• Começa Com Um Estrondo

A energia escura pode não ser uma constante, o que levaria a uma revolução na física

O jato de raios-X mais distante do Universo, do quasar GB 1428, ajuda a ilustrar o quão brilhantes são esses objetos fantásticos. Se pudermos descobrir como usar quasares para medir a expansão do Universo, podemos entender a natureza da energia escura como nunca antes. (RAIO X: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; ÓPTICO: NASA/STSCI; RÁDIO: NSF/NRAO/VLA)

Um novo estudo afirma que a energia escura está mudando com o tempo. Aqui está o que isso significaria, se for verdade.

Para a geração passada, reconhecemos que nosso Universo é um lugar particularmente escuro. Claro, está cheio de estrelas, galáxias e uma série de fenômenos emissores de luz em todos os lugares que olhamos. Mas todos e cada um dos processos conhecidos que geram luz são baseados nas partículas do Modelo Padrão: a matéria normal em nosso Universo. Toda a matéria normal que existe – prótons, nêutrons, elétrons, neutrinos, etc. – representa apenas 5% do que está lá fora.

Os outros 95% são um mistério obscuro, mas não pode ser nenhuma das partículas que conhecemos. De acordo com nossas melhores medições, 27% do Universo é feito de algum tipo de matéria escura, que não interage com a luz ou a matéria normal de nenhuma maneira conhecida. E os 68% restantes são energia escura, que parece ser uma forma de energia inerente ao próprio espaço. Um novo conjunto de observações está desafiando o que pensamos atualmente sobre energia escura . Se continuar, tudo o que sabemos vai mudar.

Sem energia escura, o Universo não estaria acelerando. Mas para explicar as supernovas distantes que vemos, entre outras características, a energia escura (ou algo que a imita exatamente) parece ser necessária. (NASA & ESA, DE POSSÍVEIS MODELOS DO UNIVERSO EM EXPANSÃO)

A melhor técnica que temos para entender do que o Universo é feito não é sair e contar diretamente tudo o que está lá fora. Se essa fosse a única maneira de fazer isso, perderíamos literalmente 95% do Universo, pois não é mensurável diretamente. Em vez disso, o que podemos fazer é usar uma peculiaridade da Relatividade Geral: o fato de que todas as diferentes formas de matéria e energia afetam o próprio tecido do espaço-tempo, assim como ele muda com o tempo.

Em particular, medindo qual é a taxa de expansão hoje e como a taxa de expansão mudou ao longo de nossa história cósmica, podemos usar essas relações conhecidas para reconstruir do que o Universo deve ser composto. A partir do conjunto completo de dados disponíveis, incluindo informações de supernovas, a estrutura em grande escala do Universo e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, conseguimos construir a imagem de concordância: 5% de matéria normal, 27% de matéria escura, e 68% de energia escura.

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, o fundo cósmico de microondas (CMB) e oscilações acústicas bariônicas (BAO) encontradas na estrutura em grande escala do Universo. Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura. Versões mais atualizadas deste gráfico estão disponíveis, mas os resultados permanecem praticamente inalterados. (PROJETO DE COSMOLOGIA SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Até onde sabemos, a matéria escura se comporta exatamente como a matéria normal do ponto de vista gravitacional. A massa total da matéria escura é fixa, então, à medida que o Universo se expande e o volume aumenta, a densidade da matéria escura cai, assim como acontece com a matéria normal.

A energia escura é pensada para ser diferente, no entanto. Em vez de ser um tipo de partícula, parece se comportar como se fosse um tipo de energia intrínseca ao próprio espaço. À medida que o espaço se expande, a densidade de energia escura permanece constante, em vez de diminuir ou aumentar. Como resultado, depois que o Universo se expandiu por tempo suficiente, a energia escura passa a dominar o orçamento de energia do Universo. Com o passar do tempo, torna-se progressivamente mais dominante sobre os outros componentes, levando à expansão acelerada que observamos hoje.

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. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Tradicionalmente, as técnicas para medir a expansão do Universo contam com um dos dois indicadores observáveis.

1. Velas padrão : onde o comportamento intrínseco de uma fonte de luz é conhecido, e podemos medir o brilho observado, inferindo assim sua distância. Ao medir a distância e o redshift para um grande número de fontes, podemos reconstruir como o Universo se expandiu.
2. Réguas padrão : onde uma escala de tamanho intrínseca de um objeto ou fenômeno é conhecida, e podemos medir o tamanho angular aparente desse mesmo objeto ou fenômeno. Ao converter de tamanho angular para tamanho físico e medir o desvio para o vermelho, podemos reconstruir de maneira semelhante como o Universo se expandiu.

A dificuldade com qualquer uma dessas técnicas – o tipo de coisa que mantém os astrônomos acordados à noite – é o medo de que nossas suposições sobre o comportamento intrínseco possam estar erradas, influenciando nossas conclusões.

Dois dos métodos mais bem-sucedidos para medir grandes distâncias cósmicas são baseados em seu brilho aparente (L) ou em seu tamanho angular aparente (R), ambos diretamente observáveis. Se pudermos entender as propriedades físicas intrínsecas desses objetos, podemos usá-los como velas padrão (L) ou réguas padrão (R) para determinar como o Universo se expandiu e, portanto, do que é feito ao longo de sua história cósmica. (NASA/JPL-CALTECH)

Até agora, nossas melhores velas padrão nos levaram muito longe na história do Universo: à luz que foi emitida quando o Universo tinha aproximadamente 4 bilhões de anos. Considerando que temos quase 14 bilhões de anos hoje, conseguimos medir muito longe, com supernovas do tipo Ia fornecendo o indicador de distância mais confiável e robusto para sondar a energia escura.

Recentemente, no entanto, uma equipe de cientistas começou a usar quasares emissores de raios-X, que são muito mais brilhantes e, portanto, visíveis em épocas ainda mais antigas: quando o Universo tinha apenas um bilhão de anos. Dentro um novo jornal interessante , os cientistas Guido Risaliti e Elisabeta Lusso usam quasares como uma vela padrão para ir mais longe do que jamais medimos a natureza da energia escura. O que eles encontraram ainda é uma tentativa, mas surpreendente, no entanto.

Um novo estudo usando dados do Chandra, XMM-Newton e Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sugere que a energia escura pode ter variado ao longo do tempo cósmico. A ilustração deste artista ajuda a explicar como os astrônomos rastrearam os efeitos da energia escura até cerca de um bilhão de anos após o Big Bang, determinando as distâncias de quase 1.600 quasares, buracos negros de rápido crescimento que brilham extremamente. Dois dos quasares mais distantes estudados são mostrados nas imagens do Chandra nas inserções. (ILUSTRAÇÃO: NASA/CXC/M.WEISS; RAIO X: NASA/CXC/UNIV. OF FLORENCE/G.RISALITI & E.LUSSO)

Usando dados de cerca de 1.600 quasares e um novo método para determinar as distâncias até eles, eles encontraram uma forte concordância com os resultados de supernovas para quasares dos últimos 10 bilhões de anos: a energia escura é real, cerca de dois terços da energia do Universo , e parece ser uma constante cosmológica na natureza.

Mas também encontraram quasares mais distantes, que mostraram algo inesperado: nas maiores distâncias, há um desvio desse comportamento constante. Risaliti escreveu um post aqui no blog , detalhando as implicações de seu trabalho, incluindo esta joia:

Nosso diagrama de Hubble final nos deu resultados completamente inesperados: enquanto nossa medida da expansão do Universo estava de acordo com supernovas na faixa de distância comum (de uma idade de 4,3 bilhões de anos até os dias atuais), a inclusão de quasares mais distantes mostra um forte desvio das expectativas do modelo cosmológico padrão! Se explicarmos esse desvio através de um componente de energia escura, descobriremos que sua densidade deve aumentar com o tempo.

A relação entre o módulo de distância (eixo y, uma medida de distância) e redshift (eixo x), juntamente com os dados do quasar, em amarelo e azul, com os dados do supernove em ciano. Os pontos vermelhos são médias dos pontos de quasar amarelos agrupados. Enquanto os dados de supernova e quasar concordam um com o outro onde ambos estão presentes (até redshift de 1,5 ou mais), os dados do quasar vão muito mais longe, indicando um desvio da interpretação constante (linha sólida). (G. RISALITI E E. LUSSO, ARXIV: 1811.02590)

Esta é uma medida notoriamente difícil de fazer, lembre-se, e a primeira coisa que você pode pensar é que os quasares que medimos podem não ser confiáveis ​​como uma vela padrão.

Se esse foi o seu pensamento: parabéns! Isso é algo que aconteceu uma vez antes, quando as pessoas tentaram usar explosões de raios gama como um indicador de distância para ir além do que a supernova poderia nos ensinar. À medida que aprendemos mais sobre essas rajadas, descobrimos que elas eram intrinsecamente fora do padrão, além de descobrir nossos próprios vieses em quais tipos de rajadas poderíamos detectar. Um ou ambos os dois tipos de viés provavelmente estão em jogo aqui, no mínimo, e isso será geralmente considerado a explicação mais provável para esse resultado.

Embora descobrir o porquê seja um esforço e um desafio educacional, é improvável que essa evidência convença muitos de que a energia escura não é uma constante, afinal.

O destino esperado do Universo é de expansão eterna e acelerada, correspondendo a w, a quantidade no eixo y, igual a -1 exatamente. Se w for mais negativo que -1, como alguns dos dados favorecem, nosso destino será um Big Rip. (C. HIKAGE ET AL., ARXIV: 1809.09148)

Mas e se este novo estudo estiver correto? E se a energia escura não for uma constante? E se, como outras observações sugeriram ao longo das últimas duas décadas, está realmente mudando com o tempo?

O gráfico acima mostra resultados de alguns conjuntos de dados diferentes, mas o que eu quero que você preste atenção é o valor de Dentro , mostrado no eixo y. O que chamamos Dentro é a equação de estado da energia escura, onde Dentro = -1 é o valor que obteríamos se a energia escura fosse uma constante cosmológica: uma forma imutável de energia inerente ao próprio espaço. Se Dentro é diferente de -1, no entanto, isso pode mudar tudo.

As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Permanecer constante ou aumentar em força (em um Big Rip) poderia potencialmente rejuvenescer o Universo, enquanto a reversão do sinal poderia levar a um Big Crunch. (NASA/CXC/M.WEISS)

Nosso destino padrão, onde Dentro = -1, fará com que o Universo se expanda para sempre, com estruturas que não estão ligadas hoje, separadas pelos efeitos da energia escura. Mas se Dentro muda com o tempo ou é diferente de -1, tudo isso muda.

• Se Dentro for menos negativo que -1 (por exemplo, -0,9 ou -0,75), a energia escura enfraquecerá com o tempo, eventualmente se tornando sem importância. Se Dentro cresce com o tempo, e sempre se torna positivo, pode causar o colapso do Universo em um Big Crunch.
• No entanto, se este novo resultado for verdadeiro, e Dentro for mais negativo que -1 (por exemplo, -1,2 ou -1,5 ou pior), então a energia escura só ficará mais forte com o tempo, fazendo com que o tecido do espaço se expanda a uma taxa cada vez mais acelerada. Estruturas ligadas, como galáxias, sistemas solares, planetas e até mesmo os próprios átomos serão despedaçados depois que o tempo passar. O Universo terminará em uma catástrofe conhecida como Big Rip.

O cenário Big Rip ocorrerá se descobrirmos que a energia escura aumenta em força, enquanto permanece negativa em direção ao longo do tempo. (JEREMY TEAFORD/ UNIVERSIDADE DE VANDERBILT)

A busca para entender o destino final do Universo tem fascinado a humanidade desde o início dos tempos. Com o advento da Relatividade Geral e da astrofísica moderna, de repente tornou-se possível responder a essa pergunta do ponto de vista científico. O Universo se expandirá para sempre? Recolher? Oscilar? Ou ser dilacerado pela própria física subjacente à nossa realidade?

A resposta pode ser determinada olhando para os objetos encontrados em todo o próprio Universo. A chave para desvendar nosso destino cósmico final, no entanto, depende de entendermos o que estamos vendo e garantir que nossas respostas não sejam tendenciosas pelas suposições que estamos fazendo sobre os objetos que estamos medindo e observando. A energia escura pode não ser uma constante, afinal, e somente olhando para o próprio Universo saberemos com certeza.

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 .

Compartilhar: