O espaço vazio tem mais energia do que tudo no Universo, combinado
Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.
Quando todas as galáxias, estrelas, gás, poeira, matéria escura e todas as outras formas de matéria e radiação são somadas, sua energia ainda empalidece em comparação com a energia escura. Então, o que está acontecendo com o nosso Universo?
Nada existe exceto átomos e espaço vazio; todo o resto é apenas opinião. – Demócrito de Abdera
Quando você dá uma olhada no Universo, além dos objetos em nosso próprio sistema solar, além das estrelas, poeira e nebulosas dentro de nossa própria galáxia, e para o vazio do espaço intergaláctico, o que você vê?
Crédito da imagem: imagem composta BRI do FORS Deep Field, ESO, VLT.
Sim, há uma infinidade de coisas maravilhosas dentro de nossa própria galáxia, mas somos apenas um dos pelo menos 200 bilhões por aí, espalhadas por uma região esférica (visível para nós) com cerca de 92 bilhões de anos-luz de diâmetro.
O que normalmente consideramos todo o universo observável consiste nessas centenas de bilhões de galáxias, com cerca de 8.700 identificados na pequena mancha do céu profundo mostrado acima. Cada uma dessas galáxias contém centenas de bilhões de estrelas, assim como a nossa Via Láctea, e isso é apenas contar a parte do Universo que está presentemente observável para nós , que não é de forma alguma a coisa toda!
Crédito da imagem: Field Galaxy Redshift Survey de 2 graus.
E, no entanto, se mapearmos tudo o que é conhecido no Universo e traçarmos a estrutura cósmica, descobriremos que a matéria normal – coisas feitas de todas as partículas elementares conhecidas – é inferior a 5% da densidade total de energia do Universo. . Deve haver cerca de 20-25% do Universo na forma de matéria escura, um tipo de matéria aglomerada e sem colisões que é composta de uma partícula ainda não descoberta, para obter o tipo de agrupamento que vemos.
Mas talvez o mais bizarro, a energia restante do Universo, o material que é necessário para nos trazer até 100%, é a energia que parece ser intrínseca ao próprio espaço vazio: energia escura .
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Azcolvin429 , números atualizados por mim para refletir os resultados da missão Planck.
Há pouco mais de um ano, Matt Francis dirigiu um Carnaval da Cosmologia na Energia Escura , e — como costumam fazer — as perguntas para os cosmólogos de todos os lugares surgiram. Então, o que você queria saber sobre esses mais de dois terços de toda a energia do Universo?
Vamos ver o que podemos aprender!
Crédito da imagem: Large Synoptic Survey Telescope, NSF, DOE e AURA.
De onde vem a energia escura em um universo em expansão? Parece violar as leis de conservação de energia. – Richard Latham
Esta pergunta é boa: se há um energia intrínseca para o espaço, e está se expandindo (e, portanto, criando mais espaço) , não estamos violando a conservação da energia? Parece que podemos estar, como se estivéssemos apenas criando energia onde não havia antes.
Mas isso significaria que a energia também não é conservada em um Universo em expansão com radiação?
Afinal, não é somente o caso em que a radiação se dilui em densidade à medida que o volume do Universo aumenta; a radiação também se torna mais baixo em energia à medida que a expansão do Universo estica seu comprimento de onda.
Este seria o seu instinto, e não posso culpá-lo por tê-lo. Mas a Relatividade Geral é um pouco mais sutil do que isso. A resposta é não em ambos os casos. A energia escura não tem apenas uma densidade de energia: ela também tem uma pressão negativa com propriedades muito específicas , e a radiação não tem apenas uma densidade de energia, mas uma positivo pressão com propriedades específicas próprias. À medida que a pressão de sua fonte de energia empurra para fora (para energia escura; para dentro para a pressão positiva da radiação) no espaço, ela trabalho negativo (trabalho positivo para radiação) no Universo. O trabalho que faz é exatamente igual à mudança de massa/energia de qualquer pedaço de espaço que você esteja olhando. Então, contanto que você leve em consideração essa definição de trabalho em seu Universo, você pode definir energia de tal forma que ela seja conservada.
(escrevi um explicação mais técnica no blog antigo , para aqueles inclinados.)
Crédito da imagem: NASA / Observatório de raios-X Chandra.
Em artigos sobre a natureza da energia escura, frequentemente vejo a quintessência mencionada como uma possibilidade. Nunca vi nenhuma explicação do que seria. No meu estado atual de conhecimento, a palavra poderia muito bem ser mágica. Supondo que seja legítimo (ou seja, não um handwave ou ether redux), você pode nos dar uma ideia do que é? – anatman
Vamos voltar um pouco e explicar a energia escura primeiro. Quando os físicos dizem energia escura, queremos dizer que observamos uma expansão uniformemente acelerada ao Universo, e na cosmologia física o que causa isso é uma densidade de energia uniforme com uma pressão suficientemente negativa.
O modelo mais simples que melhor se ajusta aos dados é ter a energia escura como o que Einstein chamou uma constante cosmológica , onde a pressão é exatamente igual ao negativo da densidade de energia vezes a velocidade da luz ao quadrado [ P = – ρ c^2 ]. Isso é 100% consistente com os melhores dados que temos hoje de todas as fontes. Mas pode ser algo mais complicado: a energia escura pode ser dependente do tempo, pode ter a pressão que não satisfaz exatamente a equação acima, pode ter uma constante multiplicando isso (atualmente restrito a estar entre cerca de 0,88 e 1,12), etc. Em geral , ele pode se comportar de qualquer maneira de outros do que isso que você pode imaginar. Uma grande classe de modelos que podemos imaginar ( parametrizado por um campo escalar , se você se importa com esse detalhe) são conhecidos como quintessência .
Eles podem ser divertidos (para alguns) brinquedos para brincar, mas até agora não há evidências que indiquem que a energia escura requer mais complexidade do que a explicação mais simples e natural: uma constante cosmológica.
Crédito da imagem: Lynette Cook / Science Photo Library.
Na sua opinião, quanto tempo e avanços na tecnologia você acha que levará para entender a energia escura além de apenas observar seu efeito na expansão do universo? – James G.
Existe uma conexão conhecida (ou suspeitada por uma teoria) entre a energia escura e as partículas fundamentais? – Erol Can Akbaba
Existe alguma manipulação experimental plausível sobre a energia escura? Alguma maneira razoável, seja no solo, ou pelo menos nas escalas do sistema solar, de interagir diretamente com o que quer que seja? – Michael Kelsey
A resposta a essas perguntas depende completamente se a energia escura está fundamentalmente relacionada a uma partícula ou não. Se for, tudo o que será necessário é um colisor poderoso o suficiente para criar essa partícula e uma maneira de distinguir a energia ausente que sai de coisas como neutrinos.
Mas a maioria dos modelos de energia escura – incluindo o modelo da constante cosmológica – não tem uma partícula associada a ele. Se a energia escura não temos uma partícula associada ao campo que a conduz, nossas perspectivas são muito mais pessimistas. Lembre-se de que a maioria dos modelos de energia escura (aqueles que não são descartados por observações, pelo menos) não a agrupam, agrupam ou interagem com nada de outros do que a expansão do espaço. Ou seja, não consigo nem imaginar como descobrir mais sobre a energia escura diretamente nessas circunstâncias, dada a física que conhecemos atualmente.
Crédito da imagem: Shashi M. Kanbur na SUNY Oswego.
Como é que a postagem anterior sobre um Universo ser tão plano que poderia haver trilhões de anos de expansão entrar nisso? -Dave Dell
A curvatura e a densidade de energia estão intimamente relacionadas na cosmologia: você mede a taxa de expansão (que permite calcular a Densidade crítica do universo ), você mede a densidade de energia de todas as diferentes formas de energia e, em seguida, compara essas duas para determinar a curvatura. Até onde nossas medições podem dizer, a densidade de energia média real do Universo – incluindo energia escura – é indistinguível da densidade crítica, e é por isso que a curvatura do nosso Universo é indistinguível de plano.
Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.
Poderia a Energia Escura ser o estágio final da luz? Aprendi no ensino médio (desde que minha memória não me falha) que, à medida que a luz viaja e se expande, ela se move mais ao longo do espectro e que o Universo é preenchido com radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Poderia a Energia Escura ser essa radiação? – Jordan Brooke
Eu gostaria que isso fosse possível. A radiação – neste caso, na forma de fótons – é genericamente uma partícula sem massa que se move na velocidade da luz. Infelizmente, é incrivelmente bem entendido, contribui para a taxa de expansão do Universo, mas retarda a expansão , e tem uma pressão positiva, não negativa. Isso se aplica á todo formas de radiação também, incluindo quaisquer partículas sem massa que viajam à velocidade da luz, bem como partículas massivas que se movem muito perto dela. Portanto, embora exista e contribua para a taxa de expansão, não é a causa da energia escura. Se você quisesse em termos mais técnicos, para radiação, P = +1/3 ρ c^2.
Por outro lado, a energia escura realmente faz com que a radiação se desvie para o vermelho mais rápido do que seria em um universo sem energia escura. Então, em nosso Universo, a presença de energia escura na verdade torna a radiação cósmica de fundo em micro-ondas ligeiramente menos importante para o destino do Universo do que um Universo sem ele!
Crédito da imagem: NASA, STScI, Adam Riess e a equipe de busca de supernovas High-Z.
A razão pela qual eu tenho dificuldade em aceitar a Energia Escura é porque eu não tenho ideia do que eu deveria estar pensando. Como disse anatman, parece muito Abra Kadabra! e puf, um F aparece no meu teste de física.
– Donovan, apoiado por Jeff
Certa vez, um físico (muito mal-humorado) descreveu a energia escura como
A maior F U que o Universo poderia ter nos dado.
Embora eu não concorde, eu simpatizo com esse ponto de vista. Talvez a melhor maneira de se relacionar com ele seja pensá-lo como um fluido que permeia todo o espaço em todos os momentos. À medida que o Universo se expande, criando mais espaço, o novo espaço tem as mesmas propriedades do antigo. Na frase constante cosmológica, a constante parte se refere à densidade de energia, ou ao fato de que, diferentemente das partículas de matéria e radiação, a energia escura não se dilui à medida que o Universo evolui. É uma propriedade intrínseca ao próprio espaço, e tanto quanto Por quê vai, não temos certeza. Isso pode ser insatisfatório, mas é o que a matemática e a física nos dizem e, neste momento, é o melhor que tenho.
Crédito da imagem: O Império Contra-Ataca / LucasFilms.
Por que é chamado de 'energia escura'? – Jeffrey Boser
A parte da energia não me incomoda tanto quanto a parte escura. A parte da energia é porque é uma energia intrínseca ao espaço - o energia de ponto zero — que realmente tem um efeito positivo, não -valor zero. Eu preferiria chamá-la de energia do vácuo porque é a energia intrínseca ao espaço vazio, ou talvez o vácuo quântico. Mas esse cara disse energia escura antes que alguém soubesse quem eu era, porque parecia combinar muito bem com nosso conceito de matéria escura. Agora todo mundo chama assim, e a maioria de nós odeia o nome também. Aí está a sua chatice de uma resposta.
Crédito da imagem: obtido em http://rocketxtreme.wikispaces.com/.
Se o Universo está acelerando, onde está a reação igual e oposta?
– Bobby van Deusen, para seu filho de 14 anos, Jack
A resposta, acredite ou não, é a própria energia escura! Lembre-se que a expansão acelerada não é o mesmo que energia escura; um é um fenômeno e o outro é uma forma de energia. A expansão acelerada do Universo é a reação , e a energia escura é a coisa que a causa, a coisa que faz o trabalho em nosso espaço-tempo, e é ela mesma a açao. Se o Universo tivesse energia escura e nenhuma aceleração, ou tivesse aceleração sem energia escura, então teríamos um problema. Mas temos um porque temos o outro, e de fato é assim que conhecer temos energia escura.
Crédito da imagem: John D. Norton da Universidade de Pittsburgh.
A Energia Escura é uma força fundamental da natureza? – Jon
Tanto quanto podemos dizer, é não uma força separada como o eletromagnetismo, a força fraca ou a força forte. Faz parte da força da gravidade, e até foi previsto por Relatividade Geral originalmente . A gravidade poderia ter existido com algum valor para uma constante cosmológica - incluindo zero - mas nosso Universo parece ter um valor particular que ele tem. Quanto a Por quê tem esse valor... bem, descubra isso, e o Prêmio Nobel de Física é seu! Independentemente disso, não é uma força extra, apenas um aspecto da Relatividade Geral que tem as propriedades específicas que possui.
Crédito da imagem: Calculadora da Relatividade.
Soa como éter para mim. -Alan
A grande diferença, lembre-se, era que o éter hipotetizado há muito tempo era um coisa aquela luz precisava atravessar. Era um meio, uma substância física que seria arrastada e modificada em relação a um quadro de repouso universal. À medida que a luz viajava através dele, dependendo de sua direção e orientação, o éter o afetaria de maneiras diferentes.
Com exceção da taxa de expansão do Universo, nada podemos medir seria diferente se não fosse pela energia escura. Nem luz, nem ondas gravitacionais, nem os movimentos dos planetas ou estrelas. Embora a energia escura pareça ter uma coisa em comum com o antigo éter luminífero – ela permeia todo o espaço, uniformemente, em todos os lugares – ela não tem um referencial preferido nem é necessária como meio para qualquer coisa viajar.
Pelo menos, até onde pudemos observar até agora.
Crédito da imagem: The Hercules Galaxy Cluster, por Russ Croman / RC Optical Systems.
Esta nova energia escura sendo criada é forte o suficiente para superar a atração da gravidade entre as galáxias? – Bill K
Vivemos, agora, em um momento muito interessante ou muito nojento, dependendo do seu ponto de vista. Por um lado, a gravidade ainda está funcionando a todo vapor, e todas as massas são gravitacionalmente atraídas por todas as outras massas do Universo. Por outro lado, há essa energia escura intrínseca empurrando as coisas que estão se expandindo para longe umas das outras para se afastarem umas das outras. Ainda mais rápido.
Neste momento, tudo o que já está gravitacionalmente ligado um ao outro – incluindo nós e nosso grupo local, e todas as galáxias individuais em um grande aglomerado (como Hércules, acima) – permanecerá assim; a energia escura perderá para a gravitação nessas escalas. Mas em escalas maiores, aqueles grupos e clusters que já não estão ligados um ao outro nunca se tornará assim, e se afastará um do outro à medida que o Universo continua a se expandir. Em nosso pescoço da floresta, isso significa o superaglomerado local - o Superaglomerado de Virgem , do qual fazemos parte - é não uma única entidade gravitacionalmente ligada, e nunca cairemos no aglomerado de galáxias de Virgem, nem muitos dos outros grupos maiores e mais próximos. O único grupo que poder chance de estar ligado a nós é o grupo M81 - lar de a supernova mais próxima de nós em uma geração – embora seja muito próximo, e a resposta ainda é provavelmente não.
Imagem de domínio público do Desvio Padrão.
Minha pergunta é basicamente por que a necessidade de DE? Todo o universo ainda pode ser homogêneo e isotrópico na maior escala, mas ter flutuações em pequenas escalas. – Sinisa Lazarek
Se o que observamos como energia escura fosse apenas uma flutuação – resultado de nosso Universo observável ter uma densidade diferente da maior parte do Universo – estaríamos a uma flutuação de 10.000 sigma do que normalmente esperávamos. A probabilidade de isso acontecer é aproximadamente a mesma que suas chances de jogar 1, 2, 3, 4, 5, 6″ e ganhar na loteria todas as semanas consecutivas por toda a sua vida.
Em outras palavras, é improvável que nem consideremos isso como uma possibilidade razoável. Se isso é a explicação, também não há absolutamente nenhuma maneira de descobrir isso observacionalmente ou experimentalmente, o que torna fisicamente desinteressante.
E por fim, uma última…
Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst e H. Yan.
Por que eu deveria me importar se a Energia Escura existe ou se é apenas um exercício intelectual????? também conhecido como 'O que há para mim?' - Norma Parfit
Vê todas essas coisas no céu noturno? Tudo além das estrelas em nossa própria galáxia? Em alguns bilhões de anos, nos fundiremos com Andrômeda, a única outra grande galáxia em nosso grupo local, e nossa galáxia elíptica gigante combinada acabará engolindo a modesta galáxia Triangulum e, em seguida, as galáxias anãs restantes que orbitam nós, e então tudo o que teremos além de nossa própria galáxia é isto: um vazio intergaláctico vazio, escuro. A imagem acima, se eu remover todas as galáxias da mesma forma que a energia escura, nos deixará apenas com as estrelas em primeiro plano de nossa própria galáxia.
Crédito da imagem: O mesmo que acima, mas fortemente mascarado por mim.
Porque graças à energia escura, todo disso — todas as outras galáxias, grupos, aglomerados e superaglomerados de galáxias — serão desaparecem do nosso Universo observável. Esse é o destino inevitável de todo o nosso Universo. Então, o que há para você? A oportunidade de conhecer o Universo, como ele é agora, e como não vai ser em um trilhão de anos.
De fato, se os humanos entrassem em cena pela primeira vez, daqui a um trilhão de anos, nunca teríamos aprendido sobre o fundo cósmico de microondas, sobre galáxias distantes, aglomerados ou visto uma única nebulosa espiral no céu noturno. Porque a energia escura vai acelerar isso todo um jeito. Até Virgem , a grande coleção de galáxias mais próxima de nós, desaparecerá de vista.
Crédito da imagem: Randy Brewer.
E se isso não faz você se importar, eu não sei o que vai. Embora eu desejasse que entendêssemos melhor sua natureza, este é o nosso Universo, cheio de energia escura, como o conhecemos hoje. Aproveite enquanto dura, porque daqui só fica mais solitário!
Uma versão anterior deste post apareceu originalmente no antigo blog Starts With A Bang em Scienceblogs.
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