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Retrocesso quinta-feira: o destino do universo

Crédito da imagem: Mark Garlick / HELAS.

Para a destruição, o gelo também é ótimo e será suficiente.

Alguns dizem que o mundo vai acabar em fogo,
Alguns dizem no gelo.
Do que eu provei de desejo
Eu mantenho com aqueles que são a favor do fogo.
Mas se tivesse que perecer duas vezes,
Eu acho que sei o suficiente de ódio
Dizer isso para destruição de gelo
Também é ótimo
E bastaria. – Robert Frost

Dependendo de onde você está no mundo agora, você pode realmente estar sentindo os efeitos do inverno emergente, com ondas de frio, geadas e tempestades de neve tomando conta do hemisfério norte.

Crédito da imagem: Estúdio de Visualização Científica da NASA, Goddard Space Flight Center.

Mas todos podemos ter certeza de que isso é temporário e que a primavera está a poucos meses de distância. Não é como se fosse ficar cada vez mais frio até que tudo assíntota em direção ao zero absoluto, certo?

…certo?

Crédito da imagem: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) & Giovanni Anselmi (Coelum Astronomy), Hawaiian Starlight.

Claro que vai; nosso planeta está ficando mais frio (no norte) por causa de nossa inclinação para longe do Sol. Nos próximos meses, começaremos a nos inclinar novamente e, com o aumento da luz solar direta, as temperaturas mais quentes ocorrerão.

Mas o próprio Universo não tem tanta sorte. O que parece absurdo quando aplicado à Terra não é apenas uma consideração legítima quando se trata do Universo, é literalmente a pergunta final : o que é o destino do universo ?

Para entender por que isso é uma coisa legítima a considerar, você tem que voltar à questão da de onde viemos para chegar aqui.

Crédito da imagem: NASA / CXC / M. Weiss.

Isso seria do Big Bang , é claro, o que nos diz que o que nós conhecido como nosso Universo - completo com toda a matéria e radiação nele - começou a partir de uma fase quente, densa e em expansão, e foi esfriando, tornando-se menos denso, e a taxa de expansão diminuiu desde então.

Eu quero que você pare por um momento e reconheça o quão notável essa parte da história realmente é.

Crédito da imagem: Science Photo Library / Take 27 Ltd, via http://fineartamerica.com/ .

Quando você ouve, o Universo está se expandindo, você pode ter uma certa imagem em sua cabeça. Talvez seja de galáxias presas à superfície de um balão que está sendo explodido; talvez seja de passas sendo assadas dentro de um pão; talvez seja uma bolha de sabão com ar bombeado nela, ou talvez algo completamente diferente.

Estou bem ciente de que nenhum deles é completamente satisfatório, porque são simplesmente analogias para a estrutura matemática da relatividade geral. Sem entrar na matemática, há duas coisas que determinam quão o Universo se expande:

1. Todas as diferentes formas de densidade de energia (incluindo matéria normal, matéria escura, energia escura, neutrinos, fótons, cordas cósmicas, paredes de domínio, monopolos magnéticos e qualquer outra coisa que você possa imaginar) presentes no Universo a qualquer momento, e
2. Qual é a taxa de expansão física real naquele momento específico.

Quando eu digo como o Universo se expande, eu quer dizer , como as propriedades de expansão do Universo evoluem ao longo do tempo.

Crédito da imagem: Ross Church of Jesus College, via http://jcsu.jesus.cam.ac.uk/ .

Existem, ingenuamente, três possibilidades simples. E por simples, quero dizer Cachinhos Dourados e os três ursos simples. Deixe-me explicar: à medida que o Universo continua a se expandir, o número total de partículas nele permanece o mesmo, mas o volume continua a aumentar, o que significa que o densidade de energia cai , e uma vez que a taxa de expansão depende na densidade de energia, também cai. Então, com base nisso, aqui estão as três possibilidades (ingênuas).

1. Este universo se expande muito devagar. Se a taxa de expansão a qualquer momento for abaixo um certo valor crítico (determinado pela densidade de energia), ele cairá para zero em um período de tempo finito. Como a gravidade ainda existe, entraríamos em uma fase de contração (em vez de expansão), e o Universo recairia sobre si mesmo em um Big Crunch. Este seria o cenário de incêndio, pois a radiação restante do Big Bang aqueceria novamente e fritaria tudo o que existe no final.
2. Este universo se expande muito rápido. Se a taxa de expansão for acima de esse valor crítico determinado pela densidade de energia, simplesmente não há material suficiente no Universo para impedir que a expansão continue para sempre. Embora a taxa de expansão continue caindo, ela nunca atingirá esse valor de zero e, em vez disso, nos encontraríamos vivendo em um universo aberto no gráfico acima. Esse cenário é conhecido como morte por calor do Universo, ou o cenário de gelo.
3. Este universo se expande na medida. Se a taxa de expansão for exatamente no valor crítico determinado pela densidade de energia, a taxa de expansão assíntota para zero, mas nunca chega a alcançá-lo. Se houvesse apenas mais um ou um a menos partícula no Universo, você obteria o primeiro ou o segundo cenário acima, mas isso resultaria na mais lento possível morte por calor imaginável.

Para demonstrar o quão sensíveis esses cenários são às condições iniciais, aqui está o quão diferente a taxa de expansão teria que ter sido no Universo Primitivo para dar um Universo muito diferente hoje.

Crédito da imagem: Tutorial de cosmologia de Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm .

Apenas uma diferença de menos de uma parte em 10^24 significava a diferença entre o nosso Universo como o conhecemos hoje, um Universo com quase o dobro do tamanho que é hoje, e um Universo que é já recolhida!

E ainda, graças ao existência de energia escura , Nenhum desses cenários está certo!

Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.

Em vez de a taxa de expansão tender para zero , tende a um valor pequeno, mas finito!

Isso é muito, muito grande, porque acelera a chegada do nosso destino gelado! Em vez de a taxa de expansão cair cada vez mais à medida que o Universo continua a se expandir, ela permanece significativa, de modo que quando o dobro do tempo passa, algo está duas vezes mais distante; quando três vezes mais tempo passa, é quatro vezes tão longe; quando passa quatro vezes mais tempo, é oito vezes tão longe, e assim por diante!

Crédito da imagem: Pearson / Addison-Wesley.

Você pode não ser capaz de dizer pelo gráfico acima, mas a distância entre as galáxias começa a aumentar exponencialmente , pelos valores que descrevemos acima. Isso significa que qualquer galáxia que não esteja gravitacionalmente ligada a nós agora – incluindo todos os grandes aglomerados de galáxias no Universo e praticamente tudo além do nosso pequeno grupo local de galáxias – vai acelerar para longe de nós ao longo do tempo.

Em vez de objetos distantes continuarem a se afastar de nós, mas em um ritmo cada vez mais lento, eles se afastam cada vez mais rápido com o passar do tempo, o que é Por quê chamamos-lhe um Universo em aceleração! Observe que esse é o caso, mesmo que a taxa de expansão em si não esteja aumentando; ele simplesmente não continua a diminuir, e é nisso que todas as antigas suposições de desaceleração se baseavam!

Crédito da imagem: Quantum Stories, recuperada via http://cuentos-cuanticos.com/ .

E é tudo por causa do que é a energia escura: uma energia intrínseco para o próprio espaço! Ao contrário da matéria e da radiação que se diluem à medida que o Universo se expande, a energia escura é equivalente a uma constante cosmológica porque a densidade de energia permanece constante, mesmo que o Universo continue a se expandir!

Crédito da imagem: S. Beckwith e o Grupo de Trabalho do HUDF (STScI), HST, ESA, NASA.

Portanto, o Universo não vai acabar apenas em gelo; vai acabar em gelo em a maneira mais rápida possível ! Todas as galáxias da imagem acima desaparecerão do nosso Universo, e muitas delas já não podem ser alcançadas por nós, mesmo que pudéssemos viajar de alguma forma na velocidade da luz! E ainda assim, isso é muito, muito longe, e há um grande número de coisas interessantes que vão acontecer por um longo tempo para vir .

Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas e A. Mellinger.

Com todo o grupo local ligado a nós – mais de um trilhão de estrelas e ainda mais em planetas, gás e matéria escura – temos um futuro espetacular pela frente. Mas em pouco tempo, o grupo local é tudo o que haverá. Mesmo agora, por causa da expansão acelerada, 97% das galáxias na parte do Universo observável para nós já são inalcançáveis, mesmo na velocidade da luz .

Então, tanto quanto terminar em gelo? Sua destruição também é grande e bastará.

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