A ideia do artista daqueles tempos do Universo em que as primeiras estrelas foram formadas. Por causa de sua luz e fusão, eles emitem radiação, tanto eletromagnética quanto gravitacional. Mas a conversão da matéria em energia é capaz de criar antigravidade?Existem quebra-cabeças no caminho de nosso conhecimento do Universo, cuja resposta ainda é desconhecida para qualquer pessoa. Matéria escura, energia escura, inflação cósmica - todas essas idéias são incompletas e não sabemos que tipo de partículas ou campos são responsáveis por elas. É possível, embora a maioria dos profissionais considere improvável que um ou mais desses quebra-cabeças possam ter uma solução fora do padrão que nenhum de nós espera.
Pela primeira vez na história da coluna "Ask Ethan", recebi uma
pergunta de um ganhador do Nobel -
John Cromwell Mather - que quer saber se as estrelas, convertendo massa em energia, podem ser responsáveis pelos efeitos atribuídos à energia escura:
O que acontece com a gravidade que uma massa em fuga exerce no processo de convertê-la em luz e neutrino por reações nucleares que ocorrem nas estrelas, ou quando a massa se reúne em um buraco negro, ou quando se transforma em ondas gravitacionais? Em outras palavras, as ondas gravitacionais, ondas eletromagnéticas e neutrinos são uma fonte de gravidade que corresponde exatamente à massa existente anteriormente que se transformou nelas, ou não?
Ideia impressionante. Vamos descobrir o porquê.
Ilustração artística da fusão de duas estrelas de nêutrons. A grade de espaço-tempo coberta por ondas representa ondas gravitacionais emitidas durante uma colisão, e os raios são jatos de raios gama que disparam alguns segundos após as ondas gravitacionais (os astrônomos os detectam na forma de explosões de raios gama ). Nesse caso, a massa se transforma em dois tipos de radiação.Na teoria geral da relatividade de Einstein, um modelo do Universo que fornece soluções exatas pode ser construído de apenas algumas maneiras. Podemos descrever com precisão o espaço-tempo em um universo absolutamente vazio. Se você colocar uma única massa em um universo vazio, a tarefa se tornará muito mais complicada, mas a solução ainda poderá ser anotada. E se você colocar a segunda massa em tal universo, a tarefa não será resolvida. Só podemos fazer estimativas e tentar chegar a uma solução numérica. Essa propriedade irritantemente complexa do espaço-tempo, que é tão difícil de descrever com precisão, nos faz usar um enorme poder computacional, esforço em pesquisa teórica e gastamos muito tempo para modelar corretamente a fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons registrados pelo
LIGO .
O trabalho da gravidade é determinado não apenas pela localização e magnitude das massas, mas também pela maneira como essas massas se movem uma em relação à outra e aceleram em um campo gravitacional que muda com o tempo. Na relatividade geral, um sistema contendo mais de uma massa não pode ser determinado com precisão.Um dos poucos casos em que podemos encontrar a solução exata, descreve um universo preenchido com uma quantidade igual de "substância" em todos os lugares e em todas as direções. Não importa que tipo de "substância" seja. Pode ser um conjunto de partículas, um líquido, radiação, uma propriedade do próprio espaço, um campo com as propriedades desejadas. Pode ser uma mistura de coisas diferentes, por exemplo, matéria normal, antimatéria, neutrinos, radiação e até matéria escura misteriosa e energia escura.
Se isso descreve seu universo, e você sabe em que proporções possui todas essas substâncias, você só precisa medir a velocidade de expansão do universo. Depois disso, você aprenderá imediatamente como ela se expandiu ao longo de sua vida e se expandirá no futuro. Se você souber em que consiste o universo e como ele está se expandindo hoje em dia, poderá descobrir o destino de todo o universo.
As variantes esperadas do desenvolvimento do Universo (os três primeiros) correspondem a um universo no qual matéria e energia lutam com a taxa inicial de expansão. Em nosso universo observável, a aceleração cósmica está associada a algum tipo de energia escura, atualmente inexplicável. Todos esses universos são governados pelas equações de Friedman .Realizando esses cálculos com base no Universo observado por nós hoje, obtemos que ele consiste em:
- 68% de energia escura
- 27% de matéria escura
- 4,9% da matéria normal
- 0,1% de neutrinos
- 0,01% de radiação
E uma quantidade insignificante de outros componentes: curvatura, antimatéria, cordas cósmicas e tudo o mais que você possa imaginar. A incerteza total nas quantidades dos componentes listados não excede 2%. Também aprendemos o destino do Universo - que ele se expandirá para sempre - e sua idade: 13,8 bilhões de anos a partir do Big Bang. Esta é uma conquista notável da cosmologia moderna.
Linha do tempo ilustrada para a história do universo. Se a quantidade de energia escura é pequena o suficiente para permitir a formação das primeiras estrelas, a aparência no universo dos ingredientes necessários para a vida é quase inevitável. E nossa existência confirma esse fato.Mas todos esses cálculos são realizados com base em nosso modelo do universo, aproximando a distribuição uniforme de substâncias por todo o universo em todas as direções. No universo real, como você deve ter notado, tudo desmorona. Existem planetas, estrelas, aglomerados de gás e poeira, plasma, galáxias, aglomerados de galáxias e os
grandes fios cósmicos que os conectam. Existem enormes
vazios cósmicos, às vezes se estendendo a bilhões de anos-luz. Um universo matematicamente perfeitamente uniforme é chamado de homogêneo, e nosso universo é surpreendentemente não homogêneo. É possível que todas as nossas idéias, com base nas quais tiramos as conclusões indicadas, estejam incorretas.
Simulações (vermelho) e observações de galáxias (azul / magenta) mostram os mesmos padrões de aglomerados em grandes escalas. Em pequena escala, o universo não é homogêneo.No entanto, na maior escala, o Universo é homogêneo. Se você observar as pequenas escalas, do tamanho de uma estrela, galáxia ou aglomerado galáctico, encontrará a presença de áreas com densidade muito maior ou menor em comparação com o valor médio. Mas se você estuda a escala do tamanho de 10 bilhões de anos-luz, o Universo parece, em média, aproximadamente o mesmo em todos os lugares. Nas escalas maiores, o Universo é mais de 99% homogêneo.
Felizmente, podemos avaliar numericamente quão boas (ou ruins) são nossas suposições, calculando o resultado da exposição a distúrbios não homogêneos sobre a homogeneidade em larga escala. Eu mesmo fiz
esses cálculos em 2005 e descobri que a contribuição da não homogeneidade para a taxa de expansão não excede 0,1% e que não se comporta como a matéria escura.
Contribuições fracionárias da energia potencial gravitacional W (linha com um longo traço) e energia cinética K (linha sólida) para a densidade total de energia do Universo, construída em função da expansão passada e futura do Universo, onde há matéria, mas não há energia escura. Uma pequena linha tracejada indica a soma das contribuições de fatores não homogêneos. As linhas tracejadas mostram os resultados obtidos a partir da teoria das perturbações lineares.Mas mais uma possibilidade está relacionada a esses cálculos - certos tipos de energia podem mudar de uma forma para outra ao longo do tempo. Em particular, graças a:
- queima de combustível nuclear dentro de estrelas,
- o colapso gravitacional das nuvens se transformando em objetos densos,
- a fusão de estrelas de nêutrons e buracos negros,
- abordagem em espiral de muitos sistemas gravitacionais,
matéria ou massa pode se transformar em radiação ou energia. Em outras palavras, é possível mudar o comportamento da gravidade no Universo e influenciar sua expansão (ou compressão) ao longo do tempo.
Embora tenhamos observado a fusão de buracos negros no Universo muitas vezes, sabemos que existem ainda mais deles. O LISA nos permitirá prever, às vezes em alguns anos, quando exatamente ocorrerá a fusão de buracos negros supermassivos.Quando dois buracos negros se fundem, uma parte bastante significativa da massa pode se transformar em energia: carne até 5%. Na primeira fusão de dois buracos negros descobertos pelo LIGO, BHs em 36 massas solares e BHs em 29 massas solares se fundiram e formaram um BH com 62 massas solares. O que aconteceu com 3 massas solares? Eles se transformaram em energia na forma de ondas gravitacionais, de acordo com E = mc
2 de Einstein.
Portanto, a questão se resume ao seguinte: como a transição da massa para a radiação afeta a expansão do universo? Em um
trabalho recente, Nick Gorkavy e Alexander Vasilkov afirmam que ele pode criar uma força repulsiva e anti-gravidade.
Simulação computacional da fusão de dois buracos negros, gerando ondas gravitacionais. Quando a massa se transforma em radiação, a força repulsiva é possível?Infelizmente, esta afirmação é baseada no que parece ser apenas anti-gravidade. Quando temos uma certa quantidade de massa, experimentamos uma certa atração gravitacional por ela: isso é verdade tanto na teoria de Einstein quanto na teoria da gravidade de Newton. Se você transformar a massa em energia e a irradiar na velocidade da luz, com a qual toda a radiação sem massa se move, então, quando essa radiação passar por nós, descobriremos que a força da atração pela massa enfraqueceu subitamente.
A curvatura do espaço-tempo muda e, quando experimentamos uma atração gravitacional de certa magnitude, começaremos a experimentar uma atração 5% menos. Matematicamente, isso é equivalente ao aparecimento de uma força repulsiva e anti-gravitacional no sistema. Mas, de fato, você experimentará essa atração reduzida devido à conversão de massa em energia, e a gravidade da radiação age de maneira diferente (especialmente quando ela passou por você). Isso foi
descrito com muita clareza [em resposta ao trabalho acima].
Qualquer objeto ou forma, física ou não-física, será distorcida quando as ondas gravitacionais passarem por ele. Toda vez, quando uma grande massa se move com aceleração por uma seção do espaço-tempo curvo, as ondas gravitacionais se tornam uma conseqüência inevitável desse movimento. No entanto, podemos calcular o efeito dessa radiação no espaço, e isso não leva à repulsão nem à expansão acelerada.Podemos ir ainda mais longe e calcular como essa transformação afeta todo o universo! Podemos avaliar numericamente a contribuição das ondas gravitacionais para a densidade de energia do Universo, e
que parte da energia do Universo é radiação de todos os tipos . A radiação, como a massa, é quantizada, portanto, com um aumento no volume do Universo (como a distância em um cubo), a densidade de partículas diminui (inversamente proporcional ao cubo de distância). Mas, diferentemente da massa, a radiação tem um comprimento de onda e, com a expansão do espaço, esse comprimento aumenta e a frequência diminui inversamente com a distância. A radiação se torna gravitacionalmente menos importante mais rapidamente do que a matéria.
Também precisamos obter a equação correta de estado. A matéria e a radiação mudam com o tempo, mas a energia escura mantém uma densidade constante no espaço à medida que o universo se expande. Avançando no tempo, vemos que o problema só está piorando; a energia escura domina cada vez mais, a matéria e a radiação se tornam cada vez menos importantes.
A matéria e a radiação carregam uma força atraente e desaceleram o Universo, mas nenhum desses fenômenos pode permanecer dominante na densidade de energia enquanto o Universo se expande.
Área sombreada azul - possíveis incertezas na densidade da energia escura no passado e no futuro. Os dados indicam que essa é uma constante constante cosmológica, enquanto não abandonamos outras possibilidades. Infelizmente, a conversão da matéria em energia é incapaz de desempenhar o papel da energia escura; o que antes se comportava como matéria agora se comporta como radiação.Se queremos criar um universo com expansão acelerada, a julgar pelo nosso melhor conhecimento, precisaremos de uma nova forma de energia, diferente da já conhecida. Chamamos essa forma de energia escura, embora não tenhamos 100% de certeza de sua natureza.
No entanto, apesar de nossa ignorância nessa área, podemos determinar muito claramente o que não é a energia escura. Estas não são estrelas queimando seu combustível; não importa emitir ondas gravitacionais; estas não são conseqüências do colapso gravitacional; não é o resultado de fusões ou reaproximações em espiral. É possível que alguma nova lei da gravidade acabe substituindo as leis de Einstein, mas no contexto da relatividade geral, é impossível explicar nossas observações atuais com a ajuda da física conhecida. Temos que descobrir algo verdadeiramente novo.