A energia escura domina o universo e pode levá-lo a um fim frio e sombrio. Mas isso não quer dizer que temos muitas pistas sobre o que é ou como funciona
A Energia ESCURA está em toda parte – e quando dizemos em toda parte, queremos dizer realmente em toda parte. Ela impregna todos os cantos do cosmos, dominando absolutamente tudo nele. Ela determina como o universo se comporta agora e como terminará. Que pena, então, que não tenhamos ideia do que ela seja.
Ela entrou em cena em 1998, quando dois grupos concorrentes fizeram a mesma observação de supernovas distantes. Essas explosões estelares maciças estavam mais distantes do que o brilho sugeria, indicando não apenas que o universo está se expandindo, o que era esperado, mas que sua expansão está se acelerando, o que não era esperado.
O melhor que podemos fazer é dizer que a energia escura age como uma espécie de antigravidade, separando as coisas onde a gravidade as une. A inescrutabilidade da energia escura ganhou esse nome, mas Catherine Heymans, da Universidade de Edimburgo, Reino Unido, não gosta muito desse termo: “Quando a maioria das pessoas pensa em algo escuro, pensa que absorve a luz”, diz ela. “A energia escura não absorve ou emite luz.”
“A energia escura é uma estranha máquina de movimento perpétuo”
Seja como for, compõe 68% de toda a matéria e energia do universo. A matéria regular representa menos de 5%. O restante é quase igualmente imperceptível, a não ser pela gravidade: a matéria escura.
A maioria dos cosmólogos pensa que a energia escura se espalha por todo o universo com a mesma densidade, como manteiga perfeitamente manchada em uma fatia de torrada. Isso significaria que mais e mais é criado para preencher um novo espaço que se forma.
No início dos anos 90, uma coisa era bastante certa sobre a expansão do universo: Pode ter densidade de energia suficiente para interromper sua expansão e recuperar-se ou pode ter tão pouca densidade de energia que nunca pararia de se expandir, mas a gravidade certamente retardaria a expansão com o passar do tempo.
É verdade que a desaceleração não havia sido observada, mas, teoricamente, o universo teve que diminuir. O universo está cheio de matéria e a força atrativa da gravidade une toda a matéria.
Depois, veio 1998 e as observações do Telescópio Espacial Hubble (HST) de supernovas muito distantes que mostraram que, há muito tempo, o universo estava realmente se expandindo mais lentamente do que é hoje. Portanto, a expansão do universo não tem diminuído devido à gravidade, como todos pensavam, está se acelerando.
Ninguém esperava isso, ninguém sabia como explicar. Mas algo estava causando isso.
Eventualmente, os teóricos apresentaram três tipos de explicações.
- Talvez tenha sido o resultado de uma versão há muito descartada da teoria da gravidade de Einstein, que continha o que era chamado de “constante cosmológica”.
- Talvez houvesse algum tipo estranho de fluido de energia que preenchesse o espaço.
- Talvez haja algo errado com a teoria da gravidade de Einstein e uma nova teoria possa incluir algum tipo de campo que crie essa aceleração cósmica.
Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas deram um nome à solução. Isso é chamado de energia escura.
O que é energia escura?
Mas muito mais é desconhecido do que conhecido. Sabemos quanta energia escura existe porque sabemos como ela afeta a expansão do universo. Fora isso, é um completo mistério. Mas é um mistério importante. Acontece que aproximadamente 68% do universo é energia escura. A matéria escura representa cerca de 27%. O resto – tudo na Terra, tudo já observado com todos os nossos instrumentos, toda a matéria normal – soma menos de 5% do universo.
Pense bem, talvez não deva ser chamado de matéria “normal”, uma vez que é uma fração tão pequena do universo.
Este diagrama revela mudanças na taxa de expansão desde o nascimento do universo, 15 bilhões de anos atrás. Quanto mais rasa a curva, mais rápida a taxa de expansão. A curva muda visivelmente cerca de 7,5 bilhões de anos atrás, quando objetos no universo começaram a se separar com uma taxa mais rápida. Os astrônomos teorizam que a taxa de expansão mais rápida se deve a uma força misteriosa e escura que está separando as galáxias.
Crédito: NASA / STSci / Ann Feild
Uma explicação para a energia escura é que ela é uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que o espaço vazio não é um nada: O espaço tem propriedades surpreendentes, muitas das quais estão apenas começando a ser entendidas.
A primeira propriedade que Einstein descobriu é que é possível a existência de mais espaço. Então, uma versão da teoria da gravidade de Einstein, a versão que contém uma constante cosmológica, faz uma segunda previsão: “o espaço vazio” pode possuir sua própria energia. Como essa energia é uma propriedade do próprio espaço, não seria diluída à medida que o espaço se expandisse. À medida que mais espaço passa a existir, mais dessa energia do espaço aparece.
Como resultado, essa forma de energia faria o universo se expandir cada vez mais rápido. Infelizmente, ninguém entende por que a constante cosmológica deveria estar lá, muito menos por que teria exatamente o valor certo para causar a aceleração observada do universo.
Esta imagem mostra a distribuição de matéria escura, galáxias e gás quente no núcleo do aglomerado de galáxias em fusão Abell 520. O resultado pode representar um desafio para as teorias básicas da matéria escura.
Outra explicação de como o espaço adquire energia vem da teoria quântica da matéria. Nessa teoria, o “espaço vazio” é realmente cheio de partículas temporárias (“virtuais”) que se formam continuamente e desaparecem. Mas quando os físicos tentaram calcular quanta energia isso daria espaço vazio, a resposta saiu errada – muito errada. O número saiu 10120 vezes muito grande. É um 1 com 120 zeros depois. É difícil obter uma resposta tão ruim. Então o mistério continua.
Outra explicação para a energia escura é que é um novo tipo de fluido ou campo dinâmico de energia, algo que preenche todo o espaço, mas algo cujo efeito na expansão do universo é o oposto do da matéria e da energia normal. Alguns teóricos chamaram essa “quintessência”, em homenagem ao quinto elemento dos filósofos gregos. Mas, se a quintessência é a resposta, ainda não sabemos como é, com o que interage ou por que existe. Então o mistério continua.
Uma última possibilidade é que a teoria da gravidade de Einstein não esteja correta. Isso não afetaria apenas a expansão do universo, mas também o modo como a matéria normal nas galáxias e aglomerados de galáxias se comportavam. Esse fato forneceria uma maneira de decidir se a solução para o problema de energia escura é ou não uma nova teoria da gravidade: poderíamos observar como as galáxias se juntam em aglomerados.
Mas, se for necessário que uma nova teoria da gravidade seja necessária, que tipo de teoria seria? Como poderia descrever corretamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, como é conhecido a teoria de Einstein, e ainda nos dar a previsão diferente para o universo de que precisamos? Existem teorias de candidatos, mas nenhuma é convincente. Então o mistério continua.
O que é necessário para decidir entre as possibilidades de energia escura – uma propriedade do espaço, um novo fluido dinâmico ou uma nova teoria da gravidade – são mais dados, melhores dados.
Uma das colisões mais complicadas e dramáticas entre os aglomerados de galáxias já vistas é capturada nesta nova imagem composta de Abell 2744. O azul mostra um mapa da concentração total de massa (principalmente matéria escura).
O que é matéria escura?
Ao ajustar um modelo teórico da composição do universo ao conjunto combinado de observações cosmológicas, os cientistas criaram a composição que descrevemos acima: ~ 68% de energia escura, ~ 27% de matéria escura, ~ 5% de matéria normal. Mas… o que é matéria escura?
Temos muito mais certeza do que a matéria escura não é do que sobre o que ela é.
Primeiro, é escura, o que significa que não está na forma de estrelas e planetas que vemos. As observações mostram que há muito pouco material visível no universo para compor os 27% exigidos pelas observações.
Segundo, não está na forma de nuvens escuras da matéria normal, matéria composta de partículas chamadas bárions. Sabemos disso porque seríamos capazes de detectar nuvens bariônicas pela absorção de radiação que passa por elas.
Terceiro, a matéria escura não é antimatéria, porque não vemos os raios gama únicos que são produzidos quando a antimatéria se aniquila com a matéria.
Os pesquisadores ficaram surpresos quando descobriram a galáxia NGC 1052-DF2, que está perdendo a maior parte, se não toda, de sua matéria escura.
Finalmente, podemos excluir grandes buracos negros do tamanho de galáxias com base em quantas lentes gravitacionais vemos.
Altas concentrações de matéria dobram a luz que passa perto deles a partir de objetos mais distantes, mas não vemos eventos de lente suficientes para sugerir que esses objetos constituam a necessária contribuição de 25% da matéria escura.
No entanto, neste momento, ainda existem algumas possibilidades de matéria escura que são viáveis.
A matéria bariônica ainda poderia compor a matéria escura se estivesse toda amarrada em anãs marrons ou em pequenos pedaços densos de elementos pesados.
Essas possibilidades são conhecidas como objetos maciços compactos de halo, ou “MACHOs”.
Mas a visão mais comum é que a matéria escura não é de todo bariônica, mas que é composta de outras partículas mais exóticas, como axions ou WIMPS (WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles)).
A energia escura no universo
De acordo com o estudo da radiação de fundo de microondas, a energia escura representa aproximadamente 68% da composição do universo, a porcentagem restante é distribuída na matéria escura e na matéria comum.
Atualmente, existem modelos como o Modelo Padrão e a Teoria da Gravidade Emergente para tentar responder e explicar algumas propriedades da matéria bariônica e da matéria escura, mas, quanto à energia escura, ainda não há nada claro.
Diferenças entre matéria escura e energia escura
Sendo igualmente misterioso e tendo um desenvolvimento histórico semelhante, é natural que exista confusão entre esses termos. No entanto, a principal diferença entre eles pode ser mais facilmente assimilada, levando em consideração o comportamento de cada um.
O efeito da matéria escura é observado ao estudar as curvas de rotação galáctica, que mostram, ao contrário do que se pensava, que as estrelas mais distantes do centro galáctico se movem tão rápido quanto a mais próxima. Ou seja, existe uma questão que não podemos ver (daí o nome escuro) que atrai as estrelas através da gravidade.
A energia escura, por outro lado, é aquela que neutraliza a gravidade, fazendo com que o universo se expanda com o tempo. Para tentar explicar essa estranha expansão, surgiram diferentes argumentos, desde a teoria da relatividade de Einstein até a física quântica.
A constante cosmológica
Albert Einstein foi o primeiro a reconhecer que o espaço vazio não é realmente vazio. Em uma versão de sua teoria da gravidade aparece a constante cosmológica, onde ele prevê que o “espaço vazio” tem sua própria energia.
Assim, uma vez que essa energia é uma propriedade intrínseca do espaço, não desaparecerá nem se diluirá à medida que o espaço se estender. Portanto, quanto mais espaço for criado, mais dessa energia escura haverá.
Os termos entre parênteses são o tensor de Einstein, o termo do lado direito representa a energia do espaço e o termo que aparece em vermelho é a constante cosmológica.
De acordo com as equações de campo de Einstein, essa energia é responsável pelo universo se espalhar cada vez mais rápido. Mas, por outro lado, não está bem definido por que a constante cosmológica deve estar lá ou muito menos por que ela precisa ter exatamente o valor certo para causar a aceleração observada.
Hipóteses alternativas
Da física quântica, sabemos que não existe espaço vazio, mas o que você realmente tem é um grande número de partículas temporárias, chamadas partículas virtuais, que são criadas e destruídas continuamente. No entanto, quando os físicos tentaram calcular a contribuição energética dessas interações para o espaço vazio, eles não encontraram resultados positivos.
Segundo seus cálculos, a energia das partículas virtuais no espaço vazio é 10120 vezes maior do que o que é observado. Então, pelo menos, da física quântica, é difícil obter respostas.
Outra resposta possível é encontrada na quintessência: um tipo de campo de energia fluido ou dinâmico que preencheria todo o espaço e teria a propriedade de expandir o universo.
Pesquisa sobre energia escura
Embora existam modelos diferentes que possam explicar as propriedades da energia escura, a realidade é que são necessárias evidências experimentais para apoiar as hipóteses em questão, e para isso são realizadas diferentes investigações.
Atualmente, o Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC) está trabalhando em dois projetos de telescópios terrestres altamente sensíveis, que capturam melhor a natureza da energia escura.
Pesquisa sobre energia escura (DES)
Localizado no Chile, o DES é um telescópio que estuda a energia escura através de seus efeitos em aglomerados de galáxias e lentes gravitacionais. Estava em operação entre 2013 e 2018 e os dados obtidos estão sendo estudados e analisados.
Telescópio Grande para Rastreamento Sinóptico (LSST)
Assim como o DES, o LSST está localizado no Chile e estará operacional em 2020. Este telescópio permitirá uma melhor avaliação de uma ampla gama de fenômenos relacionados à energia escura e fornecerá informações sobre o início da Via Láctea, as propriedades de os pequenos corpos do Sistema Solar e as trajetórias de asteróides potencialmente perigosos.
Telescópio de sonda infravermelha de campo amplo
A NASA, por sua vez, também possui um projeto que estará operacional em meados de 2020. O Telescópio de Sonda Infravermelha de Campo Largo ou WFIRST foi projetado para desvendar os segredos da energia e da matéria escura, procurar exoplanetas e explorar outros tópicos. através do espectro infravermelho.
Com relação à energia escura, o WFIRST estudará se a aceleração cósmica é causada por um novo componente de energia ou se é o produto da relatividade geral em escalas cosmológicas.
Se um novo componente de energia for alcançado, o WFIRST permitirá saber se essa densidade de energia é constante ou evoluiu ao longo do tempo.
O futuro da energia escura
Como vimos, as técnicas de pesquisa são baseadas em diferentes fenômenos observáveis ??encontrados no universo, como a distribuição de galáxias e a distorção das imagens devido à curvatura da luz. Portanto, aplicando essas técnicas a conjuntos de dados existentes e realizando estudos computacionais baseados em simulações cosmológicas, os pesquisadores estão obtendo uma melhor compreensão da energia escura e levando em consideração a magnitude dos próximos projetos, é apenas uma questão de tempo até que alguma descoberta notável é anunciada.
Publicado em 10/01/2020
Artigos originais:
- https://epsilonmag.com/ciencia/fisica/astrofisica/que-es-la-energia-oscura/
- https://www.newscientist.com/article/mg24432601-900-dark-energy-understanding-the-mystery-force-that-rules-the-universe/
- https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
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