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dez 23

Estudo independente confirma: o destino do Universo é controlado pela Energia Escura

A Energia Escura atua inibindo o crescimento das galáxias

Há 10 anos o estudo das distantes supernovas tipo Ia originou a descoberta da energia escura que é considerada a responsável pela expansão acelerada do Universo. Agora, os cientistas confirmam a existência dessa misteriosa e repulsiva força, usando uma linha independente de experimentos e medições. As novas descobertas fornecem novas e consistentes provas para a teoria geral da relatividade estabelecida por Einstein e suportam a idéia que a energia escura é uma propriedade intrínseca e imutável do vácuo cósmico. Pela primeira vez, os astrônomos observaram claramente os efeitos da energia escura nos objetos colapsados mais massivos do Universo (os aglomerados de galáxias), usando o Observatório Chandra de raios-X da NASA. Rastreando como a energia tem impulsionado o crescimento dos aglomerados de galáxias e combinando isto com os estudos anteriores, os cientistas conseguiram as melhores evidências até o momento do que é a energia escura e qual será o real destino do Universo.

http://chandra.harvard.edu/photo/2008/darkenergy/

A imagem composta à esquerda é a do aglomerado estelar Abell 85, localizado a cerca de 740 milhões de anos-luz da Terra. Este aglomerado de galáxias é um dos 86 observados pelo Chandra para estudar como a energia escura reprimiu o crescimento destas estruturas massivas ao longo dos últimos 7 bilhões de anos. A emissão na cor violeta é originada pelo gás aquecido a milhões de graus de temperatura que foi detectado pelo observatório de raios-X Chandra da NASA. As demais cores mostram as galáxias em uma imagem ótica do SDSS – Sloan Digital Sky Survey. A ilustração à direita mostra flagrantes da simulação feita por Volker Springel representando o crescimento da estrutura cósmica quando o Universo tinha, respectivamente, 0,9 bilhões, 3,2 bilhões e 13,7 bilhões de anos de idade (agora). Essa imagem nos mostra como o Universo evoluiu de uma arquitetura suave para um estado contendo uma vasta quantidade de estruturas. O crescimento das estruturas foi inicialmente formatado predominantemente pela força atrativa da gravidade. Esta situação mudou há 5,5 bilhões de anos quando a interferência da força repulsiva gerada pela energia escura passou a dominar o cenário universal. Créditos: Raios-X – NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.; Ótico – SDSS; Illustração – MPE/V.Springel.

 

Os cientistas julgam que a energia escura é uma ‘força repulsiva’ que domina o Universo atual, embora não tenham nenhuma idéia clara do que consiste a energia escura, na realidade. Compreender a natureza da energia escura é um dos maiores problemas atuais da Cosmologia. A energia escura supostamente trabalharia contra a gravidade tentando empurrar a matéria em queda de volta, expandindo-a e inibindo o crescimento das galáxias. Segundo disse o astrofísico Alexey Vikhlinin, esses novos resultados reforçam mas não provam a suspeita de que a energia escura é uma estranha antigravidade denominada constante cosmológica, que é equivalente à ‘energia do espaço vazio’ e foi uma hipótese concebida e posteriormente abandonada por Albert Einstein, como “um engano”, há um século. Outras tentativas de explicar a natureza dessa estranha força incluem desde modificações na teoria da relatividade geral para grandes escalas até a criação de uma nova física, mais abrangente. Caso isso seja verdade (as evidências indicam que sim), qualquer que seja o modelo físico apropriado para explicá-la, o Universo está condenado a se esvaziar (inflar) e um dia no futuro (algo como 100 bilhões de anos) todas as galáxias (exceto as vizinhas do grupo local, mais próximas da Via Láctea) desaparecerão da nossa vista e ficarão fora do “Universo Observável.

O "Universo Observável" depende do ponto de vista do observador. A Terra está no centro de uma parte do Universo - aquele que podemos ver. Um ser de uma civilização extraterrestre vivendo em uma galáxia distante como a M87 iria ver uma parte distinta do Universo, a parte centrada nele. Em um Universo com idade estimada em 13,7 bilhões de anos nós só podemos ver até uma distância de 13,7 bilhões de anos-luz, ou seja, um subconjunto do Universo. Quanto mais longe vemos, mais voltamos no tempo. A luz leva 50 milhões de anos para chegar da galáxia M87 até nós e então vemos a situação da M87 há 50 milhões de anos atrás. O limite observável vai até quando o Universo tinha 300.000 anos de idade, quando o Universo tornou-se transparente e os fótons passaram a fluir.

O “Universo Observável” depende do ponto de vista do observador. A Terra está no centro de uma parte do Universo – aquele que podemos ver. Um ser de uma civilização extraterrestre vivendo em uma galáxia distante como a M87 iria ver uma parte distinta do Universo, a parte centrada nele. Em um Universo com idade estimada em 13,7 bilhões de anos nós só podemos ver até uma distância de 13,7 bilhões de anos-luz, ou seja, um subconjunto do Universo. Quanto mais longe vemos, mais voltamos no tempo. A luz leva 50 milhões de anos para chegar da galáxia M87 até nós e então vemos a situação da M87 há 50 milhões de anos. O limite observável vai até quando o Universo tinha cerca de 380.000 anos de idade, quando o Universo tornou-se transparente e os fótons passaram a fluir livremente. Este fótons compõem a radiação de microondas de fundo (CMB).

O astrofísico Alexey Vikhlinin e seus colegas do Observatório Astrofísico do Smithsonian em Cambridge, Massachusetts, mapearam o comportamento do crescimento de um conjunto de aglomerados de galáxias ao longo de bilhões de anos. Esses aglomerados massivos de poeira e gás cósmico são ligados entre si pela força da gravidade. Esse time de cientistas analisou as imagens em raios-X desses aglomerados originadas pelo observatório espacial Chandra de raios-X da NASA e concluiu que o crescimento dessas complexas e gigantescas estruturas galácticas tem sido atenuado desde 5,5 bilhões de anos atrás.

A batalha pela dominância do Universo

Esse período de 5,5 bilhões de anos é de fato um momento crucial na guerra entre a força repulsiva originada pela energia escura e o puxão atrativo gerado pela força gravitacional. Em outras palavras o Universo foi inflado de tal forma pela energia escura tornou-se muito difícil para a gravidade juntar a matéria dos aglomerados de galáxias afastados pela força repulsiva. Dessa forma não só os aglomerados de galáxias tiveram seus crescimentos atrofiados como também a formação de novos aglomerados foi prejudicada e declinou.

Os diversos cenários do Universo, da esquerda para a direita: contração, expansão linear e expansão acelerada

Os diversos cenários do Universo, da esquerda para a direita: contração, expansão linear e expansão acelerada

A cronologia do efeito da energia escura no crescimento dos aglomerados coincide com as descobertas feitas através da análise das supernovas distantes que haviam mostrado que a expansão do Universo que esteve desacelerada no passado remoto passou a se acelerar há 5,5 bilhões de anos atrás. Essas são duas fases distintas da história do Universo:

  • A era dominada pela matéria (a era anterior que findou há 5,5 bilhões de anos)
  • A era dominada pela energia escura (a era atual)

David Spergel, astrofísico da universidade de Princeton afirmou que a consistência entre os resultados obtidos pelas duas técnicas distintas “é um triunfo para a teoria da relatividade geral de Einstein”, a qual descreve a força gravitacional como uma propriedade intrínseca da geometria do espaço-tempo do Universo. As descobertas fornecem explicações alternativas consistentes para a expansão acelerada do Universo e levam os pesquisadores da ciência cosmológica um passo a frente no entendimento da energia escura.

A guerra das forças - a energia escura vence a gravidade: situação há 9 bilhões de anos atrás, há 4 bilhões de anos e hoje.

A guerra das forças – a energia escura vence a gravidade: situação há 9 bilhões de anos atrás, há 4 bilhões de anos e hoje.

O que foi estudado pelos cientistas do Smithsonian?

Vikhlinin e seus colegas usaram o observatório espacial de raios-X Chandra para avaliar 86 aglomerados  de galáxias previamente localizados pelo satélite Rosat (1990-1999). Um dos conjuntos consistia de 37 aglomerados de galáxias distantes cerca de cinco bilhões de anos-luz, a quase metade do caminho até ao “limite” conhecido do “Universo Observável”. O outro grupo continha 49 aglomerados de galáxias distantes cerca de meio bilhão de anos-luz ou mais próximos. Suas massas, determinadas pela extensão das imagens de raios-X e seus espectros, variavam do equivalente a 100 trilhões de vezes a massa do Sol até quintilhões de massas solares.

Assim, pela primeira vez os astrônomos observaram claramente os efeitos da energia escura nos objetos colapsados mais massivos do Universo. Ao estudar como a energia escura inibiu o crescimento dos aglomerados de galáxias, em combinação com outros estudos anteriores, os cientistas obtiveram as melhores evidências sobre o que a energia escura representa e qual será o destino do Universo.

Este trabalho, que demorou anos para ser realizado, é diferente de outros métodos de pesquisa de energia escura como, por exemplo, a técnica que utiliza as supernovas tipo Ia como velas cósmicas. Estes novos resultados em raios-X providenciam um teste independente e crucial da energia escura, há muito perseguido pelos cientistas, que depende sobre como a gravidade compete com a expansão acelerada no crescimento das estruturas cósmicas. Outras técnicas baseadas em medições de distâncias, tais como os trabalhos que se baseiam no estudo das supernovas tipo Ia, não têm esta sensibilidade especial.

Para ajudar a decidir entre estas opções, é necessária uma nova maneira de se olhar para a energia escura. Ao observarmos como a aceleração cósmica afeta o crescimento de aglomerados de galáxias com o passar do tempo, uma nova ‘visão cósmica’ do problema é enfim alcançada. “Este resultado pode ser chamado de ‘desenvolvimento restrito do Universo‘”, disse Vikhlinin. “O que quer que esteja forçando a expansão acelerada do Universo, está também forçando uma diminuição na velocidade do seu desenvolvimento”.

Visão do Universo desde o big-bang passando pelo momento atual e a visão do futuro

Visão do Universo desde o big-bang (inflação) passando pela era dominada pela gravidade (slowing expansion), pelo momento atual (expansão acelerada) e no topo o destino do Cosmos

Os resultados mostram que o incremento de massa dos aglomerados de galáxias ao longo do tempo se alinha com a tese do Universo dominado pela energia escura. Torna-se bem mais difícil para os objetos massivos como os aglomerados de galáxias crescerem quando o espaço se estica (infla, expande), devido à atuação da energia escura. Vikhlinin e sua equipe viram este efeito claramente nos dados analisados. Os resultados são notavelmente consistentes com aqueles dos trabalhos de medição das distâncias, revelando que a teoria da relatividade geral também se aplica perfeitamente, como esperado, em grandes escalas.

“Durante anos, os cientistas quiseram começar a testar como funciona a gravidade em grandes escalas e agora finalmente começamos”, disse William Forman, co-autor deste estudo do Observatório Astrofísico do Smithsonian. “Este é um teste em que a relatividade geral poderia ter fracassado [mas isto não ocorreu]”.

Comparando os dados do estudo aos modelos de evolução cósmica, Vikhlinin e equipe constataram que os aglomerados com maior massa representam apenas 20% do número que deveria existir, hoje, se não existisse a energia escura no Universo. Os aglomerados de galáxias “continuam crescendo, mas muito devagar”, afirmou Vikhlinin.

Quando combinado com outras pistas — supernovas, o estudo da radiação cósmica de fundo e a distribuição das galáxias –, este novo resultado em raios-X dá aos cientistas a melhor compreensão até à data das propriedades da energia escura.

Os novos resultados em raios-X sobre os aglomerados (combinados com as medições das supernovas tipo Ia, os resultados do WMAP sobre a radiação de fundo de microondas remanescente do Big Bang e a distribuição das galáxias) oferecem aos cientistas a melhor compreensão até hoje sobre as propriedades da energia escura.

O estudo fortalece as evidências de que a energia escura está associada à constante cosmológica. Embora a constante cosmológica seja o principal candidato para explicar a energia escura, os trabalhos teóricos sugerem que esta deva ser cerca de 10120 (10 elevado a potência 120) vezes maior que a observada. Por isso, estão sendo exploradas alternativas à teoria da relatividade geral, tais como as teorias que envolvem dimensões escondidas.

“Agrupar todos estes dados nos dá uma evidência mais forte que a energia escura é, de fato, a constante cosmológica, ou em outras palavras, que ‘o nada pesa algo’”, afirma Vikhlinin. “Serão necessários muitos mais testes, mas até agora a teoria de Einstein tem se revelado completamente confiável”.

Estes resultados acarretam conseqüências extraordinárias para a previsão do destino final do Universo. Se a energia escura é explicada pela constante cosmológica, a expansão do Universo continuará acelerando e a Via-Láctea e a sua galáxia vizinha, Andrômeda, nunca se fundirão com o aglomerado de Virgem. Nesse caso, em aproximadamente cem bilhões de anos, todas as outras galáxias desaparecerão da visão da Via Láctea (já unida a Andrômeda em uma só mega-galáxia) e finalmente, o superaglomerado local de galáxias também se desintegrará.

Os trabalhos de Vikhlinin e seus colegas serão publicados em dois artigos distintos no exemplar de 10 de fevereiro de 2009 da revista científica The Astrophysical Journal.

O Centro de Vôo Espacial Marshall da NASA em Huntsville, Alabama, coordena o programa Chandra para o Conselho da Missão Científica da NASA em Washington. O Observatório Astrofísico Smithsoniano controla as operações científicas e de vôo do Chandra a partir de sua base em Cambridge, Massachusetts.

Fontes e referências

Science Daily: Dark Energy Found Stifling Growth In Universe

Chandra press release: Dark Energy Found Stifling Growth in Universe

NASA – Marshall Space Flight Center: Dark Energy Found Stifling Growth in Universe por:

JD Harrington – Headquarters, Washington – j.d.harrington@nasa.gov
Jennifer Morcone – Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala. – Jennifer.J.Morcone@nasa.gov
Megan Watzke – Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass. – cxcpress@cfa.harvard.edu

NASA, WMAP: Timeline of the Universe

Scientific American: Beyond the Shadow of a Doubt? Dark Energy Independently Confirmed

Scientific American: Discovering a Dark Universe – A Q&A with Saul Perlmutter.Dark energy is pushing the universe apart at an ever faster rate. Astrophysicist Saul Perlmutter recounts the experimental approaches he took to make that discovery. Por David Appell

Scientific American: Dark Forces at Work. Ten years ago two teams discovered that the universe will expand forever at an ever faster rate, thanks to an unseen energy. The leader of one of the groups, Saul Perlmutter, expects that new observations will soon illuminate the universe’s dark side. Por David Appell

Universe Today: No “Big Rip” in our Future: Chandra Provides Insights Into Dark Energy por Nancy Atkinson

ArXiv.org: Chandra Cluster Cosmology Project III: Cosmological Parameter Constraints

Autores: A.Vikhlinin, A.V.Kravtsov, R.A.Burenin, H.Ebeling, W.R.Forman, A.Hornstrup, C.Jones, S.S.Murray, D.Nagai, H.Quintana, A.Voevodkin

Nature.com Blog: New clues for dark energy

Astro.Iag.Usp: Constante Cosmológica e Energia Escura aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A Inflação (cósmica) aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A relatividade geral e a cosmologia aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A expansão do Universo aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: O Big-Bang – aula por Ronaldo E. de Souza

A linha do tempo desde o Big-Bang - representação gráfica da evolução do Universo ao longo de 13,7 bilhões de anos: à esquerda está representado o momento mais cedo que hoje podemos medir, quando um período de “inflação” produziu uma expansão de crescimento exponencial no Universo (o tamanho está representado pela largura vertical da grade ilustrada no infográfico). Nos bilhões de anos seguintes, a expansão o Universo gradualmente reduziu-se através da atração gravitacional exercida pela matéria sobre si mesma. Mais a frente a expansão começou a acelerar-se novamente em decorrência da predominância da energia escura atuando sobre a expansão do Universo. A radiação de fundo primordial (CMB) detectada pelo WMAP foi emitida cerca de 380.000 anos após a era da inflação quando o Universo deixou de ser opaco e tornou-se transparente permitindo que a radiação fluísse livremente. A assinatura do Universo primordial, anterior aos 380.000 anos, está presente na CMB que fornece o pano de fundo para o desenvolvimento do Universo. Crédito: NASA/WMAP Science Team

A linha do tempo desde o Big-Bang – representação gráfica da evolução do Universo ao longo de 13,7 bilhões de anos: à esquerda está representado o momento mais cedo que hoje podemos medir, quando um período de “inflação” produziu uma expansão de crescimento exponencial no Universo (o tamanho está representado pela largura vertical da grade ilustrada no infográfico). Nos bilhões de anos seguintes, a expansão o Universo gradualmente reduziu-se através da atração gravitacional exercida pela matéria sobre si mesma. Mais a frente a expansão começou a acelerar-se novamente em decorrência da predominância da energia escura atuando sobre a expansão do Universo. A radiação de fundo primordial (CMB) detectada pelo WMAP foi emitida cerca de 380.000 anos após a era da inflação quando o Universo deixou de ser opaco e tornou-se transparente permitindo que a radiação fluísse livremente. A assinatura do Universo primordial, anterior aos 380.000 anos, está presente na CMB que fornece o pano de fundo para o desenvolvimento do Universo. Crédito: NASA/WMAP Science Team

._._.

3 comentários

5 menções

  1. Caramba! Este foi um dos posts mais detalhados.

    As imagens são fundamentais até mesmo para que pessoas como eu que estou iniciando não perderem a motivação de concluir a leitura.

    Parabéns!

    1. ROCA

      Geraldo,
      De fato este post é um dos meus favoritos!
      Obrigado.

  2. helcio gonçalves

    muito bom obrigado

    helcio

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