Pergunte a Ethan: a energia escura pode levar a uma repetição do ciclo de vida do universo?

Há alguma semelhança sobrenatural com o início do nosso Universo - o período da inflação cósmica e a determinação do destino final do Universo pela expansão acelerada da matéria escura. Involuntariamente, você começará a refletir se eles estão relacionados. Nesta semana, selecionei uma pergunta do leitor de Andrew Gillette, perguntando:

Se a inflação eterna é verdadeira, a energia escura pode ser um precursor do retorno a esse estado original?

Isso não é apenas possível, a energia escura não depende da correção da teoria da inflação perpétua. Vamos começar com o estágio que precedeu o início do Universo e preparamos sua ofensiva: com inflação cósmica.


A temperatura do universo é a mesma em todo lugar, mesmo em partes causalmente independentes do céu

Quando o universo familiar, cheio de matéria e radiação, começou a existir, algumas de suas propriedades iniciais eram bastante estranhas e, em princípio, não precisavam ser assim. Era espacialmente plano, em todos os lugares tinha a mesma temperatura, não possuía relíquias de energias extremamente altas e tinha uma imagem muito específica de regiões de alta e baixa densidade. É possível que o Universo tenha nascido exatamente com essas propriedades, mas a idéia da inflação cósmica é que, se o Universo começasse com um período de expansão exponencial, durante o qual o espaço tivesse energia interna, e esse período terminasse, o Big Bang teria acabado com essas propriedades. . Levou muitos anos para calcular corretamente todas as conseqüências dessa idéia e ainda mais tempo para obter sua confirmação a partir de dados sobre flutuações do CMB. Mas agora, a inflação cósmica é o primeiro processo do qual temos evidências.



A inflação perpétua é uma ideia relacionada à inflação com base em uma propriedade na qual você provavelmente raramente pensou. Geralmente, qualquer processo transitório natural - por exemplo, uma chaleira com água quente passando do estado líquido para o gasoso - ocorre em vários locais ao mesmo tempo, e esses locais se expandem e depois se fundem. No caso de água fervente, chamamos isso de "percolação", o aparecimento de pequenas bolhas abaixo, unindo-se ao longo do caminho, e quando chegam à superfície, elas se tornam grandes. Mas há um problema com a inflação: as regiões nas quais a inflação não terminou continuam a se expandir exponencialmente, o que impede que as regiões onde ela terminou "se infiltrem". Consequentemente, nosso Universo observável deveria aparecer dentro de toda a bolha em que a inflação terminava, e não de várias bolhas que se fundiam.



Mas no extremo oposto do espectro há um fato de aceleração da expansão do Universo. A melhor explicação para isso, que corresponde à realidade medida com a maior precisão disponível, é que a pequena energia é inerente ao próprio espaço: chamamos isso de energia escura. Essa energia é onipresente, está igualmente presente em todos os lugares e é extremamente pequena: se você a converter em massa através do E = mc ^{2 de} Einstein, obterá o equivalente a um próton por metro cúbico. Mas o espaço não é apenas enorme, também está em expansão! Então, com o tempo, essa energia escura se torna mais importante e, como resultado, após 8 bilhões de anos, levou a uma aceleração da expansão do Universo, e mais tarde se tornou a energia dominante.



Esses dois períodos podem parecer diferentes: inflação e expansão acelerada algum tempo após o início. De fato, a ordem das energias difere em cerca de 10 ¹²⁰ vezes, isto é, extremamente! Mas ambos lidam com a energia inerente ao próprio espaço, fazem com que o tecido do cosmos se expanda exponencialmente e, com o tempo, de frações de segundo no caso da inflação a trilhões de anos no caso da energia escura, eles levarão tudo o que não estiver conectado em uma estrutura integral. Existem muitos modelos tentando combinar esses processos, conhecidos como quintessência.

Então, quais são as possibilidades do universo para repetir o ciclo de sua existência? Até agora, existem dois bons candidatos.



1) Se a energia escura é uma constante cosmológica, pode se transformar em energia residual do período de inflação em que tudo começou. Nesse caso, não há razão para que ela não decaia para um estado de energia ainda mais baixo ao longo do tempo. Talvez isso dê origem a um grande número de partículas de massa extremamente pequena, como neutrinos, axiões ou algo ainda mais exótico, que provavelmente será capaz de se unir para formar seus análogos de estrelas, planetas ou até pessoas em uma escala de tempo suficientemente grande. Só porque é inacessível para nós, isso não significa que é impossível, e esse é um dos destinos prováveis ​​do Universo em grandes escalas de tempo, mesmo que demore anos nos próximos anos.

2) A energia escura pode não ser uma constante cosmológica, mas pode aumentar sua força ao longo do tempo. Nesse caso, ele continuará a crescer, o que levará a um cenário de "grande hiato" no qual cada estrutura conectada do Universo acabará sendo quebrada. Mas, de acordo com o roteiro de Eric Gawiser , é possível que, no último momento - quando o próprio espaço está prestes a estourar - essa energia inerente ao espaço, indistinguível da inflação, faça a transição para o quente Big Bang! O cenário do Universo “restaurado” pode ser uma realidade não apenas para o nosso futuro distante, mas também para o nosso passado - por causa disso, o Universo pode ser muito mais antigo do que parece, e talvez até infinitamente antigo!



Até agora, a melhor evidência disponível indica que a energia escura é uma constante cosmológica, ou seja, O cenário 2 não funciona. Se não houver um estado de energia mais baixo, o 1º cenário é excluído - mas até agora não temos informações suficientes para excluir nenhum deles. Se eu tivesse que escolher, diria que uma transição para um nível de energia mais baixo é mais provável, mas nossos dados suportam melhor a idéia de energia escura como uma constante cosmológica real. Mas até que isso seja definitivamente confirmado, é necessário estar preparado para qualquer oportunidade!

As missões EUCLID , WFIRST e LSST nos ajudarão a medir a energia escura com uma precisão ainda maior, o que deve fornecer argumentos a favor ou contra as duas possibilidades mencionadas, e os desenvolvimentos na física teórica de alta energia podem nos dizer mais sobre a primeira possibilidade. De qualquer forma, a resposta à pergunta de Andrew é que a energia escura pode anunciar o retorno do Big Bang quente depois de um estado semelhante à inflação, mas isso não depende da natureza eterna da inflação em si!