De todas as descobertas revolucionárias que fizemos sobre o Universo, a mais inesperada e surpreendente deve ser a energia escura. Uma grande corrida cósmica está ocorrendo desde o Big Bang: entre a expansão inicial, trabalhando para separar tudo e a gravitação, que trabalha para reunir tudo. Por bilhões de anos, o Universo se comportou como se essas duas influências opostas estivessem em perfeito equilíbrio.
Então, cerca de 6 bilhões de anos atrás, a expansão começou a acelerar de repente, causando a aceleração de objetos distantes. Energia escura é o nome que damos à causa desconhecida desse fenômeno inesperado, mas de repente as coisas não se somam tão intuitivamente. É isso que Stephen Peterangelo, apoiador do Patreon, quer saber, perguntando:
A energia escura gravita? Em outras palavras, o aumento da energia escura à medida que o espaço se expande também cria mais gravidade?
A resposta curta é “sim”, mas não é tão intuitiva. Vamos dar um mergulho profundo para ver o que realmente está acontecendo.
Toda forma de energia no Universo, por mais estranha, exótica ou desconhecida que seja, obedece à mesma lei da gravidade: a Relatividade Geral de Einstein. A maioria dos tipos de energia a que estamos acostumados vem na forma de quanta: pequenos pacotes de energia pontuais que se movem através do tecido do espaço-tempo. Alguns desses quanta são semelhantes a radiação, o que significa que se movem na velocidade da luz (ou indistinguivelmente perto da velocidade da luz). Outros são parecidos com a matéria, o que significa que estão se movendo lentamente em comparação com a velocidade da luz.
Alguns bons exemplos são os fótons, que sempre agem como radiação, matéria normal e matéria escura, que sempre agem como matéria, e neutrinos, que se comportam como radiação no Universo primitivo (ou hoje, quando são emitidos por estrelas ou outros processos nucleares). em altas energias), mas se comportam como a matéria mais tarde, quando o Universo se expandiu e esfriou o suficiente.
A razão para essa dicotomia é que cada partícula tem dois tipos de energia que pode possuir:
1. energia de massa em repouso, que é a quantidade de energia inerente à partícula em si, através da equação mais famosa de Einstein, E = mc2;
2. e energia cinética, que é a energia devida ao movimento da partícula através do Universo.
À medida que o Universo se expande, o número de partículas permanece o mesmo, mas o volume que elas ocupam – o tamanho do Universo – aumenta.
Se fizermos a pergunta de como a densidade da matéria diminui com o tempo, ela deve se diluir como o volume: proporcionalmente ao tamanho do universo em cubo. Mas se você tem muita energia cinética, ou se parece com um fóton sem massa, onde sua energia é definida pelo seu comprimento de onda, você não apenas dilui com o volume, mas também aumenta o comprimento de onda à medida que o Universo se expande. A radiação, portanto, se dilui proporcionalmente ao tamanho do Universo e à quarta potência.
Mas existem outras formas de energia que o Universo pode ter além das partículas. Em particular, há muito tempo existem três idéias diferentes, todas com energia, mas todas com evolução própria.
1. Cordas cósmicas: longas, finas e unidimensionais, que se estendem pelo Universo.
2. Paredes de domínio: são folhas de energia longas, finas e bidimensionais que se estendem pelo Universo.
3. Constante cosmológica: que é uma forma de energia inerente ao tecido do próprio espaço.
À medida que o Universo se expande, as cordas cósmicas ainda podem abranger todo o Universo em uma dimensão, mas ocuparão menos do volume do Universo nas outras duas. Paredes de domínio podem abranger todo o Universo em duas dimensões, mas ainda se diluirão em uma outra dimensão. Mas, para uma constante cosmológica, o fato de o espaço estar se expandindo significa apenas que há mais volume e não se dilui. A densidade de energia permanecerá constante.
É aqui que a maioria das pessoas começa a ficar intrigada. O candidato mais simples e amplamente usado à energia escura – e também, o mais consistente com o conjunto completo de dados – é que a energia escura é uma constante cosmológica. O fato de vermos o Universo se expandindo da mesma forma significa que deve haver alguma nova forma de energia que faça com que essas galáxias distantes se afastem de nós cada vez mais rápido com o passar do tempo.
Mas se a energia presente no Universo é o que faz com que a gravidade funcione, como todas as diferentes formas de energia atraem todas as outras formas de energia, então por que as galáxias progressivamente mais distantes parecem acelerar de nós à medida que o Universo envelhece? Afinal, isso é uma coisa não intuitiva! Você pensaria que se o Universo possuísse uma constante cosmológica, estaria ganhando energia à medida que o Universo se expandisse e gravitaria mais, diminuindo a taxa de expansão. Mas não é isso que acontece.
A grande questão, então, é o porquê. Por que a presença de energia escura – sob a forma de uma constante cosmológica ou algo muito próximo a ela – significa que galáxias distantes estão se acelerando para longe de nós em velocidades cada vez maiores à medida que o Universo continua se expandindo?
A resposta, acredite ou não, é porque vivemos em um universo governado pelas leis de Einstein e temos que seguir o que essas leis nos dizem, mesmo as partes que são contra-intuitivas. Einstein apresentou sua maior teoria de todas, a Relatividade Geral, em 1915. Imediatamente, as pessoas começaram a descobrir as conseqüências dessa teoria. Em 1916, Karl Schwarzschild elaborou a solução para um buraco negro não rotativo. Outras soluções logo se seguiram: para um universo vazio; para ondas gravitacionais; por uma constante cosmológica por si só. Mas o avanço mais importante ocorreu em 1922, quando Alexander Friedmann derivou a (s) solução (s) geral (is) para um Universo cheio de energia que era ao mesmo tempo isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todos os locais no espaço).
As duas equações que ele derivou ainda hoje são conhecidas como equação de Friedmann e, felizmente, precisamos apenas examinar a primeira para aprender como o Universo se expande dependendo de quais formas de energia estão nele. O primeiro termo da equação – o mais à esquerda – é a taxa de expansão do Hubble (ao quadrado): uma medida da rapidez com que a estrutura do espaço está se esticando a qualquer momento.
Todos os outros termos da equação representam uma combinação de:
– Toda a matéria;
– Toda a radiação;
– Todos os neutrinos;
– Toda a energia escura (que é o último termo, se for uma constante cosmológica);
– E todas as formas de energia que você pode imaginar;
seguido pelo penúltimo termo – a quantidade de curvatura espacial – que é determinada pelo quão equilibradas ou desequilibradas todas as formas de energia estão com a taxa de expansão.
O que essa equação nos ensina é que, como a densidade de energia escura permanece constante, a taxa de expansão nunca cairá abaixo de uma certa quantidade se a energia escura for real. O termo densidade de energia escura é uma constante; portanto, quando o Universo se expande o suficiente para que a densidade de todo o resto se torne insignificante, a taxa de expansão também será assintotada a uma constante. Para o nosso universo, isso significa que a taxa de expansão nunca cairá abaixo de cerca de 55 km / s / Mpc: cerca de 80% do seu valor atual.
Se a energia escura não gravitasse, não poderia contribuir para a densidade de energia do Universo ou a expansão do Universo. A primeira equação de Friedmann nos mostra como o Universo se expande e como essa expansão muda com o tempo, mas não explica o porquê. Mas a segunda equação de Friedmann – que usamos com muito menos frequência – faz: é o análogo da General Relativity de F = ma de Newton, e tem uma diferença fundamental da maneira como pensamos normalmente nas coisas.
A maior diferença que você notará imediatamente é que a maneira como a taxa de expansão muda com o tempo, codificada (de maneira complexa) na segunda equação de Friedmann, depende não apenas da densidade de energia, mas da pressão do que você tiver no seu universo. Por um lado, a pressão é insignificante, desde que se mova lentamente em comparação com a velocidade da luz. Para a radiação, a pressão é positiva, o que significa que a taxa de expansão diminui mais rapidamente do que apenas para a matéria.
Mas para energia escura, a pressão não é apenas negativa, é três vezes mais poderosamente negativa que a pressão de radiação é positiva. Para energia escura, a pressão é realmente igual ao negativo da densidade de energia, de modo que a segunda derivada do fator de escala (que determina a aceleração versus a desaceleração) muda de sinal de um universo dominado por radiação ou matéria. Em vez de desacelerar, o Universo acelera quando a energia escura domina.
Isso leva a um resultado ainda mais contra-intuitivo: à medida que o Universo continua se expandindo, a energia escura significa que a quantidade total de energia contida em nosso volume observável sempre aumenta. Ainda assim, o Universo não desacelera, mas acelera. As leis mais sagradas de toda a física – a conservação de energia – só se aplicam a partículas que interagem no espaço-tempo estático. Quando seu Universo se expande (ou se contrai), a energia não é mais conservada.
Há uma quantidade de energia intrínseca ao tecido do próprio espaço, mas os efeitos da densidade de energia são oprimidos pelos efeitos da pressão negativa que surge. A expansão do Universo não diminui devido à presença de energia escura, mas as galáxias distantes irão se acelerar cada vez mais rapidamente devido aos seus efeitos cumulativos. Para qualquer coisa além do nosso Grupo Local, seu destino já está selado: acelerará cada vez mais rápido, até que não possamos mais acessá-lo em nosso Universo em aceleração.
Publicado em 23/02/2020 14h51
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