Começa Com Um Estrondo

Como foi quando a energia escura assumiu o universo pela primeira vez?

À medida que olhamos para distâncias cada vez maiores, descobrimos que os objetos não estão apenas se afastando de nós em velocidades aparentes cada vez maiores, mas que qualquer galáxia distante começou a acelerar, da nossa perspectiva, cerca de 6 bilhões de anos atrás. Dois dos quasares mais distantes, mostrados em inserção, também suportam esta imagem. (ILUSTRAÇÃO: NASA/CXC/M.WEISS; RAIO X: NASA/CXC/UNIV. OF FLORENCE/G.RISALITI & E.LUSSO)

Por bilhões de anos, a energia escura não poderia ter sido detectada. Agora, está em todos os lugares que olhamos.

Quando olhamos para o Universo ultra-distante, a bilhões de anos-luz de distância, também o vemos como era no passado distante. Naquela época, o Universo era mais quente, mais denso e cheio de galáxias menores, mais jovens e menos evoluídas. A luz que vemos desde a história do nosso Universo só chega aos nossos olhos depois de viajar por essas vastas distâncias cósmicas, onde é esticada pelo tecido em expansão do espaço.

São esses sinais iniciais e como essa luz é esticada para comprimentos de onda mais longos – ou seja, desviada para o vermelho – em função da distância, que nos permitem inferir como o Universo se expandiu ao longo de sua história. Foi assim que descobrimos que o Universo não estava apenas se expandindo, mas acelerando. Foi assim que descobrimos a energia escura e medimos suas propriedades. Nossa imagem do Universo nunca mais será a mesma. Aqui está como foi quando a energia escura assumiu pela primeira vez.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram e como o Universo se expandiu ao longo do tempo, que podemos realmente entender nosso cosmos. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Se você estivesse de alguma forma vivo no instante do Big Bang e pudesse acompanhar dois locais diferentes - um dos quais corresponderia a onde a Via Láctea está hoje e outro que corresponderia a uma galáxia distante e desconectada - o que você veria? ?

A resposta mudaria com o tempo. Quando a luz chegasse pela primeira vez, você veria o Universo como era com 380.000 anos de idade: quando a radiação cósmica de fundo de micro-ondas atingiu você pela primeira vez. Com o passar do tempo, você veria nuvens moleculares se formarem e se contraírem, seguidas por estrelas se formando em uma série de nebulosas iniciais, seguidas pela fusão de aglomerados de estrelas para formar proto-galáxias. Com o passar do tempo, você veria essas proto-galáxias se fundirem, gravitarem e crescerem. Eventualmente, eles evoluiriam para as galáxias com as quais estamos mais familiarizados, pois passaram por eras silenciosas pontuadas por explosões de formação estelar.

As galáxias comparáveis à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, esse efeito atinge um extremo, embora as verdadeiras primeiras galáxias ainda não tenham sido descobertas. Esta imagem também mostra, da direita para a esquerda, como as galáxias do Universo evoluem ao longo do tempo. (NASA E ESA)

Uma das coisas sobre as quais normalmente não falamos, no entanto, é o que veríamos no que diz respeito ao redshift. Uma das grandes propriedades do Universo é que as leis da física parecem ser imutáveis e imutáveis ao longo do tempo. Isso significa que os átomos absorvem e emitem luz em frequências muito específicas: frequências que são as mesmas em todos os lugares e determinadas pelos níveis de energia que os elétrons dentro do átomo ocupam.

Ao identificar séries de absorção atômica ou linhas de emissão que correspondem ao mesmo elemento no mesmo redshift, podemos identificar o redshift observado de um objeto. Ao determinar sua distância de nós, podemos usar a combinação distância/desvio para o vermelho para reconstruir a história do Universo em expansão.

Observado pela primeira vez por Vesto Slipher, quanto mais distante uma galáxia é, em média, mais rápido ela se afasta de nós. Durante anos, isso desafiou a explicação, até que as observações do Hubble nos permitiram juntar as peças: o Universo estava se expandindo. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Na realidade, só podemos fazer observações em um ponto no tempo: hoje, ou quando a luz de todos os objetos distantes do Universo finalmente chegar até nós. Mas também podemos imaginar nosso cenário hipotético.

O que veríamos se pudéssemos rastrear uma única galáxia individual – incluindo sua distância e seu desvio para o vermelho visto de nossa perspectiva – ao longo da história do Universo?

A resposta pode ser um pouco contra-intuitiva, mas é tremendamente ilustrativa e educacional no que diz respeito a esclarecer não apenas o que é a energia escura, mas como ela afeta a expansão do Universo.

Galáxias distantes, como as encontradas no aglomerado de galáxias de Hércules, não são apenas desviadas para o vermelho e se afastando de nós, mas sua aparente velocidade de recessão está se acelerando. Eventualmente, eles chegam a uma distância na qual não podemos mais enviar sinais que eles receberão, e eles não podem mais enviar sinais que serão recebidos por nós. (ESO/INAF-VST/OMEGACAM. RECONHECIMENTO: OMEGACEN/ASTRO-WISE/KAPTEYN INSTITUTE)

Nos estágios iniciais, a luz que chegava primeiro dava uma combinação de dois parâmetros: uma distância relativamente pequena em comparação com as distâncias que vemos hoje e um desvio para o vermelho grande em comparação com o que vemos hoje. O redshift corresponde a uma aparente velocidade de recessão, ou a rapidez com que o objeto em questão parece estar se afastando de nós.

Na realidade, não é que o movimento do objeto esteja causando o desvio para o vermelho, embora o movimento em direção (desvio para o azul) ou para longe (desvio para o vermelho) de um observador possa certamente causar esse efeito. Em vez disso, é o fato de que a luz está viajando através do tecido do espaço – e que o tecido se expande enquanto a luz viaja – que causa o que parece ser um desvio para o vermelho.

À medida que o tecido do Universo se expande, os comprimentos de onda de qualquer radiação presente também são esticados. Isso faz com que o Universo se torne menos energético e torna muitos processos de alta energia que ocorrem espontaneamente nos primeiros tempos impossíveis em épocas posteriores e mais frias. São necessários centenas de milhares de anos para que o Universo esfrie o suficiente para que os átomos neutros possam se formar, e bilhões de anos antes que a densidade da matéria caia abaixo da densidade de energia escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Inicialmente, as distâncias seriam pequenas e os redshifts seriam grandes: inferiríamos que esta galáxia distante está se afastando de nós em uma velocidade muito rápida.

Mas então o tempo avança, e tanto a distância quanto a velocidade parecem mudar em direções opostas.

As distâncias ficam cada vez maiores ao longo do tempo, à medida que o Universo continua a se expandir. Isso empurra todos os objetos que não estão gravitacionalmente ligados uns aos outros, aumentando a distância medida entre eles.
A taxa de expansão do Universo muda e muda dependendo da densidade total de matéria e energia presente no Universo. Como um volume crescente significa uma densidade de energia decrescente, a taxa de expansão cai e a galáxia parece se afastar de nós a uma velocidade cada vez mais lenta.

A luz pode ser emitida em um determinado comprimento de onda, mas a expansão do Universo irá esticá-lo enquanto viaja. A luz emitida no ultravioleta será desviada totalmente para o infravermelho ao considerar uma galáxia cuja luz chega de 13,4 bilhões de anos atrás; a transição Lyman-alfa em 121,5 nanômetros torna-se radiação infravermelha nos limites instrumentais do Hubble. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

Isso faz sentido quando você pensa sobre o Universo em expansão no contexto do Big Bang. Há uma grande corrida cósmica acontecendo: entre a gravidade, trabalhando para juntar tudo, e a taxa de expansão inicial, trabalhando para separar tudo. A corrida está em andamento há 13,8 bilhões de anos, e o Big Bang foi a arma inicial.

Tudo começa a se afastar de todo o resto, extremamente rápido no início, enquanto a gravidade trabalha o máximo que pode para juntar tudo de volta. Se houvesse muita matéria no Universo, tudo se expandiria apenas até um ponto, pois o Universo atingiu um tamanho máximo e depois a expansão foi revertida. Eventualmente, o Universo entraria em colapso. Por outro lado, se houvesse muito pouca matéria, a expansão continuaria para sempre, com a taxa de expansão diminuindo e as velocidades aparentes de recessão chegando a zero.

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))

Este último caso é exatamente o que veríamos acontecer por muito tempo: por bilhões de anos, no caso do nosso Universo. Uma galáxia individual parece se afastar de nós a uma taxa incrivelmente rápida, mas então sua velocidade de recessão diminui à medida que a matéria e as densidades de radiação caem. Como é a densidade total de energia que determina a taxa de expansão e a taxa de expansão que determina o que inferimos como a velocidade de recessão, tudo isso faz sentido intuitivo.

E então, 7,8 bilhões de anos após o Big Bang, as coisas começam a ficar estranhas. Como se vê, o Universo não é apenas preenchido com matéria e radiação. Mesmo adicionando neutrinos, buracos negros, matéria escura e muito mais não explica tudo. Além de tudo isso, temos a energia escura: uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que o Universo se expande, a energia escura não se dilui; permanece com densidade constante.

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. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Após 7,8 bilhões de anos, a densidade da matéria cai o suficiente para que os efeitos da energia escura comecem a se tornar importantes. 7,8 bilhões de anos após o Big Bang, a densidade de energia escura terá crescido para ser tão grande quanto a metade da densidade da matéria, que é o valor crítico que precisa atingir para fazer com que uma galáxia distante pare de desacelerar de nossa perspectiva.

Neste momento da história cósmica, 7,8 bilhões de anos após o Big Bang, cada objeto distante no Universo parecerá se afastar de nós: ele continuará se afastando na velocidade em que estava se movendo anteriormente. Ele não acelerará nem desacelerará, mas manterá um movimento aparente constante em sua recessão. Este é um momento crítico: os efeitos repulsivos da energia escura na expansão do Universo neutralizam exatamente os efeitos atrativos da matéria.

A importância relativa de diferentes componentes de energia no Universo em vários momentos no passado. Observe que quando a energia escura atingir um número próximo de 100% no futuro, a densidade de energia do Universo (e, portanto, a taxa de expansão) permanecerá constante arbitrariamente muito à frente no tempo. Devido à energia escura, as galáxias distantes já estão acelerando sua aparente velocidade de recessão de nós, e isso acontece desde que a densidade de energia escura era metade da densidade total da matéria, 6 bilhões de anos atrás. (E. SELO)

Mas o tempo não para por aqui. Em vez disso, ele continua em frente e a densidade da matéria continua a cair. Depois de 7,8 bilhões de anos no relógio cósmico, a energia escura agora se torna mais importante do que a matéria e a radiação no que diz respeito à taxa de expansão. Galáxias distantes podem ter atingido sua velocidade mínima de recessão naquele momento, mas então parecerão acelerar mais uma vez.

À medida que o tempo avança, objetos distantes não ligados uns aos outros vão se afastando da perspectiva um do outro em um ritmo cada vez mais rápido. Quando o Universo tiver 9,2 bilhões de anos, exatamente quando nosso Sistema Solar estiver se formando, a densidade da matéria terá caído abaixo da densidade da energia escura. Até os dias atuais, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, a energia escura é responsável por aproximadamente 70% da energia total do Universo. Durante todo esse tempo, galáxias distantes continuarão a acelerar, cada vez mais rápido, em sua aparente recessão de nossa perspectiva.

As porções observáveis (amarelas) e alcançáveis (magenta) do Universo, que são o que são graças à expansão do espaço e dos componentes energéticos do Universo. 97% das galáxias dentro do nosso Universo observável estão contidas fora do círculo magenta; eles são inalcançáveis por nós hoje, mesmo em princípio, embora sempre possamos vê-los em seu passado devido às propriedades da luz e do espaço-tempo. (E. SIEGEL, COM BASE NO TRABALHO DOS USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL)

Nos últimos 6 bilhões de anos, a expansão do Universo vem se acelerando, o que significa que qualquer galáxia distante que monitoramos parece se afastar de nós a uma velocidade cada vez maior. Quando uma galáxia atingir uma distância de aproximadamente 15 a 16 bilhões de anos-luz de nós, ela parecerá recuar mais rápido que a velocidade da luz, o que significa que não há nada que possamos fazer para alcançá-la ou contatá-la novamente. Dado que o Universo já tem 46 bilhões de anos-luz de raio, isso significa que 97% das galáxias do Universo já estão para sempre fora do nosso alcance .

Por bilhões de anos, a densidade da energia escura teria sido pequena em comparação com a densidade da matéria, o que significa que seus efeitos seriam indetectáveis se tivéssemos chegado cedo demais. Dezenas de bilhões de anos a partir de agora, ele terá empurrado tudo além do nosso Grupo Local para longe de nós; os restos fundidos do Grupo Local serão a única galáxia restante. É apenas porque chegamos quando o fizemos, neste tempo cósmico dourado, que podemos perceber do que o Universo é realmente feito. A energia escura é real, dominou nosso Universo desde que tinha 7,8 bilhões de anos e determinará o destino de nosso Universo daqui em diante.

Leitura adicional sobre como era o Universo quando: