos que saber como construí-lo.
2. Um sinal ainda mais grave e obscuro surgiria desde tempos muito antigos: a transição de 21 cm de rotação do hidrogênio. Quando você forma um átomo de hidrogênio a partir de prótons e elétrons, 50% dos átomos têm spins alinhados e 50% têm spins anti-alinhados. Ao longo de escalas de tempo de cerca de 10 milhões de anos, os átomos alinhados mudarão seus spins, emitindo radiação de um comprimento de onda muito específico que é desviado para o vermelho. Se soubéssemos o comprimento de onda e as faixas de sensibilidade em que precisávamos olhar, poderíamos detectar esse fundo.
3. As galáxias ultra-distantes e ultra-fracas que ficam na borda do universo, mas nunca desaparecem completamente de nossa visão. Isso exigiria a construção de um telescópio grande o suficiente e na faixa de comprimento de onda adequada. Teríamos apenas que saber o suficiente para justificar a construção de algo tão intensivo em recursos para olhar para distâncias tão grandes, apesar de não ter nenhuma evidência direta de tais objetos nas proximidades.

A renderização deste artista mostra uma visão noturna do Extremely Large Telescope em operação em Cerro Armazones, no norte do Chile. O telescópio é mostrado usando lasers para criar estrelas artificiais no alto da atmosfera. Um observatório maior e com comprimento de onda maior, provavelmente no espaço, será necessário para revelar até as galáxias mais próximas em um futuro distante. Crédito: ESO/L. Calçada.)

É uma tarefa incrivelmente difícil imaginar o universo como será em um futuro distante, quando todas as evidências que nos levaram às nossas conclusões atuais não forem mais acessíveis a nós. Em vez disso, temos que pensar no que estará presente e observável – obviamente e somente se você descobrir como procurá-lo – e então imaginar um caminho para a descoberta. Mesmo que a tarefa seja mais difícil daqui a centenas de bilhões, ou mesmo trilhões de anos, uma civilização inteligente e esperta o suficiente seria capaz de criar seus próprios quatro pilares da cosmologia que os levaram ao Big Bang.

As pistas mais fortes viriam das mesmas considerações teóricas que aplicamos nos primórdios da relatividade geral de Einstein e da ciência observacional da astronomia estelar, em particular uma extrapolação para as abundâncias primordiais dos elementos leves. A partir dessas evidências, poderíamos descobrir como prever a existência e as propriedades do brilho remanescente do Big Bang, a transição spin-flip do hidrogênio neutro e, eventualmente, as galáxias ultradistantes e ultra fracas que ainda podem ser observado. Não será uma tarefa fácil. Mas se descobrir a natureza da realidade é importante para uma civilização de um futuro distante, isso pode ser feito. O sucesso, no entanto, depende inteiramente de quanto eles estão dispostos a investir.

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