Energia escura

Energia escura, força repulsiva que é o componente dominante (69,4%) do universo. A parte restante do universo consiste em matéria ordinária e matéria escura. A energia escura, em contraste com as duas formas de matéria, é relativamente uniforme no tempo e no espaço e é gravitacionalmente repulsiva, não atrativa, dentro do volume que ocupa. A natureza da energia escura ainda não é bem compreendida.

Ler mais sobre este tópico

astronomia: Energia negra

Nos anos 80, astrônomos começaram a usar velas tipo Ia supernovae como velas padrão. Acredita-se que estas se originam da seguinte forma. Um branco…

>

Uma espécie de força repulsiva cósmica foi a primeira hipótese feita por Albert Einstein em 1917 e foi representada por um termo, a “constante cosmológica”, que Einstein relutantemente introduziu em sua teoria da relatividade geral, a fim de neutralizar a força atrativa da gravidade e explicar um universo que se supunha ser estático (nem se expandindo nem se contraindo). Após a descoberta nos anos 20 pelo astrônomo americano Edwin Hubble de que o Universo não é estático, mas sim em expansão, Einstein referiu-se à adição desta constante como seu “maior erro”. No entanto, a quantidade medida de matéria no orçamento de energia em massa do Universo era improvavelmente baixa, e assim algum “componente em falta” desconhecido, muito parecido com a constante cosmológica, foi necessário para compensar o déficit. Evidência direta para a existência deste componente, que foi apelidado de energia escura, foi apresentado pela primeira vez em 1998.

A energia escura é detectada pelo seu efeito na taxa de expansão do Universo e seu efeito na taxa na qual estruturas de grande escala, como galáxias e aglomerados de galáxias, se formam através de instabilidades gravitacionais. A medição da taxa de expansão requer o uso de telescópios para medir a distância (ou tempo de viagem leve) de objetos vistos em diferentes escalas de tamanho (ou redshifts) na história do Universo. Estes esforços são geralmente limitados pela dificuldade em medir com precisão as distâncias astronómicas. Como a energia escura trabalha contra a gravidade, mais energia escura acelera a expansão do Universo e retarda a formação da estrutura em larga escala. Uma técnica para medir a taxa de expansão é observar o brilho aparente de objetos de luminosidade conhecida como supernovas tipo Ia. A energia escura foi descoberta em 1998 com este método por duas equipes internacionais que incluíam os astrônomos americanos Adam Riess (o autor deste artigo) e Saul Perlmutter e o astrônomo australiano Brian Schmidt. As duas equipas utilizaram oito telescópios, incluindo os do Observatório Keck e do Observatório MMT. Supernovas tipo Ia que explodiram quando o universo estava apenas dois terços de seu tamanho atual estavam mais fracos e assim mais distantes do que estariam em um universo sem energia escura. Isto implica que a taxa de expansão do Universo é agora mais rápida do que no passado, resultado do domínio actual da energia escura. (A energia escura era insignificante no início do Universo)

Estudar o efeito da energia escura na estrutura em larga escala envolve medir distorções sutis nas formas das galáxias que surgem da dobra do espaço através da intervenção da matéria, um fenômeno conhecido como “lente fraca”. Em algum momento nos últimos bilhões de anos, a energia escura tornou-se dominante no universo e assim impediu a formação de mais galáxias e aglomerados de galáxias. Esta mudança na estrutura do Universo é revelada por uma lente fraca. Outra medida vem da contagem do número de aglomerados de galáxias no Universo para medir o volume do espaço e a taxa na qual esse volume está aumentando. Os objetivos da maioria dos estudos observacionais de energia escura são medir sua equação de estado (a razão entre sua pressão e sua densidade de energia), variações em suas propriedades e o grau em que a energia escura fornece uma descrição completa da física gravitacional.

Na teoria cosmológica, a energia escura é uma classe geral de componentes no tensor tensão-energia das equações de campo na teoria da relatividade geral de Einstein. Nesta teoria, existe uma correspondência directa entre a matéria-energia do universo (expressa no tensor) e a forma do espaço-tempo. Tanto a densidade da matéria (ou energia) (uma quantidade positiva) como a pressão interna contribuem para o campo gravitacional de um componente. Enquanto componentes familiares do tensor tensão-energia como a matéria e a radiação proporcionam uma gravidade atractiva ao dobrar o espaço-tempo, a energia escura causa uma gravidade repulsiva através de uma pressão interna negativa. Se a relação entre a pressão e a densidade energética for inferior a -1/3, uma possibilidade para um componente com pressão negativa, esse componente será gravitacionalmente auto-repulsivo. Se tal componente dominar o universo, ele irá acelerar a expansão do universo.

A explicação mais simples e antiga para a energia escura é que é uma densidade de energia inerente ao espaço vazio, ou uma “energia do vácuo”. Matematicamente, a energia do vácuo é equivalente à constante cosmológica de Einstein. Apesar da rejeição da constante cosmológica por Einstein e outros, a compreensão moderna do vácuo, baseada na teoria do campo quântico, é que a energia do vácuo surge naturalmente da totalidade das flutuações quânticas (i.e., pares virtuais de partícula-antipartícula que surgem e depois se aniquilam uns aos outros pouco depois) no espaço vazio. No entanto, a densidade observada da densidade da energia de vácuo cosmológica é de ~10-10 ergs por centímetro cúbico; o valor previsto pela teoria do campo quântico é de ~10110 ergs por centímetro cúbico. Esta discrepância de 10120 era conhecida mesmo antes da descoberta da energia escura muito mais fraca. Embora uma solução fundamental para este problema ainda não tenha sido encontrada, soluções probabilísticas foram postas, motivadas pela teoria das cordas e pela possível existência de um grande número de universos desconectados. Neste paradigma o valor inesperadamente baixo da constante é compreendido como resultado de um número ainda maior de oportunidades (ou seja, universos) para a ocorrência de diferentes valores da constante e a seleção aleatória de um valor suficientemente pequeno para permitir a formação de galáxias (e, portanto, estrelas e vida).

Outra teoria popular para a energia escura é que ela é uma energia de vácuo transitória resultante da energia potencial de um campo dinâmico. Conhecida como “quintessência”, esta forma de energia escura variaria no espaço e no tempo, proporcionando assim uma forma possível de distingui-la de uma constante cosmológica. É também semelhante em mecanismo (embora muito diferente em escala) à energia do campo escalar invocada na teoria inflacionária do big bang.

Outra explicação possível para a energia escura são os defeitos topológicos no tecido do universo. No caso de defeitos intrínsecos no espaço-tempo (por exemplo, cordas cósmicas ou paredes), a produção de novos defeitos à medida que o universo se expande é matematicamente semelhante a uma constante cosmológica, embora o valor da equação de estado para os defeitos dependa se os defeitos são cordas (unidimensionais) ou paredes (bidimensionais).

Têm havido também tentativas de modificar a gravidade para explicar tanto as observações cosmológicas como as locais sem a necessidade de energia escura. Essas tentativas invocam desvios da relatividade geral em escalas de todo o universo observável.

Um grande desafio para compreender a expansão acelerada com ou sem energia escura é explicar a ocorrência relativamente recente (nos últimos bilhões de anos) de quase-qualidade entre a densidade de energia escura e a matéria escura, mesmo que tenham evoluído de forma diferente. (Para que estruturas cósmicas se tenham formado no universo inicial, a energia escura deve ter sido um componente insignificante). Este problema é conhecido como o “problema da coincidência” ou o “problema da afinação”. Compreender a natureza da energia escura e seus muitos problemas relacionados é um dos mais formidáveis desafios da física moderna.