• Começa Com Um Estrondo

O que é a energia escura primitiva e pode salvar o Universo em expansão?

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (Crédito: NASA/WMAP Science Team)

• Se você medir as galáxias distantes encontradas em todo o Universo, descobrirá que o cosmos está se expandindo a uma taxa específica: ~74 km/s/Mpc.
• Se, em vez disso, você medir como era o Universo quando era muito jovem e determinar como a luz foi esticada pela expansão do Universo, obterá uma taxa diferente: ~67 km/s/Mpc.
• Essa discordância de 9% atingiu o 'padrão ouro' para evidências e agora exige uma explicação. 'Energia escura precoce' pode ser exatamente isso.

Sempre que você tem um quebra-cabeça, você tem todo o direito de esperar que todos e quaisquer métodos corretos levem você à mesma solução. Isso se aplica não apenas aos quebra-cabeças que criamos para nossos semelhantes aqui na Terra, mas também aos quebra-cabeças mais profundos que a natureza tem a oferecer. Um dos maiores desafios que podemos ousar perseguir é descobrir como o Universo se expandiu ao longo de sua história: desde o Big Bang até hoje.

Você pode imaginar começando do início, evoluindo o Universo de acordo com as leis da física e medindo esses primeiros sinais e suas impressões no Universo para determinar como ele se expandiu ao longo do tempo. Alternativamente, você pode imaginar começar aqui e agora, olhando para os objetos distantes enquanto os vemos se afastando de nós e, em seguida, tirando conclusões sobre como o Universo se expandiu a partir disso.

Ambos os métodos se baseiam nas mesmas leis da física, na mesma teoria subjacente da gravidade, nos mesmos ingredientes cósmicos e até nas mesmas equações. E, no entanto, quando realmente realizamos nossas observações e fazemos essas medições críticas, obtemos duas respostas completamente diferentes que não concordam uma com a outra. Este é, de muitas maneiras, o enigma cósmico mais premente de nosso tempo. Mas ainda existe a possibilidade de que ninguém esteja enganado e todos estejam fazendo a ciência certa. Todo o controvérsia sobre o universo em expansão poderia desaparecer se apenas uma coisa nova fosse verdade: se houvesse alguma forma de energia escura primitiva no Universo. Eis por que tantas pessoas são compelidas pela ideia.

Qualquer que seja a taxa de expansão hoje, combinada com quaisquer formas de matéria e energia existentes em seu universo, determinará como o desvio para o vermelho e a distância estão relacionados para objetos extragalácticos em nosso universo. ( Crédito : Ned Wright/Betoule et al. (2014))

Um dos grandes desenvolvimentos teóricos da astrofísica e cosmologia modernas vem diretamente da relatividade geral e de apenas uma simples constatação: que o Universo, nas maiores escalas cósmicas, é ambos:

1. uniforme, ou o mesmo em todos os locais
2. isotrópico, ou o mesmo em todas as direções

Assim que você faz essas duas suposições, as equações de campo de Einstein – as equações que governam como a curvatura e a expansão do espaço-tempo e os conteúdos de matéria e energia do Universo estão relacionados entre si – se reduzem a regras muito simples e diretas.

Essas regras nos ensinam que o Universo não pode ser estático, mas deve estar expandindo ou contraindo, e que medir o próprio Universo é a única maneira de determinar qual cenário é verdadeiro. Além disso, medir como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo ensina o que está presente em nosso Universo e em que quantidades relativas. Da mesma forma, se você sabe como o Universo se expande em qualquer ponto de sua história, e também quais são todas as diferentes formas de matéria e energia presentes no Universo, você pode determinar como ele se expandiu e como ele se expandirá em qualquer ponto do universo. o passado ou o futuro. É uma peça incrivelmente poderosa de armamento teórico.

A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada degrau traz consigo suas próprias incertezas, especialmente os degraus onde os diferentes degraus da escada se conectam. No entanto, melhorias recentes na escada de distância demonstraram o quão robustos são seus resultados. ( Crédito : NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (JHU))

Uma estratégia é tão simples quanto possível.

Primeiro, você mede as distâncias dos objetos astronômicos dos quais você pode fazer essas medições diretamente.

Então, você tenta encontrar correlações entre as propriedades intrínsecas desses objetos que você pode medir facilmente, como quanto tempo uma estrela variável leva para brilhar ao máximo, desaparecer ao mínimo e depois voltar a brilhar ao máximo novamente, bem como algo que é mais difícil de medir, como quão intrinsecamente brilhante esse objeto é.

Em seguida, você encontra esses mesmos tipos de objetos mais distantes, como em outras galáxias que não a Via Láctea, e usa as medições que pode fazer - juntamente com seu conhecimento de como o brilho e a distância observados estão relacionados entre si - para determinar a distância a essas galáxias.

Depois, você mede eventos ou propriedades extremamente brilhantes dessas galáxias, como como o brilho de sua superfície flutua, como as estrelas dentro delas giram em torno do centro galáctico ou como certos eventos brilhantes, como supernovas, ocorrem dentro delas.

E, finalmente, você procura essas mesmas assinaturas em galáxias distantes, novamente esperando usar os objetos próximos para ancorar suas observações mais distantes, fornecendo uma maneira de medir as distâncias de objetos muito distantes e, ao mesmo tempo, medir o quanto o Universo expandiu-se cumulativamente ao longo do tempo, desde quando a luz foi emitida até quando chega aos nossos olhos.

Usar a escada de distância cósmica significa costurar diferentes escalas cósmicas, onde sempre se preocupa com as incertezas onde os diferentes degraus da escada se conectam. Como mostrado aqui, agora estamos reduzidos a apenas três degraus dessa escada, e o conjunto completo de medidas concorda uma com a outra espetacularmente. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

Chamamos esse método de escada de distância cósmica, já que cada degrau da escada é direto, mas passar para o próximo mais distante depende da robustez do degrau abaixo dele. Por muito tempo, um enorme número de degraus foi necessário para chegar às distâncias mais distantes do Universo, e era extremamente difícil alcançar distâncias de um bilhão de anos-luz ou mais.

Com os avanços recentes não apenas na tecnologia de telescópios e técnicas de observação, mas também na compreensão das incertezas que cercam as medições individuais, conseguimos revolucionar completamente a ciência da escada de distância.

Cerca de 40 anos atrás, havia talvez sete ou oito degraus na escala de distâncias, eles te levavam a distâncias de menos de um bilhão de anos-luz, e a incerteza na taxa de expansão do Universo era de cerca de um fator de 2: entre 50 e 100 km/s/Mpc.

Duas décadas atrás, os resultados do Projeto Chave do Telescópio Espacial Hubble foram divulgados e o número de degraus necessários foi reduzido para cerca de cinco, as distâncias trouxeram você para alguns bilhões de anos-luz e a incerteza na taxa de expansão foi reduzida para um valor muito menor: entre 65 e 79 km/s/Mpc.

Em 2001, havia muitas fontes diferentes de erro que poderiam ter influenciado as melhores medições da escada de distância da constante de Hubble e a expansão do Universo para valores substancialmente mais altos ou mais baixos. Graças ao trabalho meticuloso e cuidadoso de muitos, isso não é mais possível. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

Hoje, no entanto, há apenas três degraus necessários na escada de distância, pois podemos ir diretamente da medição da paralaxe de estrelas variáveis ​​(como as Cefeidas), que nos diz a distância até elas, para medir essas mesmas classes de estrelas em estrelas próximas. galáxias (onde essas galáxias continham pelo menos uma supernova do tipo Ia), para medir supernovas do tipo Ia até os confins do Universo distante onde podemos vê-las: até dezenas de bilhões de anos-luz de distância.

Através de um conjunto hercúleo de esforços de muitos astrônomos observacionais, todas as incertezas que há muito atormentavam esses diferentes conjuntos de observações foram reduzidas abaixo do nível de ~ 1%. Ao todo, a taxa de expansão agora está robustamente determinada em cerca de 73 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas ± 1 km/s/Mpc acima disso. Pela primeira vez na história, a escala de distância cósmica, desde os dias atuais, olhando para trás mais de 10 bilhões de anos na história cósmica, nos deu a taxa de expansão do Universo com uma precisão muito alta.

Embora possamos medir as variações de temperatura em todo o céu, em todas as escalas angulares, não podemos ter certeza de quais eram os diferentes tipos de componentes de energia que estavam presentes nos estágios iniciais do Universo. Se algo mudou a taxa de expansão abruptamente no início, então temos apenas um horizonte acústico inferido incorretamente e uma taxa de expansão para mostrar isso. ( Crédito : NASA/ESA e as equipes COBE, WMAP e Planck; Colaboração Planck, A&A, 2020)

Enquanto isso, há um método completamente diferente que podemos usar para resolver independentemente exatamente o mesmo quebra-cabeça: o método da relíquia inicial. Quando o Big Bang quente começa, o Universo é quase, mas não perfeitamente, uniforme. Embora as temperaturas e densidades sejam inicialmente as mesmas em todos os lugares - em todos os locais e em todas as direções, com precisão de 99,997% - existem pequenas imperfeições de ~ 0,003% em ambos.

Teoricamente, eles foram gerados pela inflação cósmica, que prevê seu espectro com muita precisão. Dinamicamente, as regiões de densidade ligeiramente superior à média atrairão preferencialmente mais e mais matéria para elas, levando ao crescimento gravitacional da estrutura e, eventualmente, de toda a teia cósmica. No entanto, a presença de dois tipos de matéria - matéria normal e matéria escura - assim como a radiação, que colide com a matéria normal, mas não com a matéria escura, causa o que chamamos de picos acústicos, o que significa que a matéria tenta colapsar, mas se recupera, criando uma série de picos e vales nas densidades que observamos em várias escalas.

Uma ilustração dos padrões de agrupamento devido às oscilações acústicas de Baryon, onde a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma certa distância de qualquer outra galáxia é governada pela relação entre a matéria escura e a matéria normal, bem como os efeitos da matéria normal à medida que ela interage com radiação. À medida que o Universo se expande, essa distância característica também se expande, permitindo-nos medir a constante de Hubble, a densidade da matéria escura e até o índice espectral escalar. Os resultados concordam com os dados do CMB, e um Universo composto por ~25% de matéria escura, em oposição a 5% de matéria normal, com uma taxa de expansão de cerca de 68 km/s/Mpc. (Crédito: Zosia Rostomian)

Esses picos e vales aparecem em dois lugares muito cedo.

Eles aparecem no brilho remanescente do Big Bang: o fundo cósmico de micro-ondas. Quando olhamos para as flutuações de temperatura – ou, os desvios da temperatura média (2,725 K) na radiação remanescente do Big Bang – descobrimos que elas são aproximadamente ~ 0,003% dessa magnitude em grandes escalas cósmicas, subindo para um máximo de cerca de ~ 1 grau em escalas angulares menores. Eles então sobem, descem, sobem novamente, etc., para um total de cerca de sete picos acústicos. O tamanho e a escala desses picos, calculáveis ​​a partir de quando o Universo tinha apenas 380.000 anos, chegam até nós atualmente, dependendo apenas de como o Universo se expandiu desde o momento em que a luz foi emitida, até o presente. dia, 13,8 bilhões de anos depois.

Eles aparecem no aglomerado de galáxias em grande escala, onde o pico original de escala de ~ 1 grau agora se expandiu para corresponder a uma distância de cerca de 500 milhões de anos-luz. Onde quer que você tenha uma galáxia, é um pouco mais provável encontrar outra galáxia a 500 milhões de anos-luz de distância do que encontrar uma a 400 milhões ou 600 milhões de anos-luz de distância: evidência dessa mesma impressão. Ao traçar como essa escala de distância mudou à medida que o Universo se expandiu – usando uma régua padrão em vez de uma vela padrão – podemos determinar como o Universo se expandiu ao longo de sua história.

Velas padrão (L) e réguas padrão (R) são duas técnicas diferentes que os astrônomos usam para medir a expansão do espaço em vários tempos/distâncias no passado. Com base em como quantidades como luminosidade ou tamanho angular mudam com a distância, podemos inferir o histórico de expansão do Universo. Usar o método da vela faz parte da escada de distância, produzindo 73 km/s/Mpc. O uso da régua faz parte do método de sinal inicial, produzindo 67 km/s/Mpc. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)

O problema com isso é que, se você usar o fundo cósmico de micro-ondas ou as características que vemos na estrutura em grande escala do Universo, você obtém uma resposta consistente: 67 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas ± 0,7 km /s/Mpc, ou ~1%.

Esse é o problema. Esse é o quebra-cabeça. Temos duas maneiras fundamentalmente diferentes de como o Universo se expandiu ao longo de sua história. Cada um é inteiramente auto-consistente. Todos os métodos de escada de distância e todos os primeiros métodos de relíquia dão as mesmas respostas uns dos outros, e essas respostas discordam fundamentalmente entre esses dois métodos.

Se realmente não houver grandes erros cometidos por qualquer um dos conjuntos de equipes, então algo simplesmente não se encaixa em nossa compreensão de como o Universo se expandiu. De 380.000 anos após o Big Bang até os dias atuais, 13,8 bilhões de anos depois, sabemos:

• quanto o universo se expandiu por
• os ingredientes dos vários tipos de energia que existem no Universo
• as regras que governam o Universo, como a relatividade geral

A menos que haja um erro em algum lugar que não identificamos, é extremamente difícil inventar uma explicação que reconcilie essas duas classes de medidas sem invocar algum tipo de física nova e exótica.

A discrepância entre os valores iniciais da relíquia, em azul, e os valores da escada de distância, em verde, para a expansão do Universo atingiram agora o padrão de 5 sigma. Se os dois valores tiverem essa incompatibilidade robusta, devemos concluir que a resolução está em algum tipo de nova física, não em um erro nos dados. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

Eis por que isso é um quebra-cabeça.

Se soubermos o que há no Universo, em termos de matéria normal, matéria escura, radiação, neutrinos e energia escura, então saberemos como o Universo se expandiu desde o Big Bang até a emissão do fundo cósmico de micro-ondas e da emissão de o fundo cósmico de microondas até os dias atuais.

Esse primeiro passo, desde o Big Bang até a emissão do fundo cósmico de micro-ondas, define a escala acústica (as escalas dos picos e vales), e essa é uma escala que medimos diretamente em uma variedade de tempos cósmicos. Sabemos como o Universo se expandiu de 380.000 anos de idade até o presente, e 67 km/s/Mpc é o único valor que fornece a escala acústica correta naqueles primeiros tempos.

Enquanto isso, esse segundo passo, desde a emissão da radiação cósmica de fundo até agora, pode ser medido diretamente de estrelas, galáxias e explosões estelares, e 73 km/s/Mpc é o único valor que fornece a taxa de expansão correta. Não há mudanças que você possa fazer nesse regime, incluindo mudanças em como a energia escura se comporta (dentro das restrições observacionais já existentes), que podem explicar essa discrepância.

Nos primeiros tempos (esquerda), os fótons se dispersam dos elétrons e têm energia suficiente para levar quaisquer átomos de volta a um estado ionizado. Uma vez que o Universo esfria o suficiente e é desprovido de fótons de alta energia (à direita), eles não podem interagir com os átomos neutros e, em vez disso, simplesmente fluem livremente, pois têm o comprimento de onda errado para excitar esses átomos para um nível de energia mais alto. Se existir uma forma primitiva de energia escura, o histórico de expansão inicial e, portanto, a escala em que vemos picos acústicos, mudará fundamentalmente. ( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)

Mas o que você pode fazer é mudar a física do que aconteceu nesse primeiro passo: durante o tempo que ocorre entre os primeiros momentos do Big Bang e o que ocorre quando a luz da micro-ondas cósmica de fundo se espalha de um elétron ionizado para o hora final.

Durante esses primeiros 380.000 anos do Universo, tradicionalmente fazemos uma suposição simples: que a matéria, normal e escura, bem como a radiação, na forma de fótons e neutrinos, são os únicos componentes importantes de energia do Universo que importam. Se você iniciar o Universo em um estado quente, denso e em rápida expansão com esses quatro tipos de energia, nas proporções correspondentes que os observamos hoje, você chegará ao Universo que conhecemos na época em que o fundo cósmico de micro-ondas é emitido: com as superdensidades e subdensidades da magnitude que vemos naquela época.

Mas e se estivermos errados? E se não fosse apenas matéria e radiação durante esse tempo, mas e se houvesse também uma quantidade significativa de energia inerente ao próprio tecido do espaço? Isso mudaria a taxa de expansão, aumentando-a nos primeiros tempos, o que aumentaria correspondentemente a escala na qual essas subdensidades e superdensidades atingem um máximo. Em outras palavras, isso mudaria o tamanho dos picos acústicos que vemos.

As magnitudes dos pontos quentes e frios, bem como suas escalas, indicam o histórico de curvatura e expansão do Universo. No melhor de nossas capacidades, medimos que seja perfeitamente plano, mas há uma degeneração entre os tamanhos das flutuações que vemos e as mudanças no histórico de expansão em comparação com os tipos de energia presentes no Universo primitivo. ( Crédito : Smoot Cosmology Group/LBL)

E o que, então, isso significaria?

Se não soubéssemos que estava lá e assumimos que não havia energia escura primitiva quando na verdade havia, chegaríamos a uma conclusão incorreta: concluiríamos que o Universo se expandiu a uma taxa incorreta, porque estávamos contabilizando incorretamente para os diferentes componentes de energia que estavam presentes.

Uma forma primitiva de energia escura, que mais tarde decaiu em matéria e/ou radiação, teria se expandido para um tamanho diferente e maior na mesma quantidade de tempo em comparação com o que teríamos esperado ingenuamente. Como resultado, quando fazemos uma afirmação como esse era o tamanho e a escala que o Universo se expandiu após 380.000 anos, na verdade estaríamos fora.

Você pode fazer outra pergunta: você poderia estar errado, digamos, 9%, ou o valor que você precisaria para explicar a discrepância nas duas maneiras diferentes de medir a taxa de expansão? A resposta é um retumbante sim . Simplesmente assumir que não havia energia escura primitiva, se de fato havia, poderia facilmente explicar a diferença inferida na medição da taxa de expansão do Universo por meio desses dois métodos diferentes.

Tensões de medição modernas da escada de distância (vermelho) com dados de sinal iniciais do CMB e BAO (azul) mostrados para contraste. É plausível que o método de sinal inicial esteja correto e haja uma falha fundamental com a escada de distância; é plausível que haja um erro de pequena escala influenciando o método de sinal inicial e a escada de distância esteja correta, ou que ambos os grupos estejam certos e alguma forma de nova física (mostrada na parte superior) seja a culpada. ( Crédito : A.G. Riess, Nat Rev Phys, 2020)

Claro, isso não significa que havia uma forma primitiva de energia escura que:

• persistiu mesmo após o fim da inflação
• tornou-se um importante componente de energia do Universo durante o início da era pré-recombinação
• decaiu, tornando-se matéria e/ou radiação, mas não antes de mudar o tamanho e a escala do Universo como um todo, incluindo o tamanho e a escala dos picos acústicos que vemos

Mas o mais importante é que também temos restrições muito frouxas nesse cenário; não há praticamente nenhuma evidência que exista que exclua isso.

Quando você junta todas as peças do quebra-cabeça e ainda fica com uma peça que falta, o passo teórico mais poderoso que você pode dar é descobrir, com o número mínimo de adições extras, como completá-lo adicionando uma peça extra. componente. Já adicionamos matéria escura e energia escura à imagem cósmica, e só agora estamos descobrindo que talvez isso não seja suficiente para resolver os problemas. Com apenas mais um ingrediente – e há muitas encarnações possíveis de como isso poderia se manifestar – a existência de alguma forma de energia escura primitiva poderia finalmente trazer o Universo ao equilíbrio. Não é uma certeza. Mas em uma era em que as evidências não podem mais ser ignoradas, é hora de começar a considerar que pode haver ainda mais no Universo do que qualquer um já percebeu.

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