Uma nova explicação para a energia escura: a matéria em nosso Universo
O composto UV-visível-IR completo do XDF; a maior imagem já divulgada do Universo distante. Todas as galáxias mostradas aqui acabarão acelerando para longe de nós a uma velocidade maior que a da luz, graças à energia escura. Crédito da imagem: NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z. Levay (STScI).
Como o efeito gravitacional de Casimir pode causar a expansão acelerada do nosso Universo, sem nenhuma nova física.
Pois embora seja certamente verdade que as medições quantitativas são de grande importância, é um grave erro supor que toda a física experimental pode ser colocada sob esse título. – Hendrik Casimir
Desde que se descobriu que a expansão do Universo se acelerou há quase 20 anos, os cientistas anseiam por uma explicação convincente, simples e testável. No entanto, à medida que mais e mais dados de experimentos e observações chegam, a causa dessa energia escura – a causa hipotética da aceleração – tem sido enlouquecedoramente elusiva. Embora seja funcionalmente equivalente a uma constante cosmológica (ou à energia inerente ao próprio espaço), não há uma boa maneira de chegar a uma previsão de seu valor. No entanto, se você considerar que colocar certas formas de matéria no espaço vazio altera as forças sobre essa matéria, talvez a energia escura surja da causa mais simples de todas: o fato de nosso Universo conter matéria.
Um mapa do padrão de aglomeração/agrupamento que as galáxias em nosso Universo exibem hoje. A presença dessas estruturas pode explicar a presença e magnitude da energia escura em sua totalidade. Crédito da imagem: Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center.
A maioria das forças e fenômenos no Universo têm causas que podem ser facilmente descobertas. Dois objetos massivos experimentam uma força gravitacional devido ao fato de que o espaço-tempo é curvado pela presença de matéria e energia. O Universo se expandiu ao longo de sua história por causa da mudança da densidade de energia do Universo e das condições iniciais de expansão. E todas as partículas no Universo experimentam as interações que fazem por causa das regras conhecidas da teoria quântica de campos e da troca de bósons vetoriais. Das menores partículas subatômicas às maiores escalas de todas, as mesmas forças estão em jogo, mantendo tudo, desde prótons até pessoas, planetas e galáxias juntos.
A força forte, operando como funciona devido à existência de “carga de cor” e a troca de glúons, é responsável pela força que mantém os núcleos atômicos juntos. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove.
Mesmo alguns dos fenômenos mais misteriosos têm explicações subjacentes que são bem compreendidas. Não sabemos como pode haver mais matéria do que antimatéria no Universo, mas sabemos que as condições que precisamos para isso – violação do número bariônico, condições fora de equilíbrio e violação de C e CP – existem. Não sabemos qual é a natureza da matéria escura, mas suas propriedades genéricas, onde está localizada e como ela se aglomera são bem compreendidas. E não sabemos se os buracos negros preservam informações ou não, mas entendemos os estados finais e iniciais desses objetos, bem como como eles surgem e o que acontece com seus horizontes de eventos ao longo do tempo.
Ilustração de um buraco negro e seu disco de acreção circundante, acelerado e infall. Os estados inicial e final dos buracos negros podem ser bem previstos, mesmo que a perda ou retenção de informações não possa, no momento. Crédito da imagem: NASA.
Mas há uma coisa que não entendemos nada: a energia escura. Claro, podemos medir a aceleração do Universo e determinar exatamente qual é sua magnitude. Mas por que temos um Universo com um valor diferente de zero para a energia escura? Por que o espaço vazio, desprovido de tudo – não importa, sem curvatura, sem radiação, sem nada – tem uma energia positiva, diferente de zero? Por que deveria fazer com que o próprio Universo se expandisse a uma taxa sempre positiva, nunca chegando a zero? E por que essa quantidade de energia que tem ser tão incrivelmente pequena, que foi completamente imperceptível nos primeiros bilhões de anos da história do Universo, e só veio a dominar o Universo na época em que a Terra estava sendo formada?
Uma ilustração de um disco protoplanetário, onde planetas e planetesimais se formam primeiro, criando “lacunas” no disco quando o fazem. Cerca de quatro a cinco bilhões de anos atrás, quando nosso Sistema Solar estava se formando, a energia escura estava dominando simultaneamente a taxa de expansão e a densidade de energia do Universo. Crédito da imagem: NAOJ.
Há muitas coisas que podemos notar sobre a energia escura e o Universo que são interessantes e sugestivas de uma conexão. Há muito espaço vazio, e sabemos que existem campos quânticos por toda parte. Não há regiões do Universo onde as forças gravitacionais, eletromagnéticas ou nucleares não possam alcançar; eles estão absolutamente em toda parte. Se tentarmos calcular o que chamamos de valor de expectativa de vácuo (VEV) dos diferentes campos quânticos, primeiro só podemos fazê-lo aproximadamente, porque há um número infinito de termos que podemos escrever que vão para uma ordem arbitrariamente alta . Se truncarmos a série em qualquer ponto, podemos somar quais são as contribuições aproximadas e acabamos muito desapontados.
Alguns termos que contribuem para a energia do ponto zero na eletrodinâmica quântica. Crédito da imagem: R. L. Jaffe, de https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf .
Se fizermos essa matemática, acabamos com contribuições que são aproximadamente 120 ordens de grandeza maiores, tanto positivas quanto negativas. Até onde podemos dizer, eles não se cancelam exatamente e, mesmo que cancelassem, ainda temos aquele problema observacional irritante de que o Universo não está retraindo, desacelerando ou assintomático a uma taxa zero; está realmente, verdadeiramente acelerando. De alguma forma, há uma energia pequena, mas diferente de zero, inerente ao próprio espaço. E essa energia está fazendo com que as galáxias distantes do Universo acelerem em sua retirada de nós, embora muito lentamente, ao longo do tempo.
Os quatro destinos possíveis do nosso Universo no futuro; o último parece ser o Universo em que vivemos, dominado pela energia escura. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Talvez a maior questão teórica de todas seja por quê? Por que o Universo acelera? Nós literalmente não temos uma boa explicação para qual é a causa dessa energia escura. Recentemente analisamos a possibilidade de que são neutrinos congelados , ou pode ser um sintoma de termos algo de errado com o Universo em expansão . Mas há outra possibilidade que recebe muito pouca atenção e que deveria receber muito mais: pode ser uma propriedade do próprio espaço vazio causada pela presença de outras coisas – como matéria que atua como um limite efetivo – no Universo.
E a razão pela qual isso é possível é porque este é um efeito que sabemos que existe: o Efeito Casimiro .
Uma ilustração do efeito Casimir e como as forças (e estados permitidos/proibidos do campo eletromagnético) na parte externa das placas são diferentes das forças internas. Crédito da imagem: Emok / Wikimedia Commons.
Qual é a força eletromagnética do espaço vazio? Não é nada, claro. Sem cargas, sem correntes e sem influência, é realmente zero; isso não é um truque. Mas se você colocar duas placas de metal a uma distância finita e então perguntar qual é a força eletromagnética, você descobrirá que não é zero! Devido ao fato de que alguns dos modos de flutuação do vácuo são proibidos devido aos limites das placas, não apenas prevemos, mas medimos uma força diferente de zero entre essas placas, decorrente de nada além do próprio espaço vazio. Como se vê, todas as forças, incluindo a força gravitacional , também exibem um efeito Casimir.
Um mapa de mais de um milhão de galáxias no Universo, onde cada ponto é sua própria galáxia. As várias cores representam distâncias, com o vermelho representando mais longe. Crédito da imagem: Daniel Eisenstein e a colaboração SDSS-III.
Então, o que acontece se aplicarmos esse efeito a todo o Universo e tentarmos calcular qual deve ser o efeito? A resposta é simples: obtemos algo que tem uma forma consistente com a energia escura, embora – mais uma vez – a magnitude esteja errada. Isso é muito possivelmente, no entanto, uma função do fato de que não sabemos como são as condições de contorno do Universo, ou como calcular esse efeito gravitacional quântico muito bem. Mas é uma possibilidade incrível e bem pesquisada que tem muitos desenvolvimentos interessantes em andamento na última década.
A reconstrução 3D de 120.000 galáxias e suas propriedades de agrupamento, inferidas de seu desvio para o vermelho e formação de estruturas em grande escala. Crédito da imagem: Jeremy Tinker e a colaboração SDSS-III.
Mapear o Universo pode ser a parte mais fácil. Talvez não seja um avanço observacional ou experimental que nos leve a entender a energia escura, a força mais indescritível do Universo. Talvez seja um teórico que é necessário. E talvez está relacionado para a anomalia do traço , talvez seja uma quantidade dinâmica que é mudou ao longo do tempo , e talvez seja mesmo um sinal de dimensões extras . O Universo está lá fora, e só recentemente descobrimos esse segredo mais difícil de explicar. Talvez a solução, se formos cuidadosos, esteja na física que já conhecemos.
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:
