🌽 😲 🤼 Perguntas freqüentes sobre energia escura 🆘 ❌ ✌🏿

[ Sean Michael Carroll - cosmologista, professor de física, é especialista em energia escura e relatividade geral, estuda no Departamento de Física do Instituto de Tecnologia da Califórnia - aprox. perev. ]

O que é energia escura?

É isso que faz o universo acelerar se, de fato, existe uma certa entidade com essa propriedade.

Aparentemente, eu deveria perguntar - o que significa a "aceleração" do Universo?

Primeiro, o universo está em expansão: o Hubble mostrou que galáxias distantes fogem de nós a velocidades aproximadamente proporcionais à sua distância. "Aceleração" significa que, se você medir a velocidade de uma dessas galáxias, retornar a ela em um bilhão de anos e medir a velocidade novamente, verá que ela aumentou. As galáxias estão se afastando de nós com velocidade crescente.

Mas este é algum tipo de explicação em palavras simples. Isso pode ser explicado de maneira mais abstrata e científica?

A distância relativa entre galáxias distantes pode ser resumida em um único indicador, o “fator de escala”, geralmente escrito como (t) ou R (t). Este, de fato, é o "tamanho" do Universo - embora não exatamente, já que o Universo pode ser infinitamente grande. Mais precisamente, esse é o tamanho relativo do espaço de um momento no tempo para outro. A expansão do universo significa um aumento no fator de escala ao longo do tempo. Aceleração do Universo significa seu aumento com aceleração - isto é, com uma segunda derivada positiva.

Isso significa que a constante Hubble, que mede a taxa de expansão, está aumentando?

Não. A "constante" de Hubble (ou "parâmetro de Hubble", uma vez que muda ao longo do tempo), descreve a taxa de expansão, mas isso não é apenas uma derivada do fator de escala: é uma derivada dividida pelo próprio coeficiente. Porque Porque, dessa maneira, torna-se adimensional e não muda com a mudança de acordos. A constante Hubble é um multiplicador que mostra a taxa de mudança do fator de escala do universo.

Se o universo diminuir, a constante Hubble diminui. Se a constante do Hubble aumentar, o universo acelera. Mas existe um modo intermediário no qual o Universo se expande, mas a constante de Hubble diminui - e pensamos que nosso Universo vive nesse modo. As velocidades das galáxias individuais estão aumentando, mas dobrar o tamanho do universo leva cada vez mais tempo.

Em outras palavras: a lei de Hubble correlaciona a velocidade de uma galáxia v com a distância d a ela na equação v = H * d. Essa velocidade pode aumentar mesmo que o parâmetro Hubble diminua; se diminuir mais lentamente do que a distância aumenta.

Mas os astrônomos realmente esperaram um bilhão de anos para medir novamente a velocidade das galáxias?

Não. Medimos as velocidades de galáxias muito distantes. À medida que a luz viaja a uma velocidade fixa, um ano-luz por ano, olhamos para o passado. A reconstrução da história das velocidades e suas diferenças no passado revela-nos o fato da aceleração do Universo.

E como medir a distância de uma galáxia distante?

Isto não é fácil. O método mais confiável é através de uma “vela padrão” - um objeto bastante brilhante que pode ser visto de longe e cujo brilho é conhecido antecipadamente. Então você pode calcular a distância até ele, simplesmente medindo seu brilho. Quanto mais fraco, mais distante.

Infelizmente, velas padrão não existem.

Então o que eles fizeram?

Felizmente, temos um método ligeiramente inferior: velas padronizadas. Um tipo especial de supernova , tipo Ia , é muito brilhante, e não exatamente, mas tem o mesmo brilho. Felizmente, nos anos 90, Mark Philips descobriu a incrível relação entre o brilho intrínseco e o tempo que uma supernova leva para desaparecer depois de atingir o brilho máximo. Como resultado, se medirmos o brilho, e ele diminui com o tempo, podemos corrigir essa diferença e criar uma escala de brilho universal que pode ser usada para medir distâncias.

E por que as supernovas do tipo Ia se tornaram velas padronizadas?

Definitivamente, não temos certeza - basicamente, tudo é calculado empiricamente. Mas há uma idéia - pensamos que essas supernovas surgem quando as anãs brancas atraem matéria de fora até atingirem o limite de Chandrasekhar e explodirem. E como essa restrição é a mesma em todo o Universo, não é de surpreender que as supernovas tenham brilho semelhante. Os desvios provavelmente são devidos a diferentes composições de estrelas.

Mas como você sabe quando uma supernova ocorrerá?

De jeito nenhum. Eles raramente aparecem, cerca de uma vez a cada cem anos, para uma galáxia comum. Portanto, você precisa olhar imediatamente para um monte de galáxias com câmeras de grande angular. Especificamente, as imagens do céu tiradas em diferentes pontos no tempo são comparadas, separadas por várias semanas uma da outra (geralmente as imagens são tiradas na lua nova quando o céu está mais escuro) - é justamente o tempo em que uma supernova precisa adicionar dramaticamente brilho. Usando computadores, as imagens são comparadas em busca de novos pontos brilhantes. Esses pontos são estudados para descobrir se são supernovas do tipo Ia. Isso, é claro, é muito difícil, e seria impossível se não fosse uma série de inovações tecnológicas mais recentes - câmeras com sensores CCDe telescópios gigantes. Hoje, você pode ter certeza de que, como resultado das observações, as supernovas podem ser coletadas em dezenas - mas quando Perlmutter começou a trabalhar com seu grupo, isso não era de todo óbvio.

E o que eles descobriram fazendo esse trabalho?

A maioria dos astrônomos (quase todos) esperava que o Universo desacelerasse - as galáxias seriam atraídas uma pela outra através da gravidade, o que atrasaria seu movimento. Mas as supernovas distantes parecem mais fracas do que o esperado - um sinal de que estão localizadas mais longe do que o previsto, ou seja, o Universo está se acelerando.

Por que os cosmólogos aceitaram tão rapidamente esse resultado?

Mesmo antes do anúncio dos resultados em 1998, estava claro que havia algo errado com o universo. Era como se a era do Universo fosse menor que a era de suas estrelas mais antigas. A matéria era menor do que os teóricos previam. Em grande escala, as estruturas não eram tão pronunciadas. A descoberta da energia escura resolveu todos esses problemas de uma só vez. Tudo se encaixou. Portanto, embora as pessoas tenham sido bastante cautelosas, após essa observação, o Universo se tornou muito mais claro.

Mas como sabemos que as supernovas não parecem mais sombrias não porque são obscurecidas por alguma coisa ou porque tudo era diferente no passado?

A questão é legítima e duas equipes que estudam supernovas trabalharam muito ativamente em sua análise. Você nunca pode ter 100% de certeza, mas pode receber constantemente novas confirmações. Por exemplo, os astrônomos sabem há muito tempo que a matéria que obscurece dispersa a luz azul mais facilmente do que o vermelho, como resultado das estrelas por trás das nuvens de gás e poeira "corarem". Você pode procurar por essa vermelhidão e, no caso de supernovas, ela se mostra insignificante. Além disso, agora temos uma abundância de evidências independentes que levam à mesma conclusão - então parece que as medições iniciais usando supernovas não mentiram para nós.

É verdade que existem evidências independentes da existência de energia escura?

Oh sim O argumento mais simples é a subtração. A radiação das relíquias nos diz a quantidade total de energia, incluindo a matéria, no Universo. Medições locais de galáxias e aglomerados fornecem a quantidade total de matéria. Acontece que a matéria existe apenas 27% da energia total, o que nos deixa com 73% na forma de algum tipo de substância invisível para nós, mas não importa: "energia escura". Essa quantidade é suficiente para explicar a aceleração do universo. Outra evidência são as oscilações acústicas dos barions (ondas em estruturas de grande escala cujo tamanho ajuda a estudar a história da expansão do Universo) e a evolução das estruturas à medida que elas se expandem.

Bem, e o que é energia escura?

Que bom que você perguntou! A energia escura tem três propriedades principais. Em primeiro lugar, está escuro. Nós não a vemos e, tanto quanto as medidas nos dizem, ela não interage com a matéria (se ela interage, excede as possibilidades de nossas observações). Em segundo lugar, é distribuído igualmente. Não se acumula em galáxias e aglomerados, ou descobriríamos isso estudando sua dinâmica. Terceiro, é constante. A densidade da energia escura (a quantidade de energia por ano-luz cúbico) permanece constante à medida que o universo se expande. Não se dissipa, como a matéria.

As duas últimas propriedades nos permitem chamá-lo de "energia" e não de "matéria". A energia escura não se comporta como partículas com dinâmica e dispersão locais à medida que o universo se expande. A energia escura é outra coisa.

História interessante. E o que exatamente pode ser a energia escura?

O principal candidato a esse lugar é o mais simples: "energia de vácuo" ou "constante cosmológica". Como sabemos que a energia escura é distribuída uniformemente e constante, a primeira coisa que vem à mente é que ela é perfeitamente distribuída e perfeitamente constante. Essa será a energia do vácuo: uma quantidade fixa de energia que cada parte do espaço possui e que não muda quando se desloca de um lugar para outro, ou ao longo do tempo. Cem milhões de erga por centímetro cúbico, se você estiver interessado.

Mas a energia do vácuo não é diferente de uma constante cosmológica?

Sim Não acredite em quem nega isso. Quando Einstein surgiu com essa idéia, ele não a considerou "energia", mas uma modificação da maneira como a curvatura do espaço-tempo interage com a energia. Mas acontece que este é o mesmo. Se alguém não acredita nisso, pergunte que observações ele vai distinguir um do outro.

A energia do vácuo não é derivada de flutuações quânticas?

Na verdade não. Uma montanha inteira de todos os fenômenos pode criar a energia do espaço vazio, e alguns deles são completamente clássicos, sem nada com flutuações quânticas. Mas flutuações quânticas também são adicionadas aos fenômenos clássicos, levando ao aparecimento dessa energia. Eles são bastante fortes, e isso nos leva ao problema da constante cosmológica.

Qual é o problema da constante cosmológica?

Se apenas a mecânica clássica fosse conhecida por nós, a constante cosmológica seria apenas um número - não haveria razão para ser especialmente grande ou pequena, positiva ou negativa. Nós apenas medíamos e nos acalmavamos.

Mas nosso mundo não é clássico, mas quântico. E na teoria quântica de campos, as grandezas clássicas devem sofrer correções quânticas. No caso da energia de vácuo, essas correções têm a forma da energia de partículas virtuais, cujas flutuações ocorrem no vácuo do espaço vazio.

Podemos adicionar a quantidade de energia resultante dessas flutuações e obter infinito. Aparentemente, isso não é verdade e suspeitamos que estamos exagerando o cálculo. Por exemplo, esse cálculo aproximado inclui flutuações de todos os tamanhos, incluindo comprimentos de onda inferiores ao comprimento de Planck, nos quais, talvez, o espaço-tempo perca sua confiabilidade conceitual. Se somarmos apenas os comprimentos de onda maiores que o comprimento de Planck, obteremos uma estimativa da constante cosmológica.

E, como resultado, 10 ^{120 a} mais que o valor observado sai . Essa diferença é o problema da constante cosmológica.

Por que a constante cosmológica é tão pequena?

Ninguem sabe. Embora não pudéssemos trabalhar com supernovas, muitos físicos acreditavam na existência de simetria oculta ou em um mecanismo dinâmico que redefine a constante cosmológica, pois estávamos confiantes de que era menos do que nossas estimativas. Agora precisamos explicar por que é pequeno e por que não é zero. Além disso, existe um problema de coincidência - por que as ordens de magnitude da densidade da energia escura e da matéria coincidem.

É assim que é ruim: no momento, a melhor explicação para o significado da constante cosmológica é o princípio antrópico. Se vivemos em um multiverso em que os valores da energia do vácuo diferem em diferentes áreas, podemos dizer que a vida pode existir (além de fazer observações e ganhar prêmios Nobel) apenas nas áreas em que a energia do vácuo é muito menor que a estimada. Se fosse grande e positivo, galáxias e até átomos seriam destruídos. Se fosse grande e negativo, o Universo recolocaria rapidamente. Em tais situações, um observador típico receberia um valor próximo ao observado. Steven Weinberg fez essa previsão em 1988, muito antes da descoberta da aceleração do universo. Mas ele não defendeu fortemente, ele simplesmente disse que "se tudo for assim, veremos algo como o seguinte".Existem muitos problemas com esses cálculos, especialmente quando começamos a envolver "observadores típicos", mesmo que acreditemos na existência do multiverso. Tenho prazer em refletir sobre o multiverso, mas sou bastante cético em relação à nossa capacidade de fazer previsões sobre as quantidades observáveis relacionadas a essa plataforma teórica.

Precisamos de uma fórmula simples que preveja uma constante cosmológica em função de todas as outras constantes da natureza. Nós não temos, mas tentamos trazê-lo para fora. As opções propostas trabalham com gravidade quântica, dimensões extras, buracos de minhoca, supersimetria, não localidade e outras idéias interessantes, mas especulativas. Até agora, nada criou raízes.

Alguma experiência influenciou o desenvolvimento da teoria das cordas?

Sim: aceleração do universo. Antes disso, os teóricos assumiram a necessidade de descrever o universo com energia de vácuo zero. Quando havia uma chance de distingui-lo de zero, surgiu a questão de saber se esse fato poderia ser inserido na teoria das cordas. Descobriu-se que isso não é tão difícil de fazer. O problema é que, se você encontrar uma solução, há um número absurdamente grande de outras. Tal cenário da teoria das cordas mata a esperança de uma solução única que possa explicar o mundo real. Seria bom, mas a ciência precisa aceitar o que a natureza oferece.

Qual é o problema da coincidência?

Com a expansão do Universo, a matéria fica borrada e a densidade da energia escura permanece constante. Isso significa que a densidade relativa da energia escura e da matéria varia muito com o tempo. Havia mais matéria no passado, no futuro a energia escura dominará. Mas hoje eles estão aproximadamente igualmente divididos. Quando os números podem diferir ^10.100 vezes ou mais, uma diferença de três vezes não é considerada. Por que temos tanta sorte de nascer quando há energia escura suficiente para ser descoberta e não o suficiente para fazer tais tentativas merecerem o Nobel? Ou isso é uma coincidência (por que não), ou vivemos em algum momento especial. Em parte por esse motivo, as pessoas estão tão ansiosas por aceitar o princípio antrópico. O universo acaba sendo inconsistente.

Se a energia escura tem uma densidade constante e o espaço se expande, isso significa que a energia não é conservada?

Sim, e tudo bem.

Qual é a diferença entre energia escura e energia de vácuo?

Energia escura é o termo geralmente aceito para uma substância uniformemente distribuída e constante que faz com que o universo acelere. A energia a vácuo é um dos candidatos ao papel da energia escura, idealmente distribuída e constante.

Então, existem outros candidatos para o papel da energia escura?

Sim Você só precisa de algo bastante uniformemente distribuído e constante. Acontece que a maioria dessas coisas perde sua densidade, portanto, encontrar fontes de energia constante não é fácil. A melhor e mais simples das idéias é a quintessência, apenas um campo escalar que preenche o universo e muda lentamente ao longo do tempo.

A ideia de quintessência é natural?

Não especialmente. Foi originalmente planejado que, olhando para algo dinâmico e mutável, e não apenas fixo, você pode encontrar uma explicação inteligente sobre por que a energia escura é tão fraca e o problema da coincidência também pode ser explicado. Mas essas esperanças não se concretizaram.

Apenas novos problemas foram adicionados. De acordo com a teoria quântica de campos, os campos escalares gostam de ser pesados. Porém, no caso da quintessência, o campo escalar deve ser irrealisticamente leve, 10 ^-30em peso do neutrino mais leve (mas não zero). E este é um problema, e o segundo - um campo escalar leve deve interagir com a matéria comum. Mesmo que essa interação seja frágil, deve ser possível detectá-la - mas eles não a encontraram. Obviamente, isso não é apenas um problema, mas também uma oportunidade - talvez os melhores experimentos encontrem "o poder da quintessência" e, finalmente, lidaremos com a energia escura.

De que outra forma podemos testar a idéia de quintessência?

Diretamente - use supernovas, apenas mais inteligentes. Em geral: construir um mapa da expansão do Universo com tanta precisão que se possa ver se a densidade da energia escura muda com o tempo. Geralmente isso é representado como uma tentativa de medir o parâmetro w da equação de estado da energia escura. Se w é -1, a energia escura é constante - essa é a energia do vácuo. Se w for ligeiramente superior a -1, a densidade da energia escura diminui. Se for um pouco menor que -1 (por exemplo, -1,1), a densidade da energia escura aumentará. Por muitas razões teóricas, isso é perigoso , mas ainda precisamos acompanhar isso.

O que é w?

É chamado de parâmetro da equação de estado, porque conecta a pressão da energia escura p com sua densidade de energia ρ, através de w = p / ρ. É claro que ninguém mede a pressão da energia escura, então a definição é bastante estúpida - mas esse é apenas um caso histórico. O que importa é como a energia escura muda com o tempo, mas na GTR isso está diretamente relacionado ao parâmetro da equação de estado.

Isso significa que a pressão da energia escura é negativa?

Exatamente. Pressão negativa significa que a substância puxa, não empurra, como uma mola alongada puxando para dentro de ambas as extremidades. Isso geralmente é chamado de tensão. Por isso, propus o termo "tensão suave" em vez de "energia escura", mas estava atrasado.

Por que a energia escura faz o universo acelerar?

Porque é constante. Einstein diz que a energia faz o espaço-tempo dobrar. No caso do Universo, essa curvatura se manifesta na forma de uma curvatura do espaço (e não do espaço-tempo) e da expansão do Universo. Medimos a curvatura do espaço, e é essencialmente zero. Portanto, energia constante leva a uma taxa de expansão constante. Em particular, o parâmetro Hubble é quase constante, e se você se lembrar da lei de Hubble, v = H * d, entenderá que, se H for quase constante, v aumentará devido ao aumento das distâncias. Lá está você.

Se pressão negativa é como tensão, por que não junta tudo e empurra para os lados?

Às vezes, você pode ouvir expressões como "a energia escura acelera o universo devido à pressão negativa". A rigor, é, mas é um pouco o oposto: essa expressão dá apenas a ilusão de entendimento. Dizem que "a força da gravidade depende da densidade e da pressão tripla; portanto, se a pressão for igual e oposta à densidade, a gravidade se repelirá". Parece razoável, mas ninguém lhe explicará por que a gravidade depende da densidade e da pressão tripla. E, em geral, não a força da gravidade depende disso, mas a expansão local do espaço.

A questão é "por que a tensão não une as coisas?" legítimo. A resposta é que a energia escura não pressiona nada e não puxa nada. Ele não interage com a matéria comum e é distribuído uniformemente no espaço; portanto, qualquer tensão que ela exercesse em uma direção seria compensada exatamente pela mesma coisa no oposto. O universo é acelerado pelo efeito indireto da energia escura, trabalhando através da gravidade.

De fato, a energia escura faz o universo acelerar porque é constante.

A energia escura se parece com a antigravidade?

Não. A energia escura não é antigravidade, mas simplesmente gravidade. Imagine um mundo com energia escura zero, com exceção de duas bolhas de energia escura. Essas duas bolhas não se repelem, elas são atraídas. Mas dentro das bolhas, a energia escura empurra o espaço e se expande. Tais são as maravilhas da geometria não euclidiana.

Esta é uma nova força repulsiva?

Não. Este é apenas um novo tipo de fonte de poder antigo - a gravidade. Não há novas forças.

Qual é a diferença entre energia escura e matéria escura?

Essas são coisas completamente diferentes. A matéria escura é uma partícula, ainda não descoberta por nós. Sabemos da sua existência, porque vemos como ela afeta, com a ajuda da gravidade, vários objetos (galáxias, aglomerados, estruturas em larga escala, radiação de relíquia). É 23% do universo. Mas, de fato, esse é o bom e velho assunto, apenas um que nós (até agora) não podemos resolver. Ele se acumula sob a influência da gravidade e se dissipa durante a expansão do Universo. A energia escura, por outro lado, não se acumula ou se dissipa. Não é feito de partículas, é algo completamente diferente.

Ou talvez não exista energia escura, basta corrigir ligeiramente a gravidade em uma escala cosmológica?

É possível Há pelo menos duas abordagens populares para essa idéia: f® gravity, que Mark Philips e eu ajudamos a desenvolver, e DGP gravity - Dvali, Gabadadze e Porati. A primeira abordagem é fenomenológica, simplesmente altera a equação do campo de Einstein, corrigindo a ação em quatro dimensões, e a segunda utiliza medidas adicionais que podem ser corrigidas apenas a grandes distâncias. Ambos têm problemas - não necessariamente intransponíveis, mas sérios - com novos graus de liberdade e a instabilidade que os acompanha.

Vale a pena considerar a gravidade modificada. Mas, como no caso da quintessência, ele cria mais problemas do que resolve, pelo menos por enquanto. Prefiro as seguintes previsões de chances de sucesso: constante cosmológica: 0,9, energia escura dinâmica = 0,09, gravidade modificada = 0,01.

O que a energia escura diz sobre o futuro do universo?

Depende do que é energia escura. Se é uma constante cosmológica eterna, o Universo continuará a se expandir, frio e vazio. Como resultado, não restará nada além de espaço vazio.

A constante cosmológica pode ser constante temporariamente; isto é, uma transição de fase pode ocorrer no futuro, após o que a energia do vácuo diminuirá. Então o universo pode recuar.

Se a energia escura é dinâmica, tudo é possível. Se for dinâmico e crescente (w menor que -1 sempre), podemos até obter uma grande lacuna .

O que vem depois?

Gostaríamos de lidar com a energia escura (ou gravidade modificada) através de observações cosmológicas aprimoradas. Isso significa medir o parâmetro da equação de estado, além de melhorar as observações de gravidade em galáxias e aglomerados para comparar diferentes modelos. Felizmente, enquanto projetos científicos ambiciosos estão sendo abandonados nos EUA, a Agência Espacial Européia está desenvolvendo um satélite para medir a energia escura . Desenvolvido e projetos de pesquisa baseados em terra, e um grande telescópio panorâmica (Large Telescope Pesquisa Synoptic) deve dar-nos um monte após o seu lançamento.

Mas a resposta pode ser chata - a energia escura será uma constante cosmológica simples. Este é apenas um número e o que pode ser feito com ele? Nesse caso, obviamente precisamos de teorias aprimoradas, bem como contribuições de fontes de dados empíricas relacionadas - aceleradores de partículas, pesquisas de quinta força, testes de gravidade - onde você puder obter informações sobre como o espaço-tempo e a teoria quântica de campos são combinados de maneira básica. nível.

O que é ótimo na ciência é que, no final do livro, não há respostas corretas; primeiro, você precisa se aprofundar. E a energia escura é um dos maiores desafios.

Perguntas freqüentes sobre energia escura