Como nosso Universo seria diferente sem a energia escura?

Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona, do Hercules Galaxy Cluster, sob uma licença c.c.a.-s.a.-4.0.

Em 1998, os cosmólogos tiveram a surpresa de uma vida. Aqui está como nosso Universo seria sem aceleração cósmica.


Sabemos há muito tempo que o universo está se expandindo. Mas há cerca de 15 anos, meus colegas e eu descobrimos que ela está se expandindo cada vez mais rápido. Ou seja, o universo está acelerando, e isso não era esperado, mas agora é atribuído a esse material misterioso chamado energia escura, que parece constituir cerca de 70% do universo. – Adam Riess



Em 1998, dois grupos independentes de cientistas que estudavam as explosões de supernovas mais distantes do Universo relataram o mesmo fenômeno inesperado: esses brilhantes flashes de luz, cujos brilhos intrínsecos e desvios para o vermelho eram conhecidos com grande precisão, todos tinham um problema, que pareciam estar muito mais fraco que o esperado. E quanto maior for o redshift, maior será o problema. A interpretação? Eles estavam mais distantes – e, portanto, pareciam menos brilhantes – do que a versão convencional do Universo em expansão teria previsto. Em vez de ser preenchido apenas com matéria e radiação em todo o tecido do espaço, o Universo também continha essa pequena, mas importante quantidade de energia inerente ao próprio espaço: energia escura .



Crédito da imagem: Ned Wright, com base nos dados mais recentes de Betoule et al. (2014), por http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html .

À medida que nossas medições ficaram cada vez melhores, e à medida que acumulamos dados de outras fontes também, como as flutuações no Fundo de Microondas Cósmica (CMB) e as propriedades de agrupamento da estrutura em grande escala, descobrimos que aproximadamente 68% da energia no Universo hoje era essa misteriosa energia escura. Sim, havia matéria escura, matéria normal, neutrinos e radiação, todos presentes, e todos eles eram vitais para como o Universo se expandia e evoluía, particularmente nos primeiros tempos. Mas à medida que o Universo envelheceu, a energia escura tornou-se cada vez mais importante e, eventualmente, se aproximará de 100% da energia presente em nosso Universo.

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, CMB e BAO. Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura. Crédito da imagem: Supernova Cosmology Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010).

Mas, de acordo com a Relatividade Geral, não precisava ser assim. Poderíamos ter tido um Universo sem energia escura: onde a energia do ponto zero do espaço vazio era na verdade zero, em vez de algum valor minúsculo e diferente de zero. Se esse fosse o nosso Universo, como seria diferente do Universo que temos hoje? Surpreendentemente, existem algumas maneiras significativas que realmente causam impacto.

Um Universo com energia escura: o nosso Universo. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.

1.) O Universo seria um pouco diferente . Neste momento, em nosso Universo de 13,8 bilhões de anos, 32% da densidade de energia está na forma de matéria, 68% é energia escura, a taxa de expansão é de 67 km/s/Mpc e os limites de nosso alcance observável é de 46,1 bilhões anos luz. Se quisesse que o Universo tivesse a mesma quantidade exata de matéria, mas com não energia escura, nosso Universo teria se expandido mais rápido no início e estaria se expandindo mais lentamente hoje. Seria:

  • ter 47,7 bilhões de anos-luz de tamanho, em vez de 46,1 bilhões,
  • tem uma taxa atual do Hubble de 56 km/s/Mpc em vez de 67 km/s/Mpc,
  • a temperatura do CMB seria apenas um pouco mais baixa, a 2,62 K em vez de 2,73 K,
  • e tem 71% menos energia em geral, devido à total falta de energia escura.

Mas as principais diferenças apareceriam no futuro, especialmente quando consideramos nossos destinos finais.

O campo GOODS-N, com a galáxia GN-z11 destacada: a galáxia atualmente mais distante já descoberta. Crédito da imagem: NASA, ESA, P. Oesch (Universidade de Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Universidade de Yale) e G. Illingworth (Universidade da Califórnia, Santa Cruz).

2.) Cada galáxia no Universo visível ainda seria alcançável . Em nosso Universo dominado pela energia escura, a taxa de uma galáxia distante se afasta de nós aumenta com o passar do tempo. Galáxias atualmente a mais de 15 bilhões de anos-luz de distância estão recuando mais rápido que a velocidade da luz, e então nada que deixe a Terra hoje – nem uma nave espacial relativista, nem uma sonda do espaço profundo, nem mesmo a própria luz – poderia alcançá-la. Já, 97% das galáxias em nosso Universo estão para sempre fora do nosso alcance. Mas se tivéssemos que tirar essa energia escura, tudo seria alcançável eventualmente, mesmo que levasse dezenas ou centenas de bilhões de anos. Chegaríamos lá no final.

Uma parte do Hubble eXtreme Deep Field em plena luz UV-vis-IR, a imagem mais profunda já obtida. Crédito da imagem: NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z. Levay (STScI).

3.) Novas galáxias além do nosso horizonte se tornariam continuamente acessíveis . Não apenas isso, mas até mesmo galáxias cuja luz nunca nos alcançou ainda, algum dia, essa luz nos alcançará no futuro! Enquanto um Universo de energia escura tem as galáxias visíveis atualmente em vermelho, ou se afastam para o ponto em que não serão mais vistas em um futuro distante, um Universo sem ele teria visto galáxias adicionais se tornarem visíveis ao longo do tempo, com mais e mais cada vez mais aparentes (e alcançáveis) com o passar do tempo.

Sem energia escura, estaríamos em algum lugar entre um Universo em desaceleração e um Universo em inércia. Crédito da imagem: NASA & ESA, de possíveis modelos do Universo em expansão.

4.) A taxa de expansão do Hubble acabaria caindo para zero . Na verdade nunca seria alcançar zero, lembre-se, e nunca daria meia volta e entraria em colapso: há muito pouca energia para isso no geral. Mas a taxa de Hubble se aproximaria assintoticamente de zero à medida que o Universo continuasse a se expandir, o que significa que, se uma quantidade infinita de tempo passasse, um número infinito de galáxias (embora nem todas, de forma alguma) se tornariam acessíveis. Com a energia escura, a taxa de Hubble do nosso Universo assíntota para um valor finito e significativo após uma quantidade infinita de tempo: algo como 46 km/s/Mpc. Sem energia escura, teríamos caído abaixo dessa taxa de 46 km/s/Mpc após outros 4,3 bilhões de anos.

Nosso aglomerado doméstico de Laniakea, com o ponto vermelho da Via Láctea em vermelho. Crédito da imagem: adaptado do superaglomerado de galáxias The Laniakea R. Brent Tully, Hélène Courtois, Yehuda Hoffman & Daniel Pomarède, Nature 513, 71–73 (04 de setembro de 2014).

5.) Superaglomerados realmente existiriam . Nosso superaglomerado local, contendo o grupo local, o Aglomerado de Virgem (o maior membro do superaglomerado) e centenas de outras galáxias, grupos e aglomerados individuais, realmente não existe graças à energia escura. Parece uma estrutura grande, mas não está unida e terá todos os seus componentes individuais espalhados com o passar do tempo. Mas sem essa repulsão adicional que a energia escura confere, a gravitação venceria no final. Em escalas de tempo suficientemente longas, todas as galáxias, grupos e aglomerados que compõem o superaglomerado Laniakea permanecerão unidos e continuarão a experimentar fusões em escalas cósmicas.

Uma seleção de aproximadamente 2% das galáxias do aglomerado de Virgem. Crédito da imagem: John Bowles do flickr sob c.c.-by-s.a.-2.0, via https://www.flickr.com/photos/nerull/3376563671 .

6.) O que significa que, eventualmente, Milkdromeda cairia no Aglomerado de Virgem . A 50-60 milhões de anos-luz de distância, o Aglomerado de Virgem contém cerca de 1.000 galáxias e é o aglomerado de galáxias mais próximo do nosso grupo local. Atualmente, está se afastando de nós, devido à expansão do Universo, a mais de 1.000 km/s, ou cerca de 100 vezes mais rápido do que qualquer espaçonave feita pelo homem já viajou. Com a energia escura, Virgem só vai acelerar para longe de nós cada vez mais rápido. Mas se não estivesse lá, a atração gravitacional de Virgem seria irresistível e, embora levasse cerca de cem bilhões de anos - muitas vezes a idade do Universo atualmente - eventualmente os destroços galácticos de nosso grupo local se fundiriam com o aglomerado de Virgem também.

Crédito da imagem: E. Siegel, baseado no trabalho dos usuários do Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL.

Com a energia escura, as diferenças sutis de um Universo um pouco mais energético e em expansão mais rápida hoje levam a um futuro distante, onde nosso grupo local é solitário e isolado, galáxias distantes desaparecem de vista e não existe um superaglomerado cósmico limitado. Nas maiores escalas, o Universo está fadado ao vazio, e é a energia extra intrínseca ao próprio espaço que é a culpada. Parte do motivo pelo qual foi tão difícil de aceitar é porque o destino de um universo de energia escura é tão diferente – e intragável – de um universo sem ele. No entanto, a ciência não se importa com suas preferências ou motivações pessoais: ela se preocupa com o Universo como ele realmente é. A melhor coisa que podemos fazer é ouvir a história que ela nos conta sobre si mesma e, de certa forma, sobre nós mesmos também.


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