Pergunte a Ethan nº 52: Há quanto tempo a expansão do universo começa a acelerar?
Nascemos alguns bilhões de anos antes, não saberíamos disso
No final, o “Universo” é uma hipótese, como um “átomo”, e deve ser dada a liberdade de possuir propriedades, de fazer coisas que são contraditórias e impossíveis para a estrutura material final.
-William de Sitter
Há um ano, semanalmente, peço que você me envie perguntas e sugestões e escolho as que mais gostei na coluna semanal “Ask Ethan”. Abordamos tópicos da menor à maior escala, dos assuntos terrestres ao espaço e do começo ao fim do universo. Esta semana, Hems Azri me pergunta sobre isso:Tentando descobrir se há novos dados observacionais sobre a fase de aceleração do Universo! Quando começou?
Vamos falar sobre o universo e sua expansão.
Há menos de 100 anos, aprendemos que as nebulosas espirais em nosso céu não são protoestrelas que surgem em nossa galáxia, mas galáxias inteiras localizadas de nós a distâncias de milhões a bilhões de anos-luz. Quase imediatamente, percebemos que havia uma conexão incrível entre a distância da galáxia e sua velocidade em relação a nós.
Embora a Teoria Geral da Relatividade da época tivesse várias soluções exatas, uma delas descreveu muito bem o Universo: um universo em expansão, homogêneo nas maiores escalas. Embora nosso Universo não seja tão homogêneo em escalas de várias dezenas a milhões de anos-luz, estudando as escalas de dezenas de bilhões de anos-luz, vemos que os desvios da homogeneidade são muito pequenos. Em média, essa solução - a métrica de Friedman-Lemetre-Robertson-Walker - descreve o Universo melhor do que outros.
Ela nos diz que o espaço entre galáxias - ou entre estruturas não conectadas entre si ou estruturas ainda maiores por gravidade - deve se expandir. Se queremos saber como ela se expande, ou seja, com que velocidade, precisamos saber duas coisas:- taxa de expansão a qualquer momento
- tipos e proporções de matéria e energia presentes no universo
E é isso aí! Se reconhecermos esses dois pontos, seremos capazes de entender o destino do Universo e a velocidade da expansão, que foi, é e será, a qualquer momento, começando com o Big Bang.
O primeiro ponto é bastante simples e temos muitas maneiras de resolver esse problema. Estudando a distância de vários objetos do Universo e sua velocidade de remoção de nós, podemos descobrir a velocidade de expansão atual. Este é um ponto, mas é fácil contar. Embora tenha havido controvérsia sobre a velocidade exata na década de 90, agora estabelecemos que é de aproximadamente 67 km / s / Mpc (onde Mpc é de aproximadamente 3.260.000 anos-luz) com uma precisão de 2-3 km / s / Mpc.Obtivemos a resposta para a segunda pergunta a partir de uma combinação de observações de objetos de vários tipos, incluindo objetos distantes como supernovas, radiação cósmica de microondas, estruturas em larga escala e vibrações acústicas bariônicas.
E, como resultado, verificou-se que a composição do Universo é aproximadamente a seguinte:- 0,01% - fótons ou radiação sob a forma de luz
- 4,9% - matéria comum baseada em prótons, nêutrons, elétrons
- 27% - matéria escura, incluindo neutrinos, que contêm 0,1% no total, e o restante é desconhecido
- 68% - energia escura, que, de acordo com nossas observações, não difere da constante cosmológica
A partir disso, até onde sabemos, o Universo consiste.
Falando sobre a aceleração do Universo, queremos dizer algo concreto. Não queremos dizer que a taxa de expansão atual, 67 km / s / Mpc, esteja aumentando. Imagine uma galáxia distante a qualquer distância de nós. Seja uma distância de 10 Mpc, a velocidade de expansão será de 670 km / s.
A tal velocidade, uma certa galáxia está se afastando de nós. À medida que o universo se expande, torna-se menos denso e a densidade de energia diminui. Como a taxa de expansão depende da densidade de energia, ela também cai. Mas como o Universo se expandiu todo esse tempo, a galáxia que estamos seguindo se afastará de nós.Pense nisso: a velocidade de expansão no futuro é menor, mas objetos específicos estão mais distantes de nós. Se precisarmos calcular a velocidade aparente do objeto à medida que avançamos no futuro, precisamos multiplicar esses dois números, de modo que a pergunta é: o que muda mais rapidamente - a velocidade de expansão diminui ou a distância ao objeto aumenta?
E isso depende de qual porcentagem da energia do Universo está na forma de matéria e radiação, cuja densidade diminui com o tempo e que porcentagem está contida na forma de uma constante cosmológica, cuja densidade permanece inalterada. Vamos ver como a matéria, a radiação e a energia escura (constante cosmológica) mudam com o tempo.
Agora a energia escura domina o Universo, portanto, a velocidade de expansão não cai tão rápido quanto a distância aumenta: quando a velocidade de expansão cair em 10%, o objeto estará duas vezes mais longe de nós do que está agora - ou seja, está acelerando. Mas no passado, o universo tinha muito menos energia escura como porcentagem e muito mais matéria. E ainda mais cedo, a radiação prevaleceu sobre eles. Quando havia mais matéria ou radiação, a velocidade da expansão diminuía mais rapidamente e o Universo diminuía. Atualmente, 13,8 bilhões de anos após o nascimento, apenas recentemente, houve um momento em que objetos que se moviam de nós começaram a fazer isso com aceleração!
Matematicamente, a transição da desaceleração com que o Universo vem lidando nos primeiros bilhões de anos para a aceleração que ocorreu nos últimos bilhões de anos ocorre quando a densidade da energia escura atinge metade da densidade total da matéria. Agora, ele acabou de ultrapassar o dobro da densidade da matéria, portanto, a aceleração vem ocorrendo há muito tempo, uma vez que o tamanho do Universo era 62% do atual. Após um pequeno cálculo e voltando-nos para a astrofísica, podemos calcular a idade do Universo em que ele passou por um ponto crítico - acontece que isso aconteceu quando tinha 7,8 bilhões de anos, ou cerca de 6 bilhões de anos atrás - 1,5 bilhão de anos antes da formação do Solar. sistema.Se espremermos toda a história do Universo para um ano civil, o início da aceleração do Universo cairá em 27 de julho.
Esse número é muito sensível a pequenas mudanças nos parâmetros de densidade da matéria, energia escura e taxa de expansão. Se você alterá-los em 2-3%, o tempo do final da desaceleração e do início da aceleração pode mudar em 1-2 bilhões de anos! A energia escura não dominou o Universo por mais 1,9 bilhão de anos (lembre-se, no momento da transição da desaceleração para a aceleração, sua quantidade é metade da da matéria), e outros 4 devem passar! Um bilhão de anos antes de atingir a quantidade de hoje, quando é o dobro da matéria.Mas aqui vivemos em um universo tão acelerado, e foi aí que a transição aconteceu! Obrigado pela ótima pergunta e, se você tiver suas idéias, envie-as para a nossa coluna. Na próxima semana começará seu segundo ano de vida.Source: https://habr.com/ru/post/pt395005/
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