• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: A reinterpretação de nossos dados poderia eliminar a energia escura?

A energia escura é um dos maiores mistérios de todo o Universo. Existe alguma maneira de evitar 'ter que viver com isso?'

Principais conclusões

• Desde o final da década de 1990, quando os dados da supernova se tornaram esmagadores, a energia escura tem sido uma consequência inevitável de viver em nosso Universo.
• No entanto, muitas pessoas têm procurado por erros, incertezas e possíveis efeitos sistemáticos, com alguns afirmando que talvez não precisemos de energia escura, afinal.
• Essas reivindicações resistem ao escrutínio? Enquanto muitos adorariam se livrar da energia escura, o conjunto completo de dados diz o contrário.

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Quando se trata do Universo, é fácil fazer a suposição incorreta de que o que vemos é um reflexo preciso de tudo o que existe lá fora. Certamente, o que observamos lá fora realmente está presente, mas sempre há a possibilidade de que haja muito mais coisas lá fora que não podem ser observadas. Isso se estende à radiação fora do espectro de luz visível, matéria que não emite nem absorve luz, buracos negros, neutrinos e formas ainda mais exóticas de energia. Se algo realmente existe neste Universo e carrega energia, terá efeitos não desprezíveis em quantidades que podemos realmente observar e, a partir dessas observações, podemos voltar e inferir o que realmente existe. Mas há um perigo: talvez nossas inferências estejam incorretas porque estamos nos enganando de alguma forma. Isso poderia ser uma preocupação legítima para a energia escura? É o que esta semana questionador, Bud Christenson , quer saber:

“Como alguém que estudou física, consegui envolver meu cérebro em algumas ideias que já foram consideradas malucas… Mas a energia escura é a ideia mais maluca que já ouvi. Eu sei que não sou a faca mais afiada da gaveta e não estou ficando mais esperto com a idade. Mas se muitos de vocês estão convencidos de que essa ideia intuitivamente impossível é válida, talvez eu precise investigar em vez de rejeitá-la de cara.”

Independentemente de nossa estimativa de como o Universo deveria ser, tudo o que podemos fazer é observá-lo como ele é e tirar nossas conclusões com base no que o Universo nos diz sobre si mesmo. Vamos voltar ao início quando se trata de energia escura e ver o que aprendemos por nós mesmos.

Existe um grande conjunto de evidências científicas que apóiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang, completo com energia escura. A expansão acelerada tardia não conserva estritamente energia, mas a presença de um novo componente do Universo, conhecido como energia escura, é necessária para explicar o que observamos.

Nosso Universo – pelo menos como o conhecemos – começou há cerca de 13,8 bilhões de anos com o quente Big Bang. Nesta fase inicial, foi:

• extremamente quente,
• extremamente denso,
• extremamente uniforme,
• preenchido com todas as formas permitidas de energia que poderia existir,
• e se expandindo em um ritmo extremamente rápido.

Todas essas propriedades são importantes, pois todas afetam não apenas umas às outras, mas a evolução do próprio Universo.

O Universo é quente por causa da quantidade de energia inerente a cada partícula. Assim como se você aquecer um líquido ou gás, as partículas que o compõem se movem com mais rapidez e energia, as partículas do Universo primitivo levam isso ao extremo: movendo-se a velocidades indistinguíveis da velocidade da luz. Elas colidem umas com as outras, criando espontaneamente pares partícula-antipartícula em todas as permutações permitidas, levando a um verdadeiro zoológico de partículas. Todas as partículas e antipartículas permitidas no Modelo Padrão, bem como quaisquer outras partículas ainda desconhecidas que possam existir, existiam em quantidades copiosas.

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. Observe que os objetos começam mais próximos do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias terminam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz percorrido pelo fóton trocado. entre eles.

Mas esse Universo quente, denso e quase perfeitamente uniforme não permaneceria assim para sempre. Com tanta energia em um volume tão pequeno de espaço, o Universo deve ter se expandido a uma taxa incrivelmente rápida nesses primeiros tempos. Veja, há uma relação na Relatividade Geral, para um Universo amplamente uniforme, entre como o espaço-tempo evolui – expandindo ou contraindo – e toda a matéria combinada, radiação e outras formas de energia presentes dentro dele.

Se a taxa de expansão for muito pequena para o material dentro dela, o Universo entrará em colapso rapidamente. Se a taxa de expansão for muito grande para o material dentro dele, o Universo se dilui rapidamente para que duas partículas nunca se encontrem. Somente se o Universo estiver “perfeito” e espero que você esteja dizendo “perfeito” da mesma forma que faria ao contar a história de Cachinhos Dourados e os Três Ursos, o Universo pode se expandir, esfriar, formar entidades complexas e persistir com estruturas interessantes dentro dela por bilhões de anos. Se nosso Universo, nos estágios iniciais do Big Bang quente, fosse apenas um pouquinho mais denso ou um pouquinho menos denso, ou inversamente expandido um pouquinho mais ou menos rápido, nossa própria existência teria sido uma impossibilidade física.

Se o Universo tivesse apenas uma densidade de matéria ligeiramente maior (vermelho), ele estaria fechado e já teria entrado em colapso; se tivesse apenas uma densidade ligeiramente menor (e curvatura negativa), teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. O Big Bang, por si só, não oferece nenhuma explicação de por que a taxa de expansão inicial no momento do nascimento do Universo equilibra a densidade total de energia tão perfeitamente, não deixando nenhum espaço para a curvatura espacial e um Universo perfeitamente plano. Nosso Universo parece perfeitamente plano espacialmente, com a densidade de energia total inicial e a taxa de expansão inicial se equilibrando em pelo menos mais de 20 dígitos significativos. Podemos ter certeza de que a densidade de energia não aumentou espontaneamente em grandes quantidades no início do Universo pelo fato de não ter entrado em colapso novamente.

À medida que o Universo se expande, no entanto, várias coisas evoluem.

• A temperatura cai, à medida que o comprimento de onda de qualquer fóton que viaja pelo Universo se estende junto com a expansão do espaço.
• A densidade cai, pois qualquer espécie de energia quantizada em um número fixo de partículas verá o volume se expandir enquanto o número de partículas permanece constante.
• Os tipos de partículas existentes simplificam, pois todas as partículas massivas e instáveis ​​(e antipartículas) no Modelo Padrão requerem grandes quantidades de energia para criá-las - via E = mc ² - e uma vez que não há mais energia suficiente presente, eles simplesmente aniquilam com suas contrapartes de antimatéria.
• O nível de uniformidade cai, à medida que todas as forças do Universo empurram e puxam as várias formas de matéria e energia dentro delas, levando ao crescimento de imperfeições gravitacionais e, eventualmente, a uma teia cósmica de estrutura em larga escala.
• E a própria taxa de expansão também evolui, pois essa taxa está diretamente relacionada à densidade total de energia do Universo; se a densidade cair, a taxa de expansão também deve cair.

A lei da gravidade, Relatividade Geral, é tão bem compreendida que se você pudesse medir qual é a taxa de expansão hoje e pudesse determinar quais são todas as diferentes formas de matéria e energia no Universo, você poderia calcular precisamente qual o tamanho , escala, temperatura, densidade e taxa de expansão do Universo observável estava em cada ponto ao longo de nossa história cósmica, e quais serão essas quantidades em qualquer ponto no futuro.

Enquanto a matéria 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.

A razão pela qual podemos fazer isso é simples: se pudermos entender o que está no Universo, e entendermos como a expansão (ou contração) do Universo afeta o que está nele, e como essas mudanças, por sua vez, causam a mudança na taxa de expansão, nós pode aprender precisamente como qualquer tipo de matéria, radiação ou energia evoluirá junto com a escala de separação entre quaisquer dois pontos no Universo. Alguns casos dignos de nota incluem:

• matéria normal, que cai como o inverso da escala do Universo para a terceira potência (à medida que o volume do nosso Universo tridimensional cresce),
• radiação, como fótons ou ondas gravitacionais, que cai como fator de escala para a quarta potência negativa (à medida que o número de quanta se dilui e o comprimento de onda de cada quantum é esticado pelo Universo em expansão),
• matéria escura (que se comporta de forma idêntica à matéria normal a este respeito),
• neutrinos (que se comportam como radiação quando as coisas estão muito quentes e como matéria quando as coisas estão frias),
• curvatura espacial (que se dilui na segunda potência inversa da escala do Universo),
• e uma constante cosmológica (que tem uma densidade de energia constante em todo o espaço e permanece a mesma independentemente da expansão ou contração do Universo).

Os componentes do Universo que se diluem mais rapidamente são os mais importantes desde o início, enquanto os componentes que se diluem mais lentamente (ou não se diluem) exigirão que mais tempo passe antes que seus efeitos possam ser observados, mas então - se existirem - eles' serão os que se tornarão dominantes.

Vários componentes e contribuintes para a densidade de energia do Universo, e quando eles podem dominar. Observe que a radiação é dominante sobre a matéria por aproximadamente os primeiros 9.000 anos, depois a matéria domina e, finalmente, surge uma constante cosmológica. (As outras não existem em quantidades apreciáveis.) No entanto, a energia escura pode não ser exatamente uma constante cosmológica.

Embora essa estrutura seja incrivelmente poderosa, temos que tomar um cuidado extraordinário para garantir que estamos deixando as observações nos guiarem e que, quando elas chegarem, não nos deixemos enganar pelo que elas dizem. À medida que o Universo se expande, por exemplo, a luz emitida por uma galáxia distante se estende a comprimentos de onda mais longos e vermelhos e, portanto, parece vermelha quando atinge nossos olhos. Mas a luz de objetos intrinsecamente mais vermelhos (em oposição aos mais azuis) também é vermelha. A luz de um objeto que se afasta de nós também é deslocada para o vermelho. E a luz de um objeto obscurecido pela poeira também aparecerá preferencialmente avermelhada em comparação com um objeto idêntico localizado ao longo de uma linha de visão livre de poeira.

A maneira como tentamos explicar esses tipos de erros é tripla.

1. Exigimos várias linhas de evidência independentes ao tirar uma conclusão sobre o Universo, de modo que mesmo um erro não identificado com qualquer conjunto particular de objetos não nos leve a uma conclusão incorreta.
2. Fazemos o possível para identificar todas as fontes concebíveis de erro ou incerteza e quantificá-las, para que possamos estudar cada aspecto de cada fenômeno que possa afetar nossos resultados inferidos e o que eles significam.
3. E inventamos possibilidades alternativas para tudo o que observamos, para que possamos realizar testes independentes dessas várias ideias hipotéticas para ver quais podem ser descartadas e quais ainda permanecem válidas.

Até agora, isso provou ser uma abordagem tremendamente bem-sucedida.

Este gráfico mostra as 1550 supernovas que fazem parte da análise do Pantheon+, representadas em função da magnitude versus redshift. Os dados da supernova, há muitas décadas, apontam para um Universo que se expande de uma forma particular que requer algo além da matéria, radiação e/ou curvatura espacial: uma nova forma de energia que impulsiona a expansão, conhecida como energia escura. Todas as supernovas seguem a linha que nosso modelo cosmológico padrão prevê, mesmo com as supernovas do tipo Ia de maior desvio para o vermelho e mais distantes aderindo a essa relação simples.

Sabemos há muito tempo que nosso Universo deve conter matéria e radiação, mas muitas vezes nos perguntamos se isso era tudo o que existia. Poderia haver formas exóticas de energia lá fora: defeitos topológicos como monopolos, cordas cósmicas, paredes de domínio ou texturas? Poderia haver uma constante cosmológica, ou talvez algum tipo de campo dinâmico? E todas essas formas de energia somariam um certo valor crítico determinado pela taxa de expansão, exatamente, ou haveria uma incompatibilidade, significando que havia (positiva ou negativa) curvatura espacial no Universo? Sem dados suficientemente precisos e convincentes, muitas possibilidades viáveis ​​permaneceram sobre a mesa.

Ao longo da década de 1990, várias equipes trabalhando com os melhores telescópios terrestres à sua disposição começaram a medir os objetos mais distantes e brilhantes do Universo que sempre exibiam propriedades de brilho conhecidas e regulares: supernovas do tipo Ia, desencadeadas quando estrelas anãs brancas massivas explodem . Em 1998, supernovas suficientes foram construídas em uma variedade de distâncias e com desvios para o vermelho quantificavelmente observados que duas equipes independentes notaram algo notável: essas explosões pareciam mais fracas do que deveriam a partir de uma certa distância.

Era possível que houvesse algo além de matéria e radiação no Universo, estendendo a luz dessas supernovas mais do que o esperado e empurrando-as para distâncias maiores do que se o Universo fosse povoado apenas por matéria e energia.

A luz pode ser emitida em um determinado comprimento de onda, mas a expansão do Universo irá esticá-la à medida que viaja. A luz emitida no ultravioleta será deslocada até o infravermelho ao considerar uma galáxia cuja luz chega há 13,4 bilhões de anos. Quanto mais acelerada a expansão do Universo, maior será o desvio para o vermelho da luz de objetos distantes e mais fraca ela aparecerá.

Mas havia outras explicações possíveis para essas supernovas parecerem mais fracas do que o esperado, além de terem uma composição inesperada no balanço de energia do Universo. Pode ser que:

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• essas supernovas, consideradas iguais em todos os lugares, na verdade estavam evoluindo com o tempo, fazendo com que as recentes e as antigas e distantes tivessem propriedades diferentes,
• que as supernovas não estavam evoluindo, mas seus ambientes estavam, e isso estava afetando a luz,
• que havia poeira poluindo algumas das supernovas mais distantes, e isso fazia com que parecessem mais fracas do que realmente eram, bloqueando uma parte de sua luz,
• ou que havia alguma probabilidade diferente de zero de que esses fótons distantes estivessem oscilando em algum outro tipo de partícula invisível, como axions, fazendo com que supernovas distantes parecessem mais fracas.

Então, ou há algum efeito em jogo que é a causa desses objetos distantes aparecendo como se o Universo tivesse se expandido em uma quantidade maior do que esperávamos, ou há algum tipo de cenário alternativo em jogo.

Felizmente, existem maneiras de testar essas ideias umas contra as outras e ver qual delas se encaixa não apenas nos dados da supernova, mas em todos os dados juntos.

Um gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) é consistente com um Universo que se expandiu mais rápido no passado, mas onde galáxias distantes estão acelerando em sua recessão hoje. Esta é uma versão moderna, estendendo-se milhares de vezes mais longe do que o trabalho original de Hubble. Observe o fato de que os pontos não formam uma linha reta, indicando a variação da taxa de expansão ao longo do tempo. O fato de o Universo seguir a curva que segue é indicativo da presença e dominância tardia da energia escura.

Não demorou muito para descartar a evolução das supernovas ou a evolução de seus ambientes; a física da matéria baseada em átomos é muito sensível a esses cenários. As oscilações do fóton-áxion foram descartadas por observações detalhadas da luz vinda de diferentes distâncias; pudemos ver que essas oscilações não estavam presentes. E as mudanças na luz ocorreram igualmente em todos os comprimentos de onda, descartando a possibilidade de poeira. Na verdade, um tipo irreal de poeira – poeira cinza, que absorve a luz igualmente em todos os comprimentos de onda – também foi testado com grande precisão até que também pudesse ser descartado observacionalmente.

Não apenas a adição de uma constante cosmológica se encaixou incrivelmente bem nos dados, mas linhas de evidência completamente independentes também apontaram para a mesma conclusão. Nós temos:

• outros objetos para observar além das supernovas a grandes distâncias, e embora eles se afastem de forma confiável para menos longe e tenham maiores incertezas para eles, eles também parecem mais fracos a grandes distâncias, como se tivessem sido movidos para distâncias maiores do que um universo apenas de matéria indicaria,
• a estrutura em grande escala do Universo, que indica que o Universo é preenchido com apenas cerca de 30% de matéria e uma quantidade insignificante de radiação,
• e as flutuações de temperatura nas micro-ondas cósmicas de fundo, que impõem fortes restrições à quantidade total de material, indicando que o Universo é espacialmente plano, de modo que a quantidade total de energia é de aproximadamente 100% da densidade crítica.

Restrições no conteúdo total de matéria (normal+escuro, eixo x) e densidade de energia escura (eixo y) de três fontes independentes: supernovas, CMB (fundo cósmico de micro-ondas) e BAO (que é uma característica sinuosa vista nas correlações de estrutura em grande escala). Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura com certeza, e também que existem incertezas e degenerações entre a quantidade de matéria escura e energia escura que precisaríamos para descrever com precisão nosso Universo.

No início dos anos 2000, ficou claro que, mesmo que você ignorasse totalmente os dados da supernova, ainda seria compelido a concluir que havia um tipo extra de energia presente no Universo que compreendia essa “falta” ~ 70% ou mais , e que tinha que se comportar de tal maneira que estava causando objetos distantes a ter um desvio para o vermelho que aumentava com o tempo, em vez de diminuir como esperado em um Universo sem alguma forma de energia escura.

Embora a evidência de que a energia escura se comportou como uma constante cosmológica tivesse inicialmente grandes incertezas, em meados dos anos 2000 caiu para ± 30%, no início dos anos 2010 era de ± 12% e hoje caiu para ± 7%. Qualquer que seja a energia escura, com certeza parece que sua densidade de energia permanece constante no tempo.

Uma ilustração de como as densidades de radiação (vermelho), neutrino (tracejado), matéria (azul) e energia escura (pontilhada) mudam com o tempo. Em um novo modelo proposto há alguns anos, a energia escura seria substituída pela curva preta sólida, até agora indistinguível, observacionalmente, da energia escura que presumimos. A partir de 2023, a energia escura pode se desviar de uma “constante” em cerca de ~7% na equação de estado; mais é muito restrito pelos dados.

Em um futuro próximo, observatórios como o Euclid da ESA, o Vera Rubin Observatory da NSF e o Nancy Roman Observatory da NASA melhorarão essa incerteza para que, se a energia escura se afastar de uma constante em apenas ~ 1-2%, seremos capazes de para detectá-lo. Se ela se fortalecer ou enfraquecer com o tempo, ou variar em direções diferentes, seria um novo indicador revolucionário de que a energia escura é ainda mais exótica do que pensamos atualmente.

Claro, a ideia de uma nova forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço – o que conhecemos hoje como energia escura – é maluca, ninguém duvida disso. Mas é realmente selvagem o suficiente para explicar o Universo que temos? A única maneira de aprender é continuar fazendo perguntas ao Universo sobre si mesmo e ouvindo o que ele nos diz. É assim que a boa ciência é feita e, no final, nossa melhor esperança de aprender a verdade sobre nossa realidade.

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