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O maior problema com o universo em expansão

Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

E por que isso pode significar problemas para a energia escura como a conhecemos.

Isso é tudo assunto regular, apenas cinco por cento. Um quarto é matéria escura, que é invisível e detectável apenas pela atração gravitacional, e 70% do universo é composto de energia escura, descrita como uma antigravidade cósmica, ainda totalmente desconhecida. É basicamente todo mistério lá fora – tudo isso, com apenas uma lasca de luz e vida conhecível, vivível e finita. – Verão Brennan

O Big Bang é uma das teorias científicas mais bem-sucedidas de todos os tempos, detalhando como o Universo veio a ser como é hoje ao longo de bilhões de anos de história cósmica. Ela nos diz que começamos de um estado quente, denso, uniforme e em rápida expansão. Em seguida, evoluímos através de um conjunto muito particular de estágios à medida que expandimos e esfriamos:

• formamos os primeiros núcleos atômicos estáveis,
• formamos átomos neutros pela primeira vez,
• matéria colapsou sob a gravidade para formar estrelas,
• os primeiros aglomerados de estrelas se fundiram para formar galáxias e estrutura em grande escala,
• estrelas que queimam seu combustível morrem e expelem elementos pesados ​​para o Universo,
• e esses elementos pesados ​​formam novas estrelas, planetas rochosos e, eventualmente, vida.

No entanto, essa mesma história não nos diz como nosso próprio Universo continuará a evoluir no futuro. O Big Bang nos dá possibilidades, mas sem informações adicionais, não nos diz a resposta.

Crédito da imagem: NASA & ESA, de possíveis modelos do Universo em expansão.

O Universo em expansão é uma corrida entre duas forças opostas: a taxa de expansão inicial, por um lado, se esforçando para separar tudo incrivelmente rapidamente, e a força da gravidade, por outro lado, trabalhando para juntar tudo de volta. A chave para descobrir quem vence – se recaímos, expandimos para sempre, vivemos apenas na fronteira entre os dois ou qualquer outra coisa – é medir qual é a taxa de expansão hoje e também como a taxa de expansão mudou/evoluiu ao longo de grandes períodos. de tempo.

Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

A razão pela qual podemos fazer isso é que diferentes tipos de energia evoluem de forma diferente no Universo. A matéria, por exemplo, tem uma quantidade constante de energia total, mas a densidade de energia diminui à medida que o volume do Universo se expande, então a densidade da matéria cai conforme o cubo inverso do tamanho do Universo. A radiação, por outro lado, também tem seu comprimento de onda, além de diminuir com o volume, o que significa que a densidade de radiação cai como um sobre a quarta potência do tamanho do Universo. Outros tipos de energia – cordas cósmicas, paredes de domínio ou energia escura – também evoluem de acordo com suas próprias equações únicas. Então, se você puder descobrir como o Universo se expandiu em cada conjuntura no passado, qual foi sua taxa, é e como mudou, você pode descobrir exatamente do que o Universo é feito e também qual será seu destino.

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck, do melhor mapa de sempre das flutuações no fundo cósmico de micro-ondas.

Portanto, a chave é fazer essas medições, e temos muitas abordagens diferentes. Uma delas é medir as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas (CMB): o brilho remanescente do Big Bang. O padrão de pontos quentes e pontos frios em diferentes escalas de tamanho nos permite reconstruir uma enorme quantidade de informações sobre o Universo, incluindo do que é feito e qual é a taxa de expansão.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech, da escada de distância cósmica (simbólica).

Outro método é usar diferentes classes de estrelas, galáxias ou supernovas para construir uma escada de distância cósmica. A maneira como você faz isso é medindo as propriedades de um objeto que está próximo ao mesmo tempo em que determina sua distância de você e, em seguida, construa seu caminho para distâncias cada vez maiores medindo as propriedades intrínsecas desse objeto que permitem determinar a distância mais distante. Isso geralmente se baseia em um conceito de uma vela padrão ou régua padrão, da mesma forma que você pode saber a que distância uma lâmpada de 60 watts está de você apenas medindo o quão brilhante ela aparece.

Crédito da imagem: NASA, de um gráfico que descreve a evolução da detecção do universo primitivo, de telescópios espaciais terrestres ao HST e ao futuro JWST.

O problema é que, se você tentar medir a taxa de expansão de dois métodos diferentes – um das flutuações no CMB e outro construindo uma escada de distância cósmica – você obtém dois resultados diferentes que não concordam um com o outro.

Crédito da imagem: James Braatz / NRAO. Você pode ver claramente como os resultados do Planck (ponto mais à esquerda) discordam dos resultados do Hubble para o valor da taxa de expansão do Universo.

De acordo com o CMB, a taxa que o Universo está se expandindo hoje (a taxa de expansão do Hubble) é de 67±1 km/s/Mpc, enquanto de acordo com o outro método (escada de distância), essa taxa é de 74±2 km/s /Mpc. Isso pode não parecer grande coisa, como você pode dizer a si mesmo, talvez esteja em algum lugar entre os dois valores: 70 parece certo. Mas essas incertezas são agora tão pequenas que os dois valores de medição possíveis não se sobreponha . Em vez disso, ficamos com apenas duas possibilidades:

1. Há uma falha fundamental em um dos métodos usados: talvez as suposições e inferências do CMB estejam incorretas, ou talvez nossa incapacidade de calibrar as distâncias menores na escada de distância esteja nos desviando dos valores verdadeiros.
2. Ou, mais emocionante, talvez ambas as medições estejam corretas e estejam medindo coisas diferentes, o que implica que algum componente importante do Universo, como matéria escura ou energia escura, está mudando ao longo do tempo.

Crédito da imagem: NASA, modificado pelo usuário do Wikimedia Commons 老陳, modificado ainda mais por E. Siegel.

A conclusão, no entanto, é que as medições que estamos vendo nos últimos tempos nos dizem que o Universo está se expandindo cerca de 8% mais rápido do que esperávamos com base nas medições iniciais. Há algo engraçado acontecendo na física; existe talvez um neutrino extra que está jogando conosco? Ou a energia escura é algo diferente do que pensávamos, e isso significa que o cenário do Big Rip, onde o Universo se separa bilhões de anos no futuro, é provável, afinal?

Crédito da imagem: Jeremy Teaford/Vanderbilt University, do cenário Big Rip.

Neste momento, a única solução é reunir mais e melhores informações, pois a própria resposta está escrita na história do Universo. Se quisermos saber com certeza, cabe a nós investigar e ver o que ele nos diz sobre si mesmo!

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !

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