A natureza da “Energia Escura”… e o “Vazio Local”

“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”. 

Quando o…Universo… como um espaço infinitamente quente e denso … possuía apenas 1 centésimo de bilionésimo de bilionésimo de trilionésimo de segundo, experimentou um tipo deexpansão exponencial” (‘inflacionária‘) mais rápida que a velocidade da luz Tentar entender essa expansão…é um trabalho que consiste na combinação de… “física teórica” com observações astronômicas.  Depois da inflação, o crescimento se fez  a um ritmo mais lento… — Um segundo após o Big Bang, o espaço se expandia, e esfriava, e então se formava a matéria.

O Universo se encheu de neutrons, prótons, elétrons, pósitrons, fótons e neutrinos Em seguida, nos 3 minutos iniciais do universo os ‘elementos leves’ nasceram, num processo conhecido como “nucleossíntese” (Big Bang)…As temperaturas esfriaram de 10³² graus Kelvin para 1 bilhão (°K), e assim, da colisão de prótons e neutrons formou-se o deutério, isótopo do hidrogênio, cuja maior parte se combinou para produzir hélio, e um pouco de lítio. – Nos primeiros 380 mil anos, aproximadamente, o universo estava quente demais para que a luz brilhasse. O calor infernal esmagava os átomos, com força suficiente para transformá-los num denso plasma (sopa opaca de prótons, neutrons e elétrons) que…tal como uma neblina, dispersava a luz. Após esse período, durante a era da ‘recombinação‘,    a matéria esfriou o suficiente para os átomos voltarem a se formar… o que resultou num gás transparente eletricamente neutro. Tal fenômeno emitiu um ‘flash’ de luz, hoje visto como uma “radiação cósmica de fundo em microondas” (CMB), permeando todo céu. – No entanto, após esse brilho inicial, o universo mergulhava de novo na escuridão, pois nenhuma estrela…ou qualquer outro objeto brilhante, havia se formadoaté então.

Cerca de 400 milhões de anos após o ‘Big Bang’, o universo começou a emergir da “idade cósmica das trevas”, durante a época dareionização‘. Nesse período…que durou mais de meio bilhão de anos, grupos de gases entraram em colapso…o suficiente…para formar as primeiras estrelas e galáxias … cuja luz ultravioleta energética ionizou e destruiu a maior parte do hidrogênio neutro. Embora à medida que a matéria se agrupava pela gravidade,    a expansão do universo gradualmente tenha desacelerado, cerca de 5 a 6 bilhões de anos após o ‘Big Bang’… uma força misteriosa… (“energia escura“)… começou novamente a acelerar a expansão do Universo, num fenômeno que, aparentemente, continua até hoje.

Sobre o “Big Bang”, sua melhor definição não é como uma…explosão…isso porque… o universo não se expandiu para o espaço; pois o espaço não existia antes dele. O universo não se expandiu de nenhum ponto desde o Big Bang; ao contrário, o espaço em si é que foi se estendendo e carregando matéria. Como, por definição, o universo abrange todo o espaço e tempo como o conhecemos, está além do modelo Big Bang explicar o motivo da sua expansão, ou origem. E, embora existam modelos especulando sobre essas questões, nenhum deles fez previsões realisticamente testáveis… – ​​até a presente data. (texto base) **********************************************************************************

Evidências da “energia escura”

A primeira evidência observacional de mudanças nataxa de expansãoenvolveu supernovas distantes (podem ser usadas como marcadores da expansão cósmica).      Tais observações evidenciaram que a expansão foi mais lenta no passado do que hoje, portanto, estava se reduzindo — todavia…em algum momento, 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 das conclusões possíveis – é quevariações nas leis da gravidade se aplicariam, em escala supergalática.  Mas, a hipótese mais aceita é que “leis da gravidade são “universais” – e assimportanto, alguma forma secreta de energia…opõe  e supera a mútua atração entre as galáxias – as separando cada vez mais rápido, e além…

Com ‘energia escura‘, a variação do fator de escala do Universo depende da forma como esta varia no tempo… Se a sua densidade for constante…a expansão continuará a acelerar; mas se aumentar – a aceleração da expansão pode ser tão rápida, que as galáxias, estrelas, planetas…e até os átomos se destruam totalmente, em um ‘Big Rip’. – Por outro lado, se a densidade da energia escura diminuir no tempo… o universo colapsaria num ‘Big Crunch’. 

A natureza da “Energia Escura”, e suas alternativas                                                      “Campo escalar é algo como um mapa de temperaturas, onde se atribui a cada ponto, um valor – no caso cosmológico… escalas menores são, quanticamente, as mais energéticas”.

Existem alguns modelos para explicar a ‘expansão acelerada’ do Universo. O mais simples deles é que se trata de uma “energia quântica do vácuo”…entidade matematicamente descrita pela introdução de uma constante cosmológica nas equações da “Relatividade Geral”. Tal hipótese porém leva a graves problemas teóricos…da ‘constante cosmológica’ e da ‘coincidência cósmica’Alternativamente a ‘energia escura’ também pode corresponder à existência de “partículas exóticas” (ou ‘campos escalares‘), com certas características; conduzindo aos chamados…”modelos de quintessência (a quintessência difere da “constante cosmológica”… – por ser dinâmica” — isto é, variar no espaçoe no tempo)

Existem também modelos, que não recorrem à noção de “energia escura“… – Neles, a “expansão acelerada” do universo seria efeito de correções na ‘Relatividade Geral’… que afetam somente escalas comparáveis à dimensão dossuperclusters‘. Estas correções são previstas pelas teorias onde o espaçotempo tem dimensões extras (“branas”). Neste caso, as modificações da RG ocorreriam pelo fato dos grávitons virtuais (partículas hipotéticas que transmitem a força gravitacional) escaparem para ‘dimensões extras‘, causando a redução da gravidade à longas distâncias…maior do que a esperada pela RG. (texto base) **********************************************************************************

‘ENERGIA ESCURA’ NO DESVIO PARA O VERMELHO Z=1                                      “O então inconteste modelo cosmológico…tinha por certo a redução da taxa de expansão  do Universo – pela mútua atração gravitacional de toda matéria e energia nele contidas”.

dark-energyComparando imagens do Telescópio Espacial Hubble com as do ‘WMAP (satélite que fez o mapeamento da “radiação de fundo” do ‘universo primordial’) a equipe do astrofísico Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins  refez o histórico evolutivo do universo, numa precisão sem igual, utilizando 23 supernovas que datam – de 8…a 10 bilhões de anos atrás.  Os dados mostram, que a ‘ação repulsiva‘ daenergia escurajá estava ativa àquele tempo – e são consistentes com uma “densidade de energia” constante… – ou seja, com uma “energia de vácuoque não se dilui com a expansão do Universo, apoiando a ideia da energia escura ser uma energia de vácuo, cuja densidade se manteve constante ao longo da história do Universo. Como disse Riess: 

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

A Energia Escura já estava exercendo sua influência repulsiva sobre o universo,                há 9 bilhões de anos… – porém…explicou Riess… a repulsão só venceu a força da gravidade a partir de 5 bilhões de anos atrásquando a expansão cósmica iniciou                a aceleração. Esta foi uma era de intensa formação estelar…mas, com até agora, 7 supernovas observadas, insuficientes para medir 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…descobriu-se 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 explica 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 uma estrela…”anã branca” torna-se mais massiva, ao absorver toda matéria…de uma estrela companheira…Quando sua massa alcança 1,4 “massas solares” (‘massa crítica’),    seu interior sofre ‘explosão termonuclear’. – Considerando todas supernovas “Ia” com igual padrão, supomos que todas tenham “brilho intrínseco” característico…ensejando estimar suas distâncias. Os novos dados também confirmam estas supernovas como “balizadoras” da expansão cósmica – como então concluiu Riess: “Agora, parece que o mesmo é verdade para aquelas supernovas mais antigas…muito embora a composição elementar do Universo, como um todo… então fosse diferente”. texto base (nov 2006) ********************************************************************************

images

De Einstein à Energia Escura

A ideia que Einstein considerou seu maior erro (‘constante cosmológica’), na verdade parece estar certa… Desde 1998 já se sabia  que uma força contrária à gravidade atua hoje no cosmo; porém estudando imagens do Hubble descobriu-se que essa energia vem atuando “regularmente” no Universo, desde cerca de60%de sua idade atual.

Somente em 1998… descobriu-se que quase 3/4 do conteúdo do Universo (essa ilustre desconhecida energia escura“) eram ignorados… Astrônomos, por décadas, sem se darem conta…observaram seu silencioso trabalho. Embora apenas seus efeitos globais sobre o Universo sejam observados, já se sabe que tal intangível energia também pode    ter moldado a evolução das estrelas, galáxias…e seus aglomerados. (enquanto matéria escura retarda a expansão, energia escura a impulsiona.) Para qualquer 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… Por sua própria natureza, diferentemente da matéria, não se aglomera… e, ao invés disso… – se espalha 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                                                                                                “O grande problema em se prever um fim absoluto como o ‘Big Rip’,                                        está no fato dele implicar num tipo de ‘começo absoluto’…também.”    

bigbang-regions-in-spacetime

Desenvolvimentos subsequentes, no campo da cosmologiatanto teórica como observacionalestabeleceram então…as “soluções” … obtidas por Friedmann, em 1922 e 1924, e por Einstein e De Sitter — em 1932, como o verdadeiro “modelo padrão” da chamada 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 daí, o Universo, em expansão, esfriou rapidamente,  permitindo a formação posterior das galáxias, estrelas e, finalmente…vida. Os principais componentes observacionais, que ainda hoje…dão suporte à teoria do Big-Bang — assim denominados pilares da cosmologia relativística são a seguir relacionados:

• 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 deteçãoem 1965, por Arno Penzias e Robert Wilson, estabeleceu as chamadas            “eras cósmicas” – por uma relação tempo/temperatura, 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 To = 2.725 ± 0.001 ºK.

Quando combinados, esses e outros resultados observacionais dão pleno suporte à ‘cosmologia relativística’ … confirmando muitas das previsões então 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. Estas estrelas explodiram quando o universo tinha aproximadamente a metade da sua idade atual. As supernovas do tipo Ia são tão brilhantes, que com elas é possível estudar a taxa de expansão do universo, e determinar como ela está sendo afetada pela pressão negativa da energia escura.

“Constante cosmológica”acelerando a “expansão” 

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..num ritmo acelerado! No entanto, sendo a gravidade uma “força atrativa” (leis Newton), como é possível que – partes do universo estejam se repelindo, e causando essa “aceleração cósmica global“?…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 proposto por Einstein…com o intuito de evitar o ‘colapso gravitacional’ do universo sobre si próprio, poderia ser a “energia escura“…elemento 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 

A “teoria quântica de campos“…é a aplicação conjunta da mecânica quântica e relatividade, utilizada na física de partículas…e da matéria condensada – para fornecer estrutura teórica na descrição de “sistemas físicos” com um nº infinito de “graus de liberdade”. Era também chamada ‘segunda quantização, por realizar a quantização dos campos, já que a mecânica quântica só realiza a quantização da matéria.

A teoria quântica de campos considera tanto as partículas que compõem a matéria (hadrons e leptons) quanto as partículas mediadoras de forças (bosons de gauge) como excitações de um campo fundamental de energia mínima nãonula (vácuo).    E, com ela…a “constante cosmológica” adquiriu 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 a todas observações cosmológicas atuais. – Sendo que…enquanto as densidades de energia da radiação e matéria (comum e escura) decrescem com a expansão do universo…a densidade de energia associada à constante cosmológica (Λ), permanece constante. Isto significa que no ‘universo primordial’…Λ foi residual…vindo a dominar a evolução      do universo só recentemente, entre 5 a 6 bilhões de anos atrás. (texto baseago/2007)      ********************************(Orkut-2006)************************************

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“…Considerando um período inicial de aniquilação — matéria/ antimatéria…esse quadro atual não teria correspondência…com o resultado dessa aniquilação supondo dessa forma, a ‘energia escura’…como o consequente “acúmulo de energia”…dessa dissipação?

Orlando – Olá Cesar… a cerca desses teus comentários, a energia escura é ‘constante‘ ao longo da historia; as outras componentes é que diminuíram… por causa da ‘expansão’. Tanto a ‘matéria bariônica’, quanto a ‘matéria escura’ diminuíram… A “energia escura” não é liberada em reaçõesmas, uma componente espalhada pelo universo.

Cesar – Mas aí eu pergunto, se realmente aconteceu a reação inicial matéria/antimatéria, para onde foi a energia resultante dessa aniquilação?… — Talvez…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; enquanto o universo esfriava, algumas partículas foram se desacoplando; primeiro fótons, depois neutrinos (desacoplar significa que reações em equilíbrio saíram do equilíbrio, porque a taxa das reações não acompanhou o crescimento 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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O problema da constante cosmológica                                                                                    A ‘constante cosmológica’ (Λ) é a candidata mais natural para explicar a ‘energia escura‘. A ideia básica é que a ‘aceleração do universo’ não se deve a componentes de matérias adicionais, mas sima uma escolha diferente de ‘equação de campo‘ para gravitação, com um termo adicional correspondente 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, levando o termo “constante cosmológica” para a direita, esta pode ser interpretada como 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, até que conseguem obter valores finitos dessa energia… contudo, cerca de até 120 ordens de grandeza maior que o observado da “energia escura”. Esse é o problema da constante cosmológica; considerado por S. Weinberg … como a “maior crise teórica da física contemporânea”.    p/consulta… A pior previsão já feita pela Física pode ter sido solucionada” (set/2019) **********************************************************************************  “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’) **********************************************************************************

Na teoria gravitacional a taxa de expansão sempre diminui (nov 2009)                “Quanto maior H… mais rápido as galáxias… – a uma distância d… se afastam”.   

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… Para “teorias                    de campo” que respeitam o princípio da relatividadee com soluções estáveis,                      a variação no tempo do ‘parâmetro de Hubble’…é sempre negativa:  (dH/dt<0), que está de acordo com a ideia de ‘gravitação atrativa‘. Assim,                    mesmo num universo em “expansão acelerada”…com sua ‘taxa de variação da                distância média entre galáxias’ aumentando com o tempo, a taxa de expansão                    do universo reduz com o tempo, e 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 uma função (de ‘calibre’) dessa densidade…no espaço-tempo.      O artigo acima coloca mais uma “pimentinha” na questão…  – ao considerar dH/dt<0. *******************************************************************************

Universo pode estar desacelerando a expansão (jun/2011)                              Segundo pesquisadores brasileiros, a hipótese de expansão acelerada do Universo, por ser muito influenciada por modelospode estar deixando de lado a observação direta. 

universo-expansaoO Universo pode não estar em ‘expansão acelerada’. Na verdade, a observação dassupernovasindica várias possibilidades de ‘aceleração cósmica’…não se podendo prever precisamente a continuidade…ou  o ritmo da expansão. Esta interpretação, a partir dos dados de ‘supernovas’…está sendo oferecida por Antonio Guimarães e José Ademir Sales de Lima…IAG/USP.

Os pesquisadores demonstraram que o estado atual do Universo, abre um grande número de possíveis variáveis sobre sua expansão ou retração. Isso porque, apesar do consenso na comunidade científica, em 1998, de que o Universo está em ‘expansão acelerada’, graças à observação das ‘supernovas’. Essa hipótese…segundo Antonio, é muito influenciada pelos modelos usados para analisar os dados … diminuindo a importância da observação direta.

O modelo mais utilizado é o Lambda-CDM (‘Cold Dark Matter’), baseado na chamada ‘energia escura‘, de constituição desconhecida…que corresponderia a cerca de 70% de    toda energia do Universo, e seria responsável pela aceleração. A pesquisa, no entanto,      se baseou apenas nos dados das supernovas, numa “abordagem cosmográfica” … sem considerar qualquer modelo de…energia escura… – como assim explica Guimarães:

“Por meio das medidas de brilho e desvio para o vermelho (redshift), é possível estimar a distância e a velocidade de afastamento das explosões supernovas…A análise descreve de modo matemático o fator de escala do Universo, isto é…seu tamanho conforme o tempo”.

As análises mostraram que houve um período de aceleração recente (acontecido há alguns bilhões de anos). Porém, o estado atual de aceleração é mais incerto do que indicado pelos modelos de energia escura. A situação seria indeterminada, a expansão pode ser acelerada, mas também pode estar em…”desaceleração”… – se considerarmos que o estado atual do Universo é melhor representado de acordo com umadistribuição de probabilidades.

modelo lambda CDM

O modelo mais utilizado hoje é o Lambda-CDM, basedo na hipótese da energia escura. Neste modelo, o Universo se expandiria indefinidamente, e a tendência seria a Via Láctea ficar cada vez mais distanciada das demais. [Wikimedia]

Aceleração ou Desaceleração?

Durante a análise – as supernovas foram divididas em conjuntos diferentes… separadas entre antigas, recentes e muito recentes… E, segundo Guimarães, conforme se adicionava dados de supernovas mais recentes… a “curva de probabilidades” tendia para valores mais negativos de aceleração o que pode indicar o Universo se expandindo de uma forma menos acelerada. – Usando ‘dados cosmográficos’ mais recentes de 557 eventos de supernovas, ao se excluir as mais antigas, a ‘curva de probabilidades’ da aceleração apresenta valores menores…Ou seja, quanto mais recente…e próxima – mais ela parece indicar que a expansão seria menos acelerada.

Outros modelos baseados na energia escura falam…por exemplo, em desaceleração e colapso…o chamado “Big Crunch”…mas como a natureza desse tipo de constituinte é            pouco conhecida, há muitas possibilidades em aberto… No caso das supernovas…por exemplo…é possível formular hipóteses sobre o “estado atual” do Universo – onde as        curvas de valor de aceleração podem abarcar em seu espectro, tanto valores positivos quanto negativos…multiplicando possibilidades sobre a expansão futura. (texto base*******************************************************************************

A expansão acelerada do Universo… “uma nova visão”… (Mario Novello)            “Estamos assistindo a um movimento de emancipação do pensamento – à rigidez de          um mundo regido por leis inacessíveis e o fim da ideia de construção programada do cosmos. Isso, é lógico, não retira a possibilidade de construção de um modo racional            de descrever o mundo. Contudo…fica claro que se o pensamento quiser acompanhar          os fenômenos cósmicos, em sua dimensão global, terá que aceitar a ideia inesperada          de que em vários momentos cruciais da evolução do universo…uma escolha singular          de movimentos não pré-determinados deve ser feita Ou seja, o universo adquire a liberdade que os cientistas… inadequadamente – lhe haviam retirado”. (M. Novello) 

A cosmologia, ciência que estuda as propriedades globais do universo, teve um avanço notável a partir da observação de E. Hubble em 1929, atestando a expansão do Universo,    e confirmando a concepção teórica do matemático Alexander Friedman…de 1922…Após uma visão simplista de que o Universo teria seu começo…há uns poucos bilhões de anos, os cientistas voltaram-se para uma ideia mais complexa…de que o universo seria eterno, tendo passado por diferentes fases de evolução… – Se contraiu…até um volume mínimo (big bang), transformando tal contração em expansão, atingindo a fase em que vivemos.  Até que, recentemente…uma série de observações astronômicas produziu um escândalo científico de grandes proporções, ao comprovar que não apenas o ‘espaço global’ está se expandindo, ou seja, o volume total do Universo está aumentando, como o está fazendo    de uma forma acelerada. A razão dessa agitação, se deve a que tal fenômeno colide com      a ideia universalmente aceita, desde Newton, da força gravitacional ser apenas ‘atrativa’.

Tais observações foram interpretadas como se uma força antigravitacional                          gerada por uma desconhecida forma de energia…chamada ‘energia escura’                          estivesse controlando a “expansão do universo” – se opondo à atração, que                        todas as demais formas conhecidas de matéria e energia, juntas produzem. 

A partir dessa interpretação, concluiu-se, precipitadamente, que… o atual conhecimento da física se restringiria… — a uma parcela diminuta da totalidade da matéria do Universo — cuja maior parte, se esconderia sob a forma desconhecida — dessa “energia escura”. – Contudo, é possível que Einstein — afinal, tivesse razão, quando em 1917, ao propor um novo modelo de descrição global do Universo, inaugurando assim a cosmologia modernalançou a hipótese de que a “lei da gravitação” que conhecemos na Terra deveria ser alterada, quando aplicada cosmicamente. Isto é, as propriedades da gravitação no Universo — não seriam idênticas… às de nossa vizinhança.

Einstein, há 100 anos…com sua teoria da relatividade geral, alterou a descrição newtoniana da “força gravitacional“…tornando-a a única responsável pelas propriedades globais do espaçotempo…fundando assim a cosmologia moderna.

No entanto…o modo pelo qual Einstein realizou essa ideia deixou muito a desejar. Ele introduziu uma constante cosmológica“…para permitir o modelo estático do Universo, que hoje sabemos não ser verdadeiroE essa constante cosmológica tem sido associada    à ‘energia escura’. – Embora tal modelo cosmológico tenha fracassado, suas bases ainda sustentam a cosmologia. — Hoje… cem anos depois…estamos frente a uma situação que requer novo modo de descrição da gravitação no cosmos, capaz de explicar a aceleração, sem postular a existência de formas esdrúxulas de matéria. Essa alteração, em termos, segue as ideias de Einstein…sem se identificar contudo, com o conceito de sua proposta.

A aceleração observada hoje…seria semelhante a processos que fizeram o Universo passar do colapso à expansão, reproduzindo o fenômeno denominado repulsão gravitacional. Desse modo, a hipótese de formas desconhecidas de matéria e energia não é necessária. A aceleração do universo estaria associada a novos efeitos gravitacionais que só ocorrem em dimensões cósmicas, conforme reconhece a “relatividade geral“…nas profundezas dessas dimensões do espaço e do tempo. Aí, o Universo possui inúmeras formas de se entrelaçar, dobrar, curvar, gerando uma geometria variável“auto-controlável”. (JB– 02/abr/2018)  **********************************************************************************

Expansão do Universo não é uniforme (Salvador Nogueira, jul.2018)                            Pesquisadores australianos demonstraram que a expansão do universo não                     segue o mesmo ritmo em todas as partes do cosmos — o que pode ajudar a                     explicar discrepâncias entre medidas locais e globais, obtidas da expansão.

Hayley Macpherson — e colegas … da Universidade Monash — Austrália,  recriaram o cosmos, em computador,  partindo de equações relativísticas, e medidas da “CMB” (um eco de luz do “Big Bang” — registrado pelo ‘satélite Planck’). Assim estimou-se o grau de heterogeneidade cósmico primordial, supondo uma “matéria fluida”com movimento dado por equações “RG”.

Os resultados foram apresentados em 2 artigos, submetidos aos                        periódicos “Physical Review X” e “Astrophysical Journal Letters“.

Na simulação, o grupo encontrou um quadro bastante familiar … com a formação da chamada “teia cósmica”…maiores estruturas do Universo, compostas por enormes filamentos com incontáveis galáxias em meio a grandes vazios. – Os cientistas então constataram, que a “expansão cósmica“… – iniciada com o “Big Bang” – avança significativamente mais rápida…em regiões onde há menor concentração de matéria,        do que nas que compõem as regiões gravitacionalmente mais densas da teia cósmica.

E essa pode ser a chave para compreender um recente conflito na variação de estimativas da chamada ‘constante de Hubble’, a taxa de expansão cósmica. Enquanto medições com base na “radiação de fundo” indicam que a constante é de 67 km/s/Mpc, estimativas com base em objetos astrofísicos mais próximos apontavam uma taxa local de expansão de 73 km/s/Mpc… Essa discrepância tem sido uma enorme ‘dor de cabeça’ para os cosmólogos, mas talvez possa ao menos em parte ser explicada pela variação local da expansão…Caso isso se confirme – é sinal de que estamos…numa região relativamente vazia do Universo, onde a expansão avança mais depressa do que a média global (via RCFM). (texto base”””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””

O mistério mais sombrio do cosmos profundo (set/2019)                                          “Há muito, muito tempo atrás, quando o universo tinha apenas cerca de 100 mil anos…e, era um zumbido crescente de partículas e radiação…um estranho novo campo de energia foi ligado. Essa energia impregnou o espaço com uma espécie de ‘antigravidade cósmica’, proporcionando um… – violento impulso… – à expansão do universo.” (Dennis Overbye)

rate-of-the-expansion“É possível que haja uma nova física ainda desconhecida acontecendo no universo primordial a qual devemos compreender”; assim comentou Inh Jee, do “Instituto Max Plank” sobre variações na taxa de expansão do universo (constante Hubble)uma ferramenta indispensável, na busca do conhecimentosobre as origens misteriosas desse nosso…’Universo’.

Em 1998, duas equipes independentes de pesquisadores, surpreendentemente…chegaram à mesma conclusão: que a taxa de expansão (Ho), suposta como constante…na verdade se acelera com a distância, e que assim…o universo está repleto de uma misteriosa “energia escura“, causa de sua aceleração desde o ‘Big Bang‘ (…prêmio Nobel de Física em 2011).  Mais recentemente, em um artigo publicado em 02/03/2019: Dark Energy – “New Exotic Matter ou ET Force Field?”, o “The Daily Galaxy” trouxe uma visão controversa sugerindo que essa energia escura pode estar ficando cada vez mais forte e densa – fatalmente…com isso, levando a um futuro no qual átomos se desconectarão — e o universo chegará ao fim.

“Tensão Hubble”                                                                                                                          Duas técnicas independentes fornecem respostas precisas, mas incompatíveis“. 

Então depois de mais uns outros 100 mil anos…o novo campo simplesmente se apagou, deixando apenas vestígios de um universo acelerado, diz uma equipe de astrônomos da Universidade Johns Hopkins liderada por Adam Riess, professor emérito, ganhador do Nobel, e uma das maiores autoridades em “constante de Hubble”…Num salto ousado e especulativo ao passado, a equipe postulou a existência desse exótico “campo de forças” para explicar o desconcertante ‘quebra-cabeça’ astronômico do Universo, parecer estar    se expandindo mais rápido do que era de se esperar – por uma constante de Hubble.      A “tese de Riess” é a 1ª a fornecer uma possível explicação ao fenômeno, ao considerar uma ‘tensão inicial’ no universo primitivo devido a uma descarga de ‘energia escura‘ logo após o…“Big Bang”… – dando-lhe o impulso que melhor corresponde a todas as observações experimentais até hoje. Nesse sentido, a teoria mostra como essa “tensão” pode revelar novas propriedades características do nosso universo; fazendo previsões,      as quais se tornariam passíveis de testes experimentais, em razoável espaço de tempo.

darkenergyMas um outro estudo realizado por pesquisadores do “Instituto Max Planck” … além de outros centros universitários – descreve um novo ‘método’ de estimar o crescimento acelerado do Universo; elevando a taxa de expansão a 82,4 kms/seg/ megaparsec – um valor acima dos cálculos prévios…mas, admitindo uma margem de erro de 10%; isto        é, dentro do intervalo … [74 a 90].

Os cientistas dizem que diferenças entre os vários métodos, não                                          são erros de cálculomas, podem ser sinais de divergências na                        interpretação…de como a teoria “Big Bang” explica o cosmos.

As “metodologias” (Supernovas…CMB…Lentes gravitacionais)                                              “A descoberta da energia escura revolucionou o modo sobre como                                         pensamos as leis da natureza“. (Edward Witten — “Princeton”)

Sabe-se, há décadas, que o universo está se expandindo, mas a pesquisa nos últimos anos abalou os cálculos sobre a velocidade do crescimento – levantando complicadas questões sobre as ‘teorias cosmológicas’. A taxa de expansão (“constante de Hubble”) é ferramenta central na busca para desvendar as origens do universo, considerando que os astrofísicos acreditam se aproximar cada vez mais de uma velocidade exataSua unidade de medida  é kms/seg/megaparseconde 1 Mpc corresponde a 3 milhões de anos-luz. – Conforme 2 métodos diferentes (supernovas e CMB), a taxa de expansão é de 67,4…ou 73. A variação desses métodos de medição significa que as galáxias a 3 milhões de anos-luz de distância (1 megaparsec), recuariam a 67, 73…ou, de acordo com esta última estimativa, 82 kms/s.

O novo cálculo, baseado lentes gravitacionais, analisa como a luz se curva                          em torno a grandes galáxias. A ampla margem de erro do estudo…pode                          não ajudar a ajustar a “constante do Hubble”…mas o método contribui no                            debate sobre problemas fundamentais na teoria cosmológica. (texto base************************(texto complementar)*************************

Olhem para dentro, humanos… E conheçam nosso vizinho… o… “vazio local”.  Nosso planeta faz parte da estrutura maior do Sistema Solarmoldada e estabilizada pela força da gravidade. Nosso sistema solar está ligado gravitacionalmente à Via Láctea, junto com centenas de milhões de outros sistemas solares. E nossa galáxia também faz parte de uma estrutura maior – onde não só a gravidade…mas a expansão do Universo, dá forma e molda essa estrutura. — E ainda há uma outra parte vazia…de nossa vizinhança cósmica”.

voidmap

As galáxias não se espalham uniformemente por todo Universo…Eles formam filamentos  e aglomerados em todo o espaço. Nossa galáxia, a Via Láctea, faz parte de um grupo de galáxias denominado “Grupo Local”, que é dominado pela Via Láctea e Andrômeda. – As muitas galáxias anãs que aderiram gravitacionalmente a elas, completam a população do Grupo Local, que faz parte de uma estrutura ainda maior chamadaLaniakea“, contendo mais de 100 mil galáxias…Fazendo fronteira com nossa própria galáxia, se encontra uma uma região praticamente desprovida de galáxias, conhecida por “Vazio Local. E sobre ela, um novo estudo publicado na “Astronomical Journal”, faz um mapa de sua extensão.

Nossa Via Láctea não apenas faz parte do Grupo Local de galáxias, como também de uma matriz plana de galáxias se afastando do…“Vazio Local”,    a 260 km/s — que inclui não só a galáxia de Andrômeda — mas também outros membros do “Grupo Local”, e algumas outras galáxias dispersas.

Toda matéria é atraída por outra matéria, pela gravidade, e por isso vemos filamentos e estruturas aglomeradas no mapa em larga escala do UniversoÉ também por isso, que existem “vazios”…pois uma vez iniciados – não há nada lá para atrair qualquer matéria,      e o vazio cresce. Com efeito, se aleatoriamente escolhêssemos um ponto no Universo, provavelmente esse local seria um vazio. O nada é mais comum do que o algo, e o novo estudo intitulado “Cosmicflows-3…Cosmografia do Vazio Local” traz um compêndio de mais de 17 mil distâncias galáticas em nossa vizinhança cósmica – e constitui um mapa atualizado do Vazio Local. – Esta é a 3ª edição do compêndiocada vez mais completa.  Conforme a gravidade move as galáxias, umas em direção às outras, os vazios se abrem.    O Vazio Local é de particular interesse, porque a matéria que constitui a Via Láctea, e o resto do Grupo Local, provavelmente veio do Vazio Local. O estudo deles também pode nos dizer algo sobre “matéria escura”, mas fica prejudicado por sua localização atrás da massa central da Via Láctea, que bloqueia para nós sua visão. Brent Tully, do ‘Instituto    de Astronomia’ da Universidade do Havaí, principal autor do estudo, contornou esse obstáculo ao inferir a distribuição de massa, responsável pelo movimento…observando movimentos galáticos devido não só à gravidade, mas também à expansão do Universo.

No estudo a equipe usa o movimento das galáxias, não apenas para inferir a distribuição de massa…mas também para construir mapas tridimensionais de nossa vizinhança local. Esse mapa cosmográfico destaca a fronteira entre a presença e ausência da matéria, que define a borda do“Vazio Local”. Esta é a mesma técnica que Tully e outros cientistas usaram em 2014 para identificar a extensão total do nosso próprio superaglomerado, de mais de cem mil galáxias, chamado “Laniakea”, que significa “imenso céu” em havaiano.

O grande “Vazio Local”

Em 2007, estudando a presença de uma galáxia anã…dentro do vazio, Tully ‘descobriu que esta estrutura está se expandindo e mostrou…o quão grande é esse vazio. A galáxia anã…dele se afastando a 350 km/s, indica um vazio, de menos que 150 milhões de anos-luz… de largura.                                                                       (quanto mais rápido a galáxia viajar…mais fraca a gravidade do vazio – e maior ele será)

Nas últimas décadas … astrônomos vêm tentado entender os movimentos da Via Láctea, da nossa grande galáxia mais próximaAndrômeda, e de seus vizinhos menores. Todos eles se desviam da expansão geral do Universo em mais de 600 km/s…Este novo estudo mostra que cerca de metade desse movimento tem “origem local” pela combinação da atração do massivo aglomerado de Virgem (nossa vizinhança), e de uma participação na expansão do…”Vazio Local“… – à medida em que este se torna cada vez mais rarefeito.  Viver tão próximo a um vazio com 150 milhões de anos-luz de diâmetro, pode parecer perturbador…‘Todo aquele nada, tão perto!’…Mas as coisas são assim: Não é como se fossemos sugados para o vazio. – Na verdade, ocorre o inverso… – A falta de matéria no vazio significa falta de gravidade – e estamos, lentamente, nos afastando do centro dele, seguindo nossa direção com as outras galáxias do “Grupo Local”. (jul/2019) (texto base**********************************************************************************

A dinâmica (constante) de Hubble (maio/2021)                                                                        Astrônomos consideram…há quase um século, que o Universo está se expandindo,                o que significa que a distância entre as galáxias – está-se tornando cada vez maior.              Mas…exatamente, o quão rápido o espaço está se esticando — um valor conhecido                como… “constante de Hubble” — continua sendo um grande mistério da Física.

Desde que o cosmólogo belga Georges Lemaitre…em 1927…publicou seus cálculos              sobre a expansão do Universo, dando afinal uma solução dinâmica às equações de    Einstein cálculos confirmados por Edwin Hubble em 1929 … que os astrônomos      tentam medir o valor dessa expansãopor um indicador chamado…constante de Hubble. Contudo, uma discrepância persiste nesse valor conforme a medição é            feita, com as observações do Universo inicial, ou as observações do Universo atual. 

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No início do Universo, ainda sem estrelas, a luz se movia através do plasma, através            de oscilações similares às ondas sonoras. A constante de Hubble calculada a partir      dessa radiação cósmica de fundo chega ao resultado de 67 km/s/Mpc (Kms por segundo por megaparsec); ou seja o Universo se expandia cerca de 67 km/s mais      rápido a cada 3,26 milhões de anos-luz (1 parsec). Porém, este resultado é diferente quando se observa o Universo depois que as estrelas nasceramapós as galáxias se formarem, e aparecerem as chamadas supernovas‘…explosões relacionadas ao fim          de uma estrela. Baseado nestas observações, a constante de Hubble se aproxima de          74 km/s/Mpc. Esta discrepância é mais conhecida hoje como “tensão de Hubble”.

Em busca de soluções para esse dilema, uma equipe internacional de astrônomos analisou um banco de dados de mais de mil dessas ‘supernovas’cujas medições sustentam o valor de 74 – e chegaram à conclusão de que a constante de Hubble pode não ser constante. Em vez disso, o valor pode variar com base na expansão do Universo, crescendo à medida que o Universo se expande. Eles concentraram sua atenção na classe de supernovas chamadas Tipo 1A, conhecidas como…”farol padrão” – Ao conhecermos sua luminosidade, podemos calcular a distância – observando sua intensidade no céu. – A seguir… usaram o chamado redshift (desvio para o vermelho) para calcular como a “taxa de expansão cósmica”…pode ter aumentado ao longo do tempo. A essência da observação original (Lemaitre e Hubble) é que quanto mais longe do observadormaior o comprimento de onda (e o “redshift”).

Enrico Rinaldi, da Universidade de Michigan/EUA, explicou que: “Se a ‘constante de Hubble’ fosse uma constante, então ela não deveria ser diferente quando a extraímos        de diferentes distâncias. Nosso principal resultado…é que ela realmente muda com a distância, podendo assim ser explicada … através de alguma ‘dependência intrínseca’    com a distância dos objetos”. Os astrônomos também descobriram…que essa análise          da “constante de Hubble” mudando com o redshift permite…”conectar”…o seu valor, medido no despertar cósmico, com valores obtidos por meio de dados mais recentes          do Universo, criando uma curva de incremento contínuo, e não mais o hiato, de 67 a        74 km/s/Mpc. Dessa forma, conclui Rinaldiu: “Os parâmetros extraídos ainda são compatíveis com o entendimento cosmológico padrão que temos. No entanto, dessa        vez – eles apenas se modificam um pouco – conforme alteramos a distância…e, essa pequena diferença…já é suficiente para explicar a origem dessa tensão.” (texto base)

p/Consulta:Energia escura variável” (set/2021)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para A natureza da “Energia Escura”… e o “Vazio Local”

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