• Começa com um estrondo

Energia escura e o mito do Universo desaparecendo

Com o passar do tempo, a energia escura faz com que as galáxias distantes se afastem de nós cada vez mais rápido em nosso Universo em expansão. Mas nada realmente desaparece.

Principais conclusões

• Nosso Universo não está apenas se expandindo, mas a própria expansão está se acelerando devido à presença de uma forma de energia que não se dilui à medida que o Universo se expande: a energia escura.
• Qualquer objeto individual, como uma galáxia, parece afastar-se cada vez mais rápido de qualquer outro com o passar do tempo, afastando os objetos soltos em velocidades cada vez maiores.
• Embora essas galáxias se tornem inacessíveis, a noção de que elas desaparecerão de vista é enganosa, pois mais e mais partes do Universo se tornam visíveis com o passar do tempo. Aqui está a ciência contra-intuitiva do porquê.

Ethan Siegel Compartilhe a energia escura e o mito do desaparecimento do Universo no Facebook Compartilhe A energia escura e o mito do Universo desaparecendo no Twitter Compartilhe A energia escura e o mito do Universo desaparecendo no LinkedIn

Desde o início da humanidade, nos perguntamos o que é o nosso Universo. Do que isso é feito? Como é estruturado? De onde veio? Como chegou a ser do jeito que é hoje? E qual será seu destino final? Depois de milênios pensando e filosofando, os últimos 200 anos de investigação científica finalmente nos trouxeram as respostas. O Universo é feito não apenas de átomos, neutrinos e fótons, mas também de duas substâncias misteriosas: matéria escura e energia escura. Emergimos de um estado inicial, quente e denso; gravitamos e esfriamos; agora o Universo está frio, com baixa densidade de matéria, e vimos qual será nosso destino final.

Devido à presença de energia escura – o componente mais dominante, mas menos compreendido do Universo – agora sabemos o que está reservado para nós em um futuro distante. Objetos que estão ligados gravitacionalmente, como planetas, estrelas, sistemas estelares, galáxias e aglomerados de galáxias, permanecerão assim. Mas objetos de maior escala serão separados pelo Universo em expansão, afastando-se uns dos outros em velocidades cada vez maiores. Nós coloquialmente chamamos isso de “o Universo desaparecendo”, mas isso é simplesmente um mito. Nada está desaparecendo de vista, embora as coisas estejam desaparecendo de nosso alcance. Veja por que essa diferença é tão importante.

Esta imagem mostra os espectros de quatro das galáxias contidas no Hubble Ultra Deep Field. O espectro nos ensina sobre as estrelas internas, sua história de formação estelar, seu nível de enriquecimento químico e seu desvio para o vermelho e distância de nós. O eventual sucessor de campo mais amplo do Hubble, o telescópio Nancy Roman, terá aproximadamente 200 vezes o campo de visão e será capaz de obter espectros para cada objeto dentro dele. Embora essas galáxias estejam se afastando de nós, elas nunca desaparecerão de vista.

Se você quiser saber como o Universo vai se comportar no futuro distante, há apenas três coisas que você precisa entender e/ou medir para fazer um conjunto preciso de previsões.

1. Você deve conhecer as leis que regem o Universo nas maiores escalas: neste caso, presume-se que a Relatividade Geral, nossa teoria da gravidade, funcione extraordinariamente bem, tendo passado em todos os testes cósmicos lançados em seu caminho.
2. Você deve ser capaz de medir a rapidez com que o Universo está se expandindo hoje: a taxa de expansão que percebemos neste momento. Embora dois métodos diferentes produzam resultados que diferem cerca de 9% um do outro, essa diferença, bem como a incerteza que temos sobre o “valor real”, ainda é relativamente pequena.
3. E você deve ser capaz de medir como a taxa de expansão mudou e evoluiu ao longo do tempo, ou seja, como o Universo se expandiu em vários pontos ao longo de sua história cósmica. Medições recentes (nos últimos ~ 30 anos) de supernovas distantes e a estrutura em grande escala do Universo nos permitiram fazer essa medição com precisão excepcional a partir de 2023.

Junte essas três partes do conhecimento e uma das lições que podemos extrair delas é qual será o destino final do Universo.

Medir no tempo e na distância (à esquerda de “hoje”) pode informar como o Universo irá evoluir e acelerar/desacelerar no futuro. Ao vincular a taxa de expansão aos conteúdos de matéria e energia do Universo e medir a taxa de expansão, podemos chegar a uma estimativa da quantidade de tempo que se passou desde o início do Big Bang quente.

Tudo se resume ao simples fato de que o Universo se expande a uma taxa que depende de todas as diferentes formas de energia nele combinadas. À medida que o Universo se expande (e seu volume aumenta), as densidades de energia de todas essas várias formas de energia mudam de maneiras previsíveis, compreensíveis e mensuráveis. Se conhecermos as leis da física e pudermos medir como o Universo se expande agora e como essa taxa de expansão mudou no passado, podemos determinar quais são, foram e serão as várias formas e proporções de energia no Universo a qualquer momento em Tempo.

Este é o segredo para descobrir não apenas as origens, o conteúdo e o comportamento passado do Universo, mas também nos permite saber o que está reservado para nós em um futuro distante. A matéria, por exemplo, é feita de partículas massivas cuja energia de massa em repouso, dada por E = mc² , não muda com o tempo. No entanto, a densidade da matéria – determinada pela energia por unidade de volume – muda, pois o volume continua aumentando à medida que o Universo se expande. (Isso se aplica igualmente à matéria normal e à matéria escura.) A densidade de radiação muda ainda mais severamente, pois não apenas o volume de cada quantum de radiação aumenta à medida que o Universo se expande, mas a energia por quanta cai à medida que o Universo em expansão se expande. o comprimento de onda (e, portanto, diminui a energia) de cada fóton.

Enquanto a matéria (normal e escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura, e também a energia do campo durante a inflação, 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.

Mas a energia escura é diferente de tudo isso. Na verdade, a propriedade que define a energia escura é que ela funciona não como algo feito de partículas – algo que fica menos denso à medida que o Universo se expande – mas sim como uma forma de energia inerente ao próprio espaço. Independentemente da natureza da energia escura:

• um novo campo inerente ao espaço,
• uma forma de energia que é recém-criada à medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão,
• uma manifestação da energia do ponto zero dos campos quânticos presentes no Universo,
• ou uma constante cosmológica positiva que aparece na Relatividade Geral de Einstein,

suas propriedades medidas são consistentes com ele tendo uma densidade de energia constante. À medida que o Universo continua a se expandir, todas as outras formas de energia dentro dele veem suas densidades caírem, mas a densidade da energia escura permanece constante.

No início, a radiação era a forma de energia mais importante na determinação da expansão do Universo; após cerca de 10.000 anos, a matéria (normal e escura, combinada) tornou-se o fator dominante. Foi somente depois de bilhões de anos que a matéria se diluiu o suficiente para que a energia escura pudesse se tornar detectável. Nos últimos 6 bilhões de anos, tornou-se o componente mais importante do Universo, determinando principalmente como ele se expande.

A importância relativa de diferentes componentes de energia no Universo em vários momentos no passado. Observe que quando a energia escura atingir um número próximo a 100% no futuro, a densidade de energia do Universo (e, portanto, a taxa de expansão) permanecerá constante arbitrariamente muito à frente no tempo. Devido à energia escura, as galáxias distantes já estão acelerando em sua aparente velocidade de recessão de nós.

Podemos agora afirmar, com um grau muito forte de confiança, que a energia escura realmente não está aumentando nem diminuindo em densidade ao longo do tempo, algo que o futuro Observatório Romano de Nancy deve ser capaz de restringir até o nível de ~ 1%. Isso nos permite inferir o destino do Universo, que é o seguinte.

• Regiões do espaço que atraíram matéria suficiente para exceder a média cósmica em uma quantidade crítica – cerca de ~ 68% – tornam-se ligadas gravitacionalmente, o que leva a estruturas como galáxias, grupos de galáxias, aglomerados de galáxias e até coleções de aglomerados.
• Regiões individualmente vinculadas que não estão vinculadas a nenhuma estrutura maior – como nosso Grupo Local de galáxias, que não está vinculado a um grupo ou aglomerado maior – se expandirão umas das outras para sempre.
• E se você medir qualquer objeto distante e não vinculado ao longo do tempo, descobrirá que ele parece se afastar de nós cada vez mais rápido com o passar do tempo, pois seu desvio para o vermelho (e a velocidade de recessão inferida) só aumenta com o tempo.

Esse último ponto, de um objeto distante e não vinculado parecendo recuar cada vez mais rápido de qualquer outro objeto ao qual não esteja vinculado, é de onde vem a ideia de uma expansão acelerada do Universo.

Quanto mais longe olhamos no espaço, mais longe estamos olhando para trás no tempo e vendo o Universo como era quando era mais jovem, menor, mais denso e menos evoluído. Ao medir como o Universo se expande ao longo do tempo, podemos saber quais formas de matéria e energia estão presentes nele.

Mas as implicações que vêm de uma expansão acelerada do Universo não são necessariamente o que você pode intuir, mesmo se você for um astrofísico. Se o Universo não tivesse energia escura – se fosse composto apenas de várias formas de matéria e radiação – as coisas seriam muito mais simples. Com o passar do tempo e o Universo se expandindo, em um Universo livre de energia escura:

• A taxa de expansão, medida em velocidade por unidade de distância (km/s/Mpc), seria assíntota para zero.
• Qualquer galáxia distante, em qualquer lugar do Universo, pareceria desacelerar ao longo do tempo, tanto quanto sua aparente velocidade de recessão.
• Uma vez que um objeto distante se tornasse visível, permaneceria visível por toda a eternidade.
• Qualquer objeto que pode ser visto também pode ser alcançado, eventualmente, mesmo que a jornada demore mais do que a idade atual do Universo.
• E que porções cada vez maiores do Universo – incluindo regiões bem fora do Universo atualmente observável – continuariam a aparecer e ao alcance com o passar do tempo.

Todas essas coisas, tão intuitivas e simples em um Universo sem energia escura, precisam ser questionadas e reavaliadas no contexto moderno de um Universo com energia escura.

Qualquer que seja a taxa de expansão hoje, combinada com quaisquer formas de matéria e energia existentes em seu universo, determinará como o desvio para o vermelho e a distância estão relacionados para objetos extragalácticos em nosso Universo. Os objetos mais distantes já observados estão nos enviando luz que viajou por mais de 13,5 bilhões de anos e agora está localizada a mais de 32 bilhões de anos-luz de distância.

Depois de adicionar até mesmo uma pitada de energia escura - não importa quão pequena seja a quantidade - muitos desses recursos mudam. Mesmo com uma pequena quantidade inicial de energia escura, você tem a garantia de que, à medida que a densidade da matéria e da radiação diminui, a densidade da energia escura (que permanece constante) um dia se tornará dominante, pois não há limite para a diluição da matéria e da radiação em o Universo vai conseguir. Com a energia escura presente, veja como cada um desses fatos anteriores muda:

• A taxa de expansão, em km/s/Mpc, não é assíntota para zero, mas para um valor finito e positivo maior que zero.
• Qualquer galáxia distante, desvinculada do observador, recuará por toda a eternidade, com sua aparente velocidade de recessão aumentando à medida que se afasta.
• Uma vez que um objeto distante se torna visível, ele permanece visível, mas apenas como era no passado; o que está acontecendo hoje em uma galáxia distante não é necessariamente visível para um observador.
• Somente objetos que recuam em velocidades abaixo de um limite crítico, necessariamente abaixo da velocidade da luz, podem ser alcançados por um ambicioso viajante espacial; muito do que pode ser visto nunca pode ser acessado.
• E que apenas um volume finito de espaço, além do que é atualmente visível, será observável mesmo com o passar de uma quantidade arbitrária de tempo.

Esta é uma história muito diferente daquela que aconteceria em um Universo sem energia escura, com implicações surpreendentes para o que o futuro distante do Universo reserva.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de passar um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas completamente isoladas 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.

Uma maneira de ver o Universo é como uma grande raça cósmica. Por um lado, há a expansão inicial, que funciona para separar todos os objetos do Universo uns dos outros. Por outro lado, existe a gravidade, que funciona para atrair tudo de volta. O Big Bang – o momento em que esta corrida começa – é como o tiro de partida desta corrida. Se o seu Universo tiver muita energia, você superará a expansão, levando a um novo colapso. Se o seu Universo tiver muito pouca energia, a expansão vencerá facilmente, separando todos os “pedaços” de energia antes que quaisquer estrelas, galáxias ou estruturas ligadas possam se formar.

Em pequenas escalas cósmicas, existem regiões onde a gravitação ganha, levando a estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e muito mais, porém mais regiões onde ela perde, levando a regiões vazias do espaço, ou vazios cósmicos. A luz de objetos distantes é emitida em todas as direções e, à medida que o tempo avança, há uma distância finita que a luz pode alcançar a cada momento. Se não houvesse energia escura, a expansão inicial e os efeitos da gravidade teriam se equilibrado, deixando a taxa de expansão do Universo para uma assíntota em direção a zero, mas nunca cessando, revertendo e entrando em colapso novamente.

Com a presença de energia escura, no entanto, haverá uma velocidade mínima de recessão alcançada por todos os objetos e, além disso, eles serão levados cada vez mais longe. Como um resultado:

• apenas objetos dentro de uma distância finita podem ser vistos,
• apenas um subconjunto desses objetos pode ser alcançado,
• e aqueles que podem ser vistos, mas não alcançados, só podem ser vistos até um momento finito no tempo. Sempre poderemos ver as coisas como eram, mas não necessariamente como são ou como serão.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre os objetos não vinculados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Como as distâncias entre os objetos não são constantes com o passar do tempo, o Universo em expansão não possui invariância de translação do tempo, e uma consequência disso é que a energia não é conservada em uma escala cósmica. No entanto, objetos progressivamente mais distantes tornam-se visíveis, mesmo que a energia escura esteja presente.

Hoje, o Universo observável se estende por 46,1 bilhões de anos-luz da perspectiva de qualquer observador; cresceu até esse tamanho nos últimos 13,8 bilhões de anos. Isso significa que a luz, depois de viajar na velocidade da luz desde o primeiro instante do Big Bang quente, estaria chegando aos nossos olhos agora de um local emitido que está atualmente a 46,1 bilhões de anos-luz de distância. Tudo dentro dessa esfera imaginária pode ser observado, e a luz de qualquer objeto sempre continuará a chegar.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

No entanto, a luz de mais longe – emitida por objetos que estão a cerca de 61 bilhões de anos-luz de distância no momento – ainda está a caminho e chegará aos nossos olhos. Isso representa cerca de 130% adicionais do volume do Universo, que eventualmente se tornará visível; chamamos isso de limite de visibilidade futura.

Mas apenas objetos dentro de cerca de 18 bilhões de anos-luz, representando (em volume) apenas cerca de 6% do Universo observável, podem ser alcançados. Uma espaçonave que partiu hoje na velocidade da luz (ou arbitrariamente perto dela) poderia alcançar uma galáxia distante de 18 bilhões de anos-luz ou mais próxima, mas não uma mais distante. Um sinal de luz emitido por nós agora nunca alcançará um objeto mais distante, e um sinal de luz emitido por um objeto mais distante nunca poderá nos alcançar.

Num Universo que passa a ser dominado pela energia escura, existem quatro regiões: uma onde tudo dentro dele é alcançável e observável, uma onde tudo é observável mas inalcançável, uma onde as coisas um dia serão observáveis ​​e uma onde as coisas nunca serão. observável. Os números correspondem à nossa cosmologia de consenso no início de 2023.

Ao todo, isso significa que existem quatro categorias diferentes nas quais os objetos se enquadram, dependendo de quão longe eles estão e quão forte é a energia escura em relação às outras formas de energia (e a taxa de expansão) no Universo.

1. Atingível e observável: objetos que ainda estão se afastando mais devagar que a luz podem ser vistos (para sempre) e alcançados (por enquanto), desde que estejam a menos de 18 bilhões de anos-luz de distância.
2. Observável, mas inalcançável: objetos sendo afastados pela energia escura não podem ser alcançados, mesmo agora, mas sua luz já chegou e continuará chegando enquanto estivermos observando. Podemos ver esses objetos como eram, mas não como são ou serão, correspondendo a objetos entre 18 e 46 bilhões de anos-luz de distância.
3. Algum dia observável: alguns objetos que não podem ser alcançados e não podem ser vistos, se estiverem próximos o suficiente de nosso horizonte cósmico atual, terão sua luz emitida há muito tempo chegando algum dia no futuro. Esses objetos serão observáveis ​​no futuro (mas ainda não são hoje) e correspondem a objetos entre 46 e 61 bilhões de anos-luz de distância.
4. Sempre inobservável: e há aquela última categoria de objetos cuja luz nunca chegou e nunca chegará, que corresponde a tudo que está a mais de 61 bilhões de anos-luz de distância hoje.

Os objetos da primeira categoria estão desaparecendo de alcance, mas os objetos das categorias 1, 2 e 3, uma vez que se tornem observáveis, sempre permanecerão observáveis ​​e nunca desaparecerão de vista. Nossa capacidade de alcançar ou se comunicar com objetos além de uma certa distância é o que está desaparecendo, mas os próprios objetos sempre permanecerão perceptíveis. E essa é a verdade por trás do mito do Universo desaparecendo!

Compartilhar: