Começa Com Um Estrondo

É por isso que a energia escura é o maior problema não resolvido do universo

Os quatro destinos possíveis do nosso Universo no futuro; o último parece ser o Universo em que vivemos, dominado pela energia escura. O que está no Universo, juntamente com as leis da física, determina não apenas como o Universo evolui, mas quantos anos ele tem. Se a energia escura fosse cerca de 100 vezes mais forte na direção positiva ou negativa, nosso Universo como o conhecemos teria sido impossível. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Há muitos mistérios não resolvidos no Universo, mas a energia escura é a mais confusa. Aqui está o porquê.

A maior parte da energia em nosso Universo foi completamente desconhecida até o final da década de 1990, e os cientistas ainda não sabem o que é. Apenas 5% do Universo, em termos de energia, é feito de coisas com as quais estamos familiarizados e entendemos: prótons, nêutrons, elétrons, fótons, neutrinos, buracos negros e até ondas gravitacionais. Do restante, 27% é matéria escura e 68% ⁠ — a maior quantidade ⁠ — está na forma de uma substância nova e misteriosa: a energia escura.

A energia escura foi revelada pela primeira vez por observação: examinando a luz de sinais ultradistantes como supernovas. Com medições de distância e redshift, os cientistas concluíram que o Universo não poderia ser feito apenas de matéria e radiação, mas precisava de uma nova forma de energia que mudaria o destino do nosso Universo. Eis por que, mais de 20 anos depois, ainda é o maior problema não resolvido de todos.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que 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. (NASA e ESA)

Se você quiser saber do que o Universo é feito, tudo o que você precisa fazer é medir as distâncias e os desvios para o vermelho de uma variedade de objetos diferentes no Universo. O desvio para o vermelho que você mede será uma combinação de quão rápido o objeto está se movendo pelo espaço (normalmente centenas ou alguns milhares de km/s) e quanto o Universo se expandiu desde que a luz foi emitida de uma fonte distante, enquanto a distância pode ser inferido medindo-se o brilho aparente ou o tamanho angular aparente de um objeto, comparado com um brilho ou tamanho real e intrínseco conhecido.

Quando combinamos todas as observações que temos – de supernovas, de estrutura em grande escala, das flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, etc. – todas apontam para uma imagem única e unificada do Universo: com 5% de matéria normal, 27 % de matéria escura e 68% de energia escura.

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 além do trabalho original do 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 faz é indicativo da presença e dominância tardia da energia escura. (NED WRIGHT, COM BASE NOS DADOS MAIS RECENTES DE BETOULE ET AL. (2014))

Do ponto de vista teórico, a maneira como entendemos essas observações é extraordinariamente direta. Nas maiores escalas cósmicas, nosso Universo é o mesmo em todas as direções e em todos os locais. Você pode examinar a teia cósmica e notar que pode percorrer milhões de anos-luz em qualquer direção de uma galáxia antes de encontrar outra, mas essas escalas não são grandes o suficiente para ver como as coisas realmente são uniformes. Nosso universo observável real contém cerca de 400.000 Gly³ (onde 1 Gly é um bilhão de anos-luz), e em escalas de mais de alguns bilhões de anos-luz cúbicos, as coisas são realmente 99,99% uniformes.

Quando o Universo se comporta como se fosse o mesmo em todas as direções e locais, você pode escrever uma solução exata de como o Universo se comportará: um fator de expansão/contração à esquerda e todos os termos de matéria e energia à direita. Essas são as regras que governam o Universo em expansão e, medindo como essa taxa muda ao longo do tempo, podemos determinar o que há no Universo, quanto e como ele se comporta.

Uma foto minha na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. A primeira equação de Friedmann detalha a taxa de expansão do Hubble ao quadrado no lado esquerdo, que governa a evolução do espaço-tempo. O lado direito inclui todas as diferentes formas de matéria e energia, juntamente com a curvatura espacial, que determina como o Universo evolui no futuro. Esta tem sido chamada de equação mais importante em toda a cosmologia, e foi derivada por Friedmann essencialmente em sua forma moderna em 1922. (PERIMETER INSTITUTE / HARLEY THRONSON)

Diferentes conjuntos de dados impõem diferentes restrições sobre o que está no Universo, mas ao combiná-los e ver onde eles se sobrepõem, podemos ver se há um conjunto de parâmetros que se ajuste a todos os diferentes tipos de dados de uma só vez.

É daí que vem o modelo de concordância em cosmologia, de um Universo que é:

expandindo em torno de 67 a 74 km/s/Mpc hoje,
onde a expansão é atualmente dominada (68%) pela energia escura,
onde o Universo é espacialmente plano,
onde o resto da energia do Universo (32%) está principalmente na forma de matéria (normal e escura),
e onde o Universo tem aproximadamente 13,8 bilhões de anos, desde que o Big Bang quente ocorreu pela primeira vez.

Mesmo com as recentes controvérsias e tensões, essa continua sendo a imagem consensual do Universo: aquela que é consistente com o conjunto completo de dados que temos, incluindo as incertezas atuais.

Restrições no conteúdo total de matéria (normal + escuro, eixo x) e densidade de energia escura (eixo y) de três fontes independentes: supernovas, CMB (fundo de microondas cósmico) e BAO (que é uma característica ondulada vista nas correlações de grande estrutura). 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. (PROJETO DE COSMOLOGIA SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Pode parecer bizarro que a maior parte da energia no Universo não seja apenas invisível (ou escura), mas que nem seja uma forma de matéria! A matéria normalmente se aglomera e se aglomera, pois as massas são gravitacionalmente atraídas por outras massas; quando matéria suficiente se junta em um ponto, ela pode superar a expansão do Universo e formar estrelas, galáxias e grupos/aglomerados de galáxias. Em um universo dominado pela matéria, a estrutura cresce cada vez mais e se torna mais complexa e semelhante a uma teia à medida que o tempo passa.

Mas em um universo que também possui grandes quantidades de energia escura, haverá um limite para o tamanho e a complexidade dessa teia. A energia escura que vemos se comporta como se fosse uma forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço. À medida que o Universo se expande, a matéria fica menos densa (à medida que o volume aumenta), a radiação fica menos densa (à medida que o volume aumenta) e menos energética (à medida que a luz muda para o vermelho), mas a densidade de energia da energia escura sempre permanece constante. Depois de bilhões de anos, a densidade da radiação e da matéria cai abaixo da densidade da energia escura, levando à expansão acelerada que observamos hoje.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) 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. Se a energia escura mudar ao longo do tempo, poderíamos descobrir não apenas uma possível solução para esse enigma sobre o Universo em expansão, mas uma nova visão revolucionária sobre a natureza da existência. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Um dos objetivos da cosmologia observacional moderna é descrever completamente a energia escura medindo tantas propriedades diferentes sobre o Universo em expansão que são capazes de sondar sua natureza. À medida que coletamos um grande número de supernovas distantes do tipo Ia, medimos melhor as propriedades de agrupamento em larga escala da teia cósmica em tempos iniciais, intermediários e tardios e extraímos maiores detalhes das flutuações e polarização do fundo cósmico de micro-ondas, podemos aprimorar melhor sobre exatamente como descrever a energia escura.

Poderia se comportar como uma constante cosmológica, o que significaria que era uma forma de energia inerente ao próprio espaço, ou poderia se comportar de uma forma mais complexa: como uma forma geral de energia com seu próprio (e possivelmente dinâmico, em constante mudança). ) equação de estado. No entanto, as observações descartam completamente um Universo governado pela Relatividade Geral sem energia escura.

Em vez de adicionar uma constante cosmológica, a energia escura moderna é tratada como apenas mais um componente de energia no Universo em expansão. Esta forma generalizada das equações mostra claramente que um Universo estático está fora e ajuda a visualizar a diferença entre adicionar uma constante cosmológica e incluir uma forma generalizada de energia escura. (2014 UNIVERSIDADE DE TÓQUIO; KAVLI IPMU)

A maneira como convencionalmente descrevemos a energia escura é através de um único parâmetro: Dentro , conhecida como equação de estado. Na física, Dentro relaciona a densidade de energia de qualquer forma de energia com a pressão dessa forma de energia. Para a matéria normal que se move a velocidades desprezíveis em relação à velocidade da luz, Dentro = 0, significando que tanto a matéria normal quanto a matéria escura são sem pressão.

A radiação, por outro lado, exerce uma pressão: Dentro = +⅓. Essa pressão positiva leva a uma taxa de expansão que cai mais rapidamente com o tempo: quando o Universo é dominado por radiação, sua taxa de expansão diminui mais rapidamente do que um universo dominado por matéria (com Dentro = 0) Universo. Você também pode ter um Universo com Dentro = -⅓ (dominado por cordas cósmicas ou curvatura espacial), com Dentro = -⅔ (dominado por paredes de domínio), ou por uma constante cosmológica: com Dentro = -1. Enquanto outros valores são possíveis, bem como mudanças na Dentro com o tempo, restringimos Dentro igual a -1 exatamente, com uma incerteza de cerca de 10% no máximo.

A importância relativa da matéria escura, energia escura, matéria normal e neutrinos e radiação são ilustradas aqui. Embora a energia escura domine hoje, era insignificante no início. A matéria escura tem sido muito importante por tempos cósmicos extremamente longos, e podemos ver suas assinaturas até mesmo nos primeiros sinais do Universo. (E. SIEGEL)

Teoricamente, os modelos mais simples para uma nova forma de energia para o Universo acontecem em incrementos de Dentro de ⅓; o fato de que a energia escura está muito próxima de -1,00 nos ensina que é mais consistente com uma constante cosmológica (onde Dentro = -1 exatamente) do que qualquer outra forma de energia que entendemos.

A constante cosmológica, na Relatividade Geral, é interessante porque é a única forma de energia que você pode adicionar às equações de Einstein (e, portanto, às equações de Friedmann) além dos tipos de matéria e energia encontrados no Universo. Também aparece na teoria quântica de campos: como a energia inerente ao próprio espaço vazio. Se fôssemos capazes de calcular as contribuições de todas as diferentes partículas e campos permitidos a existir neste Universo - e como elas se aplicam ao vácuo do próprio espaço - esperaríamos obter o valor da energia do ponto zero do próprio espaço , e, portanto, o valor da constante cosmológica do nosso Universo.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. (DEREK LEINWEBER)

Ok, você diz, nós sabemos como começar a calcular termos individuais que contribuem para o vácuo quântico, então quais são eles? E você faz esses cálculos e começa a obter respostas que são muito, muito grandes para serem corretas: cerca de 120 ordens de magnitude maiores do que as restrições observacionais permitem.

Quando você começa a ver o porquê, é porque o valor da constante cosmológica é proporcional a um valor de massa/energia elevado à 4ª potência, e o valor padrão que entra é uma combinação de três constantes fundamentais: c (A velocidade da luz), h (constante de Planck), e G (a constante gravitacional). Construa uma massa/energia a partir deles e o valor que você obtém é de cerca de ~10¹⁹ GeV, conhecido como massa/energia de Planck.

Esta é uma tremenda incompatibilidade, e tantas invenções teóricas são feitas de tal maneira que a energia escura é explicada por um mecanismo diferente.

Uma ilustração de como as densidades de radiação (vermelho), neutrino (tracejado), matéria (azul) e energia escura (pontilhada) mudam ao longo do tempo. Em um novo modelo proposto há alguns anos, a energia escura seria substituída pela curva preta sólida, que até agora é indistinguível, observacionalmente, da energia escura que presumimos. (FIGURA 1 DE F. SIMPSON ET AL. (2016), VIA HTTPS://ARXIV.ORG/ABS/1607.02515 )

Você pode tentar descartar a Relatividade Geral e modificar a gravidade, o que permite introduzir vários novos parâmetros livres que podem explicar a energia escura em vez de uma constante cosmológica.

Você pode introduzir um novo campo no Universo, que acopla as várias forças ou interações de várias maneiras possíveis, permitindo comportamentos que fariam com que a taxa de expansão do Universo se comportasse da maneira que observamos.

Você pode construir um modelo onde as condições que existiam durante a fase inflacionária (nosso único outro período conhecido de expansão exponencial) estão conectadas à energia escura de hoje.

Ou você pode introduzir uma nova ideia que leva a efeitos diferentes do que normalmente esperamos em nosso Universo. Qualquer modelo que ofereça observáveis significativamente diferentes de uma constante cosmológica pode ser testado.

Um Universo com energia escura (vermelho), um Universo com grande energia heterogênea (azul) e um Universo crítico, livre de energia escura (verde). Observe que a linha azul se comporta de maneira diferente da energia escura. Novas ideias devem fazer previsões diferentes, observáveis e testáveis das outras ideias principais. E as ideias que falharam nesses testes observacionais devem ser abandonadas quando chegarem ao ponto do absurdo. (GÁBOR RÁCZ ET AL., 2017)

É claro que não há motivação para que qualquer uma dessas contorções teóricas seja necessária, pois qualquer uma dessas modificações ainda precisa contar com a constante cosmológica e a energia do ponto zero do espaço na teoria quântica de campos. A partir de hoje, todos eles descartam a questão, alegando que o verdadeiro valor esperado do vácuo é provavelmente zero e atribuindo o que observamos como energia escura a um valor adicional. para isso efeito.

Claro, isso permite a você a liberdade – introduzindo qualquer modificação da gravidade, qualquer novo campo, qualquer modelo conjunto de inflação + energia escura, ou qualquer outra ideia que você invente – para obter o destino do Universo que você quiser.

Mas não há motivação para nenhum desses passos, embora teoricamente estejam na moda nos dias de hoje. A realidade é que todos os indicadores que temos mostram que a energia escura não é diferente de uma constante cosmológica direta. Qualquer outra coisa não é descartada, mas é motivada por nada mais do que pensamento positivo e reflexões teoricamente imaginativas.

Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha, levando ao cenário de longo prazo descrito aqui: do eventual calor morte do Universo. (NASA/GSFC)

O que muitas pessoas notaram, no entanto, é que talvez um cálculo que resulte em colocar a massa/energia de Planck no valor da constante cosmológica seja completamente errado. Se em vez de 10¹⁹ GeV, colocássemos em uma massa/energia mais próxima de 0,001 a 0,01 eV que levaríamos à 4ª potência, obteríamos um valor da constante cosmológica que correspondia ao que observamos em nosso Universo.

O que é muito, muito interessante sobre essa faixa de massa é que existem duas classes de partículas que naturalmente se enquadram nela:

o neutrino; a partir de uma variedade de medições, sabemos que os neutrinos têm massas ligeiramente diferentes uns dos outros, e que as diferenças entre as diferentes espécies se enquadram nessa faixa.
o áxion, que é uma partícula teórica e candidata à matéria escura; muitas variações do áxion podem ter uma massa de repouso na faixa de micro-eV a mili-eV.

Se houver uma nova física aparecendo nessa escala de baixa energia, suas contribuições para o vácuo quântico também podem explicar o quebra-cabeça da energia escura.

O detector XENON1T, com seu criostato de fundo baixo, é instalado no centro de um grande escudo de água para proteger o instrumento contra fundos de raios cósmicos. Essa configuração permite que os cientistas que trabalham no experimento XENON1T reduzam bastante o ruído de fundo e descubram com mais confiança os sinais dos processos que estão tentando estudar. A XENON não está apenas procurando por matéria escura pesada, semelhante a WIMP, mas outras formas de matéria escura em potencial, incluindo candidatos à luz, como fótons escuros e partículas semelhantes a áxions. (COLABORAÇÃO XENON1T)

O verdadeiro fato da questão é que, observacionalmente, a energia escura está se comportando como se fosse uma forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço. WFIRST, a principal missão astrofísica da NASA na década de 2020 (depois de James Webb), deve nos permitir reduzir as restrições medidas em Dentro para o nível de 1 ou 2%. Se ainda parece indistinguível de uma constante cosmológica (com Dentro = -1) então, não teremos escolha a não ser contar com o próprio vácuo quântico.

Por que o espaço vazio tem as propriedades que tem? Por que a energia do ponto zero do tecido do Universo é um valor positivo e diferente de zero? E por que a energia escura tem o comportamento que observamos, e não qualquer outro?

Há um número infinito de modelos que podemos criar para descrever o que vemos, mas o modelo mais simples – de uma constante cosmológica diferente de zero – não requer acréscimos ou modificações para corresponder aos dados. Até progredirmos na compreensão do próprio vácuo quântico, a energia escura continuará sendo o maior quebra-cabeça não resolvido de toda a física teórica moderna.

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 .