🥫 👩‍🔧 🧑🏽 Pergunte a Ethan No. 59: O que é energia escura? 🥊 👮 🖕🏽

O universo, é claro, está se expandindo, e essa expansão está se acelerando. Mas o que sabemos sobre esse processo além do simples nome "energia escura"?

Escolhendo entre desespero e energia, vou escolher o último
- John Keats

Durante toda a semana, você se esforçou ao tentar fazer uma pergunta profunda e misteriosa sobre o Universo, e tivemos muitas ótimas perguntas - é uma pena que eu possa escolher apenas uma delas. Nesta semana, a honra é dada a Piusz Gupte, que pergunta:

aprendemos que a energia escura é responsável por cerca de 70% da energia do universo. Temos evidências de sua existência através de várias observações. E isso realmente afeta a evolução do universo. Mas o que é energia escura? Temos alguma ideia? Existem modelos aceitáveis para ela?

E realmente temos algumas boas idéias, mas vamos primeiro comparar nosso conhecimento.

A primeira coisa a aceitar é o conceito de espaço-tempo, bem como a idéia mais importante da teoria geral da relatividade: a quantidade e o tipo de matéria e energia no Universo estão inextricavelmente ligados à evolução do espaço-tempo à medida que o Universo se move no tempo. Antes de Einstein, acreditava-se que o espaço e o tempo são constantes e fixos. Por um lado, há espaço que pode ser representado como uma grade tridimensional estática e, por outro, há tempo, um contínuo fixo separado, através do qual todos os pontos do espaço se movem simultaneamente.

Na relatividade geral, tudo isso muda ao mesmo tempo de duas maneiras - e ambas são muito importantes.

Primeiro, espaço e tempo não podem ser separados um do outro. Todos os objetos se movem no espaço-tempo em relação um ao outro. É da idéia de que não apenas a sua posição no espaço e no tempo importa, mas também a sua velocidade, isto é, o movimento no espaço e no tempo, o nome da teoria da relatividade a seguir. Se você e eu estamos no mesmo ponto no espaço-tempo, mas você se move em relação a mim a uma velocidade considerável, então nos movemos de maneira diferente não apenas pelo espaço, mas também pelo tempo. É daqui que surge a idéia de que o relógio funciona em velocidades diferentes para observadores de diferentes quadros de referência, bem como o paradoxo dos gêmeos.

Portanto, espaço e tempo não são absolutos e independentes um do outro. Todos os objetos se movem pelo espaço e pelo tempo, e se você se move pelo espaço mais rápido do que alguém, você se move no tempo mais lentamente que ele. Portanto, quando você voa para longe em um foguete se movendo a uma velocidade de 99% da velocidade da luz por 9,9 anos-luz, depois se vira e volta a uma velocidade de 99% da velocidade da luz de volta, você descobrirá que todos na Terra têm 20 anos e você tem apenas por 3 anos.

A segunda diferença é que o espaço-tempo em que você vive agora - descrevendo todo o Universo - é diferente daquele que existia no momento em que você começou a ler esta frase. O universo se expande com o tempo, e a taxa de expansão é determinada pelos diferentes tipos de matéria e energia presentes agora no universo. A taxa de expansão muda com o tempo, uma vez que a densidade de energia, ou a quantidade de matéria e energia por unidade de volume, em matéria e radiação diminui à medida que o universo se expande.

Mas há outras coisas além da matéria e radiação no Universo; Existem muitos outros jogadores, incluindo:

defeitos topológicos
cordas cósmicas
limites do domínio
curvatura inerente
energia espacial inerente
campo variável que pode ter propriedades

O que é ótimo em GR é a clareza de suas previsões: precisamos apenas medir a expansão do Universo ao longo do tempo e descobriremos tudo sobre que tipos de matéria e energia são, quais são suas proporções e com que grau de confiança podemos dizer que são. como imaginamos.

Nossas observações vêm de três fontes: primeiro, medições de distâncias a objetos distantes, como estrelas, galáxias e supernovas. Medindo o brilho aparente dos objetos e comparando-o com o brilho original, conhecido por nós, podemos calcular a distância até eles. Além disso, podemos medir o desvio para o vermelho, o que nos dá uma idéia da expansão do universo a partir do momento em que a luz foi emitida por eles. E essa combinação nos dá a oportunidade de entender como a expansão do universo mudou ao longo do tempo.

O segundo método é a medição de várias flutuações na radiação de fundo de microondas. Devido à natureza da interação de matéria e energia no Universo em expansão, e como a radiação residual do Big Bang não se espalhou na matéria ionizada, uma vez que o Universo tinha apenas algumas centenas de milhares de anos, podemos obter uma visão instantânea do estado do Universo em que ele estava localizado. por um longo tempo Mas toda essa luz viajou 13,8 bilhões de anos antes de nós e experimentou um desvio para o vermelho à medida que o universo se expandia, o que nos dá mais uma dimensão para toda a história cósmica de expansão.

Finalmente, pode-se estudar as estruturas do universo em maior escala. Devido à grande competição espacial que vem ocorrendo o tempo todo desde o nascimento do Universo - entre a gravidade, atraindo a matéria e formando estruturas em contração, e a expansão, que separa tudo, podemos estudar os tamanhos, escalas, densidades das estruturas, bem como sua evolução por longos períodos tempo, o que nos dá o terceiro método de medição.

Ao combinar todos os três métodos, podemos verificar sua conectividade e precisão, mostrando que todos eles fornecem o mesmo resultado, o que coincide com todos os dados. E tenho ótimas notícias para você: tudo é igual!

Com essas ferramentas, podemos descobrir em que consiste o Universo, enquanto calculamos o nível de nossa confiança nessas figuras. Agora acredita-se que sua composição seja a seguinte:

0,01% — ,
4,9% — , ,
27% — , , 0,1%,
68% —

Então, o que é essa "energia escura" assim?

Tanto quanto se pode julgar pelas observações da evolução dessa forma de energia, é indistinguível de uma constante cosmológica. Na relatividade geral, a constante cosmológica é inerente ao espaço; portanto, quando o universo se expande e um novo espaço aparece entre galáxias, a densidade da energia escura não diminui, embora a densidade de todas as outras apenas caia! É por isso que a expansão do universo está se acelerando não apenas agora - ela continua nos últimos 6 bilhões de anos.

Na teoria quântica de campos, a constante cosmológica é equivalente à energia zero de um vácuo quântico, ou seja, o efeito observado provavelmente está relacionado aos campos quânticos do Universo e da gravidade, embora ainda não possamos imaginar como colocá-lo em números.

É preciso também reconhecer a possibilidade de que a energia escura não seja uma constante cosmológica: ela poderia ser mais fraca (ou mais forte) no passado, ou poderia se tornar mais fraca (ou mais forte) no futuro. Mas com a melhoria dos métodos de observação, as limitações dessas possibilidades tornaram-se muito rígidas.

É muito fácil parametrizar a mudança na energia escura no tempo - até a primeira ordem - com o parâmetro da equação do estado w. Se w = -1,0, uma constante cosmológica aparece à nossa disposição. Se w = -1/3, temos a curvatura do espaço; se w = -2/3, os limites dos domínios e, em princípio, o parâmetro em geral podem mudar estranhamente no tempo.

A energia escura é constante quando w _a = 0, w ₀ = -1, além disso, se o valor w ₀menos que w _a , a energia escura se amplifica com o tempo.

É mais fácil aceitar que seu valor seja constante, e agora os dados obtidos nos dão o valor w = -1,02 ± 0,08, o que, em geral, sugere que essa é realmente uma constante cosmológica ou a energia inerente a espaço ou energia zero de um vácuo quântico, que por si só é maior que zero. Se, de repente, ocorrer que w <-1,0, o Universo terminará sua vida com uma grande lacuna - consideramos essa incrível opção recentemente.

A tarefa atual dos astrônomos do século XXI (e possivelmente dos séculos seguintes) é descobrir se a equação w = -1,0000 é cumprida com precisão arbitrária e com um número cada vez maior de dígitos decimais. E a tarefa dos teóricos é esclarecer a questão do que isso significa para o Universo ou como calcular esse valor com base na GR ou na teoria quântica de campos. Até agora, todos os dados indicam uma constante cosmológica - mas você nunca sabe de antemão. Pode ser um campo escalar, tensorial ou dinâmico, com comportamento mais complexo do que vemos até agora. Mas também pode ser uma energia simples inerente ao espaço e, na ausência de observações que refutam essa suposição, é melhor colocar exatamente essa opção.

Obrigado pela pergunta elegante, Piusz, e pela oportunidade que todos nós tivemos de estudar um pouco mais o poder e a fonte de energia do Universo, que é o menos conhecido. Ainda há muito a aprender, mas, embora esse tópico ainda seja um dos maiores mistérios, já se sabe muito sobre ele! Envie-nos suas perguntas para ter a chance de ler a resposta à sua pergunta.

Pergunte a Ethan No. 59: O que é energia escura?

O universo, é claro, está se expandindo, e essa expansão está se acelerando. Mas o que sabemos sobre esse processo além do simples nome "energia escura"?

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