Sob a Obscura Intangibilidade da Energia Escura

“A energia escura pode fazer mais do que simplesmente acelerar a expansão do cosmo. Ela pode ser o elo de ligação entre vários aspectos da formação e distribuição galática, que pareciam desconexos”. 

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A ideia que Einstein considerou seu maior erro… – a de que há uma força contrária à gravidade no Universo, na verdade parece estar certa — e uma descoberta anunciada ontem…é mais reforço para essa hipótese.

Já se sabia desde 1998, que essa força atua hoje no cosmo  —  entretanto … estudando imagens do Hubble, descobriu-se que essa energia tem atuado durante a maior parte da história do cosmos, quando o Universo tinha apenas 60% da idade que possui hoje – a energia escura então, já era bem parecida.

Somente em 1998 descobrimos que quase 3/4 do conteúdo do Universo (a ilustre desconhecida energia escura‘) eram  ignorados. Sua existência,   se comprovada …  —  exigirá o desenvolvimento de novas ‘teorias físicas’.

Astrônomos – durante décadas…sem se darem conta, observaram seu silencioso trabalho. E, embora apenas seus efeitos globais sobre o Universo sejam observados… já se sabe que a ‘energia escura também pode ter moldado a evolução das estrelas… galáxias… e seus aglomerados. (Enquanto matéria escura retarda a expansão, energia escura a impulsiona)

Qualquer que seja sua localização, a energia escura tem a mesma densidade…cerca de 10e-²6 kg/m3  – o equivalente a um punhado de átomos de hidrogênio… Ironicamente, sua presença universal é o que a torna tão difícil de se reconhecer. — Diferentemente da matéria (por sua natureza), não se aglomera…se espalhando suavemente por toda parte. 

Toda energia escura, em nosso Sistema Solar, equivale à massa de um pequeno asteroide, tornando-a um ator sem importância na dança dos planetas. Seus efeitos aparecem apenas quando vistos a grandes distâncias, em longos períodos de tempo.       E, embora a energia escura…como agente da aceleração cósmica, tenha impacto irrelevante dentro da galáxia…acaba se tornando a força mais poderosa do Cosmo.

Modelo cosmológico padrão

Os desenvolvimentos subsequentes no campo da cosmologia – tanto teórica quanto observacional, estabeleceram as soluções obtidas por Friedmann, em 1922 e 1924,           e por Einstein e de Sitter, em 1932, como modelo padrão da cosmologia moderna.

Nesse cenário – o universo inicia sua evolução a partir do BigBang com densidade 10e94 g/cm³, e temperatura 10³² ºKextremamente elevadas, caracterizando assim o chamado “estado singular inicial… – A partir desse estágio… o universo, em expansão, esfriou rapidamente, permitindo a formação posterior das galáxias, estrelas e, finalmente… ‘vida’.

teoria-big-bang

Os principais componentes  observacionais… que ainda hoje … dão suporte à teoria do ‘Big-Bang‘ — os assim denominados… “pilares da cosmologia relativística”… são:

• A lei de Hubbleprova direta da expansão cósmica resultante do “redshift” das galáxias ao nosso redor.

• A nucleossíntese primordial (síntese dos elementos leves) … que constitui o período da “evolução cósmica” (entre 0.02 a 180 segundos após a singularidade inicial), em que as taxas de expansão e esfriamento do universo sintetizaram prótons e neutrons — formando os elementos leves…como deutério, hélio… e lítio.

• A  radiação cósmica de fundo: radiação remanescente do universo primordial, cuja deteção em 1965 por Arno Penzias e Robert Wilson permitiu estabelecer por uma relação tempo/temperatura, as chamadas “eras cósmicas” – determinando assim… as condições físicas dominantes em cada estágio da evolução do universo… – Esta mesma radiação foi identificada pelo satélite COBE2 (Cosmic Background Explorer) como uma ‘radiação de corpo negro’ com temperatura de To = 2.725 ± 0.001 ºK.

Quando combinados, esses e outros resultados observacionais dão pleno suporte à ‘cosmologia relativística’ … confirmando muitas das previsões antecipadas pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein.             

Essas são imagens (antes e depois) de três das supernovas, do tipo Ia, mais distantes observadas até o momento pelo Hubble Space Telescope. Estas estrelas explodiram quando o universo tinha aproximadamente a metade da sua idade atual e somente agora a luz emitida na explosão está chegando à Terra. As supernovas do tipo Ia são tão brilhantes que elas podem ser observadas mesmo estando muito distantes no espaço e no tempo. Com isso, é possível estudar a taxa de expansão do universo e determinar como ela está sendo afetada pela pressão negativa da energia escura.

Essas são imagens (antes e depois) de 3 das supernovas, do tipo Ia, mais distantes observadas até o momento pelo Hubble Space Telescope. Estas estrelas explodiram quando o universo tinha aproximadamente a metade da sua idade atual, e somente agora a luz emitida na explosão está chegando à Terra. As supernovas do tipo Ia são tão brilhantes, que podem ser observadas mesmo estando muito distantes. Com isso, é possível estudar a taxa de expansão do universo, e determinar como ela está sendo afetada pela pressão negativa da energia escura.

                                                            Aceleração cósmica e constante cosmológica                                                        

Os resultados acima utilizam medidas de distância, obtidas a partir da luminosidade de supernovas do tipo IA , indicando consistentemente desde 1998 que o universo está expandindo (como sabíamos desde Hubble), mas.. em um ritmo acelerado!

No entanto, sendo a gravidade uma força atrativa (como sabemos desde Newton), como é possível que as partes do universo estejam se repelindo, e causando essa global aceleração cósmica? Será isso compatível com a Relatividade Geral, ou previsto pelo modelo padrão?

A gravidade repulsiva é perfeitamente compatível com a Teoria da Relatividade Geral! Porém, para que tal regime seja possível, é preciso que a densidade de energia do universo seja dominada por uma matéria, ou substância exótica, com pressão negativa o suficiente para gerar estados de antigravidade.

A constante cosmológica Λ, termo de antigravidade proposto por Einstein com o intuito de evitar o colapso gravitacional do universo             sobre si próprio, poderia ser a misteriosa energia escura – exótica componente responsável pela aceleração atual do universo.

A Teoria Quântica de Campos é a estrutura teórica da mecânica quântica e da relatividade, conjuntamente aplicada na física de partículas e matéria condensada. Em particular, a teoria quântica do campo eletromagnético, conhecida como eletrodinâmica quântica (tradicionalmente abreviada como QED, do inglês Quantum EletroDynamics, é a teoria provada experimentalmente com maior precisão na Física. (da Internet)

Teoria Quântica de Campo 

(Estrutura teórica…da mecânica quântica e relatividade… – conjuntamente aplicada na física de partículas, e matéria condensada.) 

Em particular…  —  a ‘teoria quântica do campo eletromagnético‘  …  —  também conhecida QED (Quantum EletroDynamics) é a teoria, testada e comprovada, com maior precisão experimental na Física. 

Embora, com os desenvolvimentos da chamada Teoria Quântica de Campo, a constante cosmológica tenha adquirido um novo significado físico (sendo agora interpretada como a energia do estado fundamental de todos os campos quânticos da natureza) – modelos cosmológicos incluindo Λ são compatíveis com todas as observações cosmológicas atuais.

Neste cenário, enquanto as densidades de energia da radiação e matéria (luminosa e escura) decrescem com a expansão do universo, a densidade   de energia associada à ‘constante cosmológica’ (Λ) permanece constante. 

Isto, por outro lado, significa que no universo primordial, Λ foi desprezível, passando a dominar a evolução do universo só recentemente, cerca de 5 ou 6 bilhões de anos atrás.

Jaílson Souza Alcaniz, Observatório Nacional/RJ  (10/08/2007)                                    ‘Cosmologia: De Einstein à Energia Escura’ (comciencia/SBPC)                                            ***********************************************************

Evidências da energia escura:

  • Explosões em supernova.
  • Radiação cósmica de fundo em microondas.
  • Configuração galáctica.
  • Lentes gravitacionais.
  • Aglomerados de galáxias.

A primeira clara evidência observacional de mudanças na taxa de expansão envolveu supernovas distantes (podem ser usadas como marcadores da expansão cósmica,   como observar troncos permite medir a velocidade de um rio). – Estas observações evidenciaram que a expansão foi mais lenta no passado do que hoje e, portanto, está           se acelerando. Mais especificamente, estava se reduzindo, mas, em algum momento, passou por uma transição, e começou a se acelerar.

wmap

Este resultado surpreendente foi depois confirmado por estudos independentes da ‘radiação cósmica de fundo’ – como por exemplo, o “Wilkinson Microwave Anisotropy Probe” (WMAP).

Uma conclusão possível… – é que diferentes… leis da gravidade… se aplicariam em escala supergalática.

Mas, a hipótese mais aceita é que as leis da gravidade são universais, e que alguma forma de energia, até então desconhecida para a ciência – opõe e supera a mútua atração entre as galáxias – as separando cada vez mais rápido, e além…  (Christopher Conselice)

Em um Universo com energia escura… a variação do fator de escala do Universo com o tempo depende da forma como esta varia no tempo… Se a densidade de energia escura for constante, a expansão continuará sempre a acelerar; se aumentar…  a aceleração da expansão pode ser tão rápida – que as galáxias, estrelas, planetas, e mesmo os átomos… sejam completamente destruídos (‘Big Rip’) … – Enfim, se a densidade de energia escura diminuir com o tempo, o universo pode colapsar, num “Big Crunch”. 

‘Modelos de Energia Escura’                                                                                                     “O problema em se prever um fim absoluto como o ‘Big Rip‘… é que ele                                 implica em um começo absoluto, também… E é aí… que todos se perdem.”                           

Existe uma grande variedade de modelos para explicar a expansão acelerada do Universo, com diferentes méritos e problemas…sendo necessário, através da observação, testar suas previsões — para se estabelecer qual o mais correto.   

A explicação mais simples para a natureza da energia escura é que se trata da energia do vácuo quântico  caso em que seria uma ‘entidade constante no tempo‘ – e… descrita matematicamente pela introdução da chamada “constante cosmológica nas equações da ‘Relatividade Geral‘…Contudo, esta hipótese conduz a problemas teóricos graves – ‘os problemas da constante cosmológica, e da coincidência cósmica’.

Alternativamente, a energia escura pode corresponder à existência de partículas  (ou campos escalares) com determinadas características – conduzindo aos chamados modelos de quintessência(A quintessência difere da constante cosmológica       por ser dinâmica, isto é, variar no espaço e no tempo.)

Em alguns destes modelos,  o  problema  da  coincidência cósmica’  é  contornado, surgindo, no entanto, outro tipo de problema – qual seja, estes campos devem ter uma massa muito pequena para não aglomerar, e formarem estruturas, o que não é natural       no contexto da teoria quântica dos campo.

Embora a existência de campos escalares seja prevista pelas teorias de unificação das interações fundamentais da Natureza (bem como a ‘teoria das cordas quânticas‘…),  ainda não foram observados experimentalmente.

Existem também… modelos que não recorrem à noção de ‘energia escura’. Neste caso… a “expansão acelerada” do universo seria efeito de correções  na ‘Relatividade Geral’… que afetam somente escalas … — comparáveis à dimensão dos ‘superclusters‘…Estas correções são previstas pelas teorias onde o espaçotempo tem dimensões ‘extras’ (branas).

Neste caso…as modificações da RG ocorrem pelo fato de que grávitons (partículas elementares hipotéticas que transmitem a força gravitacional) virtuais     podem escapar para as ‘dimensões extras… o que causaria a redução da atração gravítica à grandes distâncias…  –  maior do que a esperada pela ‘RG’.  (texto base)  ***************************(texto complementar)********************************

O problema da constante cosmológica (orkut-2006)

A ‘constante cosmológica‘ (Λ) é a candidata mais natural para explicar a energia escura. A ideia básica é que a aceleração do universo não é devido a componentes de matérias adicionais, mas sim, a uma escolha diferente de equação de campo para gravitação, com um termo adicional relativo à geometria do universo.

equacao_de_campo_de_einsteinUsualmente… interpreta-se a ‘equação de campo de Einstein’ como se todos termos à esquerda — se relacionassem à resposta geométrica do espaçotempo, ao conteúdo material expresso por termos que estão à direita da igualdade.  

O problema é que … ao passar o termo relativo à ‘constante cosmológica’ para direita, esta pode ser interpretada como um ‘fluido material’ obedecendo uma equação     de estado incomum, tendo pressão igual à densidade de energia negativa.          

Da ‘Teoria Quântica de Campos’ vem o fluido que obedece a essa equação, e que faz parte da formulação básica da teoria – a ‘Energia de Ponto Zero’ de todos os campos quânticos que permeiam o universo. Não há porém modo natural de fazer esse cálculo sem resultar infinito.

Alguns processos propostos para resolver esse problema, conseguem obter valores diferentes de infinito para essa energia… contudo, cerca de até 120 ordens de grandeza maior que o observado para a componente de energia escura. Esse é o famoso ‘problema da constante cosmológica‘; sendo  considerado por autores como S. Weinberg (Nobel de física, 1979) como   a maior crise teórica da física contemporânea.

‘O Problema da Constante Cosmológica’  # ‘Constante Cosmológica’ – IF/UFRGS  ************************************************************************************  “Levando-se em conta a mecânica quântica – a  ‘constante cosmológica’ fica difícil de ser eliminada. Isso se dá, porque efeitos quânticos ligados ao ‘princípio da incerteza’ tendem a conceder ao ‘vácuo quântico’ densidade de energia não-nula  —  o que é desconcertante já que a densidade de energia do espaço vazio deveria ser zero… ou muito próxima disso. Para se resolver esse problema – é necessário ajustar a constante cosmológica de forma a cancelar a densidade de energia quântica do vácuo.”  (Lee Smolin – “Vida do Cosmos’) **********(Orkut/astronomia)******************************************************

Verificando os 2 gráficos ao lado chega-se     à conclusão que: 1) no início não existia a energia escura, que cresceu até os 72% de hoje… 2) proporcionalmente — a relação entre matéria bariônica/’matéria escura’ praticamente não se alterou; 3) fótons, e neutrinos são abundantes no princípio… (‘desacoplamento’)…para, mais tarde, se tornarem residuais… 

Sabendo-se de um “período inicial” de aniquilação matéria/antimatéria, esse quadro não poderia corresponder…ao resultado dessa aniquilação; supondo   dessa forma a ‘energia escura’ como o resultado periódico acumulado dessa consequente dissipação?…

Orlando – Olá Cesar … — sobre esses teus comentários, a energia escura é constante ao longo da historia… são as outras componentes que diminuíram por causa da expansão. A matéria bariônica, e ‘matéria escura’ diminuíram…  —  A “energia escura” não é energia liberada em reações, mas uma componente espalhada pelo universo.

Cesarmas aí eu pergunto, se realmente aconteceu a reação inicial matéria/ antimatéria… para onde foi a energia resultante dessa aniquilação?… para o                       vácuo quântico??

Orlando – a energia do ponto zero, dados os parâmetros que conhecemos é muito maior que o valor da densidade de ‘matéria escura’… a diferença é da ordem de 10e¹²º. — O  ‘sistema inicial’  estava em um processo de constante… aniquilação / produção de partículas; — existia produção local de energia que entrava nestes processos; havia um equilibro entre os 2 processos; — quando o universo foi esfriando… algumas partículas foram desacoplando…primeiro os fótons, depois os neutrinos (desacoplar significa que reações em equilíbrio saíram do equilíbrio, porque a taxa das reações não acompanhou       o aumento do tamanho do universo); – A energia escura é a mesma em qualquer ponto     do universo, é uma ‘quantidade global’… Assim então…respondo que a ‘energia escura’       já existia ao longo da historia do universo. 
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ENERGIA ESCURA NO DESVIO PARA O VERMELHO Z=1   (nov 2006)                                 O então, largamente aceito modelo cosmológico… — tinha como certo que o universo estivesse diminuindo sua razão de expansão…devido à mútua atração gravitacional       de toda a matéria e energia contida nele.               

Comparando imagens das avançadas câmeras do Telescópio Espacial Hubble com as do WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) – satélite que mapeia a assinatura de calor do universo primordial… uma equipe liderada por Adam Riess – astrofísico da Universidade Johns Hopkins, acaba de refazer o histórico evolutivo do universo – numa precisão e profundidade sem precedentes…através de 23 explosões de supernovasque datam de 8 a 10 bilhões de anos atrás.

Os dados mostram que a ação repulsiva da energia escura já estava ativa naquele tempo, e são consistentes com uma densidade de energia constante – em outras palavras, com uma energia de vácuo que não se dilui à medida que o universo se expande – o que apoia a tese  da energia escura como sendo a energia do vácuo, cuja densidade através da história do universo…permaneceu constante.  

“Esta é outra pista, e sabemos tão pouco sobre a energia escura, que     qualquer indicio é importante”…disse Riess. (‘the birth of dark energy’)    

A Energia Escura – força não identificada que faz com que o universo se expanda cada vez mais rápido, já estava exercendo sua influência repulsiva sobre o universo, há 9 bilhões de anos atrás… – Porém, explicou Riess, numa conferência da NASA… a repulsão só venceu a força da gravidade – a partir de 5 bilhões de anos atrás… quando a expansão cósmica começou a acelerar”… – E ele completou: “Esta foi uma era de intensa formação estelar, quando as galáxias eram 3 vezes mais brilhantes do que hoje… – Até agora… só tinham sido observadas 7 supernovas desse período…insuficientes para medir as propriedades da energia escura”.

Uma teoria que os dados do Hubble confirma, é que o espaço vazio está impregnado da energia residual do BigBang…Quanto mais o espaçotempo se expande, mais a energia escura se manifesta, pois a matéria torna-se mais espalhada, enfraquecendo a inercial resultante da força da gravidade. 

Esta aceleração cósmica foi primeiramente revelada em 1998 por 2 equipes distintas de astrofísicos. Por meio da medição da luminosidade das explosões de supernovas, de até 7 bilhões de anos atrás, cientistas descobriram inesperada discrepância. As supernovas pareciam mais esmaecidas… – portanto mais distantes do que o esperado – a partir de seus desvios para o vermelho… – Ou seja, as “supernovas”… – a uma dada distância, pareciam menos desviadas para o vermelho do que se esperava.

Uma vez que o ‘desvio para o vermelho‘ mede o quanto as ondas de luz se alongam – à medida que o universo se expande…o menor desvio para o vermelho significa que a luz que vinha dessas supernovas distantes viajou por um universo, que se expandia a uma razão menor do que a atual… – cuja ‘razão de expansão‘ é conhecida por outros meios.

Como explicou Riess…nessa mesma conferência… “Modelos mais complexos com uma ‘densidade de energia não-constante’… inclusive uma classe conhecida como modelos     de quintessência – não estão inteiramente descartados… já que os novos dados ainda permitem variações de até 45%, em torno de uma densidade constante” (Em idades mais recentes, a energia escura tem-se mantido constante até uma variação máxima     de 10%)…  – Como consequência … conforme Mario Livio… – astrofísico da NASA…

“Os resultados somente eliminam algumas variantes                                     dos modelos de ‘quintessência’…mas, não todos eles.”

O tipo particular de “supernova  usado neste tipo de medição (tipo Ia) ocorre, quando a estrela “anã branca” torna-se mais massiva… ao absorver toda matéria…de uma estrela companheira.

Quando sua massa chega a 1,4 vezes a massa solar (massa crítica)… se dá uma explosão termonuclear em seu interior. 

Como, virtualmente … todas as supernovas da classe Ia têm as mesmas ‘características padrão’, todas seguem o mesmo ciclo – com aproximadamente o mesmo brilho, e distribuição relativa de elementos (de acordo com seus espectros)… Isto então, faz crer que, todas supernovas tipo Ia tenham um brilho intrínseco característico – tornando assim…       suas distâncias fáceis de estimar.

Os novos dados, também, reiteram a confiabilidade de supernovas             como ‘balizadores’ da expansão do universo, como explicou Riess…

“Agora, parece que o mesmo é verdade para as supernovas mais antigas,                       muito embora a composição elementar do universo…como um todo, fosse                 diferente então”. ‘Energia escura com Z=1’  ‘Hubble vê energia misteriosa’  !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Como começou a expansão do universo? (25 nov 2009)                                           

Na teoria da gravitação atual, a taxa da expansão do universo sempre diminui.
A taxa de expansão é o que se chama o parâmetro de Hubble (H). As galáxias, relativamente próximas a nós, estão se afastando com uma velocidade v que é proporcional ao valor atual de H multiplicado pela distância d.

Quanto maior H…mais rápido as galáxias, a uma determinada distância d…se afastam.

Para teorias de campos que respeitam  o  ‘princípio de relatividade’  –  e, que possuem apenas soluções estáveis, a variação do parâmetro de Hubble no tempo é sempre negativa: (dH/dt<0)… que está de acordo com a ideia que a gravitação é atrativa. Portanto, mesmo em um universo com expansão acelerada, que significa que a taxa da variação da distância média entre galáxias aumenta com o tempo   —   a taxa de expansão do universo diminui com o tempo, e portanto, a gravitação de fato desacelera a expansão.

Isso é importante porque garante, entre outras coisas, que a gravidade pode atrair matéria para uma região do espaço e formar aglomerados.

Essa condição, também assegura, que exista um mínimo para a energia do conteúdo do universo — o que se traduz no importante fato de que existe um estado de vácuo estável em cada instante, e que partículas não podem ser criadas do nada sem custo de energia. Ou seja, garante certos critérios de estabilidade física da teoria cosmológicaarsphysica  *****************************(comentário orkut)**********************************      A energia escura ainda é uma questão totalmente em aberto. Aliás, ela ressurgiu como uma explicação da falta de matéria num universo plano…aliada à expansão acelerada. Einstein considerava a constante cosmológica como densidade de energia do vácuo.  A ‘quintessência’ seria a função (de calibre) dessa densidade de energia, no espaçotempo.   O artigo acima coloca mais uma pimentinha na questão…  – ao considerar dH/dt<0.

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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