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maio 13

O dia em que o Universo foi paralizado: novo modelo cosmológico para a energia escura

O destino final do Universo depende da exata natureza da energia escura. Dependendo de suas propriedades, Se a densidade de energia escura for constante, a expansão continuará a acelerar para sempre resultando no 'Big Freeze'. Se aumentar, a aceleração da expansão pode ser tão rápida que as galáxias, estrelas, planetas e mesmo os átomos sejam completamente desintegrados, o chamado 'Big Rip'. Finalmente, se a densidade de energia escura diminuir com o tempo, o universo pode colapsar, o chamado 'Big Crunch'. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss / Portal do Astrônomo

O destino final do Universo depende da exata natureza da energia escura. Dependendo de suas propriedades, Se a densidade de energia escura for constante, a expansão continuará a acelerar para sempre resultando no 'Big Freeze'. Se aumentar, a aceleração da expansão pode ser tão rápida que as galáxias, estrelas, planetas e mesmo os átomos sejam completamente desintegrados, o chamado 'Big Rip'. Finalmente, se a densidade de energia escura diminuir com o tempo, o universo pode colapsar, o chamado 'Big Crunch'. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss / Portal do Astrônomo

Imagine um momento em que o Universo inteiro esteve paralisado. De acordo como o novo modelo para a energia escura, isso é essencialmente o que aconteceu há cerca de 11,5 bilhões de anos, quando o Universo tinha ¼ do tamanho atual.


O novo modelo publicado em 06 de maio de 2009 no jornal Physical Review D, foi desenvolvido pelo pesquisador associado Sourish Dutta e o professor de física Robert Scherrer na Universidade de Vanderbilt, os quais trabalharam junto com o Professor de física Stephen Hsu e o estudante David Reeb da Universidade do Oregon.

Cerca de 70% do Universo é composto de energia escura, cuja natureza é ainda um enigma para os físicos. Crédito:NASA

Cerca de 70% do Universo é composto de energia escura, cuja natureza é ainda um enigma para os físicos. Crédito:NASA

Uma fase cosmológica de transição, similar a um congelamento (ou paralisação), é um dos aspectos notórios deste recente esforço explicar o papel da energia escura – essa misteriosa força negativa que os cosmologistas consideram dominar e controlar o Universo com mais de 70% de toda a energia+matéria do cosmos. A energia escura tem empurrando o Universo em uma expansão acelerada.

Outra faceta que difere essa nova formulação das teorias existentes é a previsão testável que descreve a taxa de expansão do Universo. Em adição, as micro-explosões criadas em aceleradores de partículas de grande porte poderão excitar o campo da energia escura e essas excitações poderão eventualmente criar partículas exóticas, nunca antes detectadas.

“Uma das grandes insatisfações sobre as diversas explicações existentes para a energia escura é que trata-se de algo difícil de testar”, disse Scherrer, “Nós desenhamos um modelo que pode interagir com a matéria convencional (bariônica) e assim obter conseqüências observáveis”.

O novo modelo associa a energia escura a uma entidade denominada ‘energia do vácuo’. Como diversas teorias existentes, esta propõe que o espaço por si próprio é a fonte da energia repulsiva que está empurrando o Universo em expansão. Por muitos anos os cientistas atribuíram o valor ZERO a ‘energia do vácuo’. Mas com o surgimento da mecânica quântica essa visão foi alterada. De acordo com a teoria da mecânica quântica, o espaço vazio é preenchido com pares de partículas ‘virtuais’ que espontaneamente e aleatoriamente surgem e desaparecem muito rapidamente para serem detectadas.

Essa atividade subatômica é uma fonte lógica da energia escura uma vez que ambas estão espalhadas através do espaço cósmico. Essa distribuição é consistente com a evidência que a densidade média da energia escura tem se mantido constante à medida que o Universo se expandiu. Essa característica está em contraste direto com a matéria convencional e a energia associada, que se tornaram cada vez mais diluídas à medida que o Universo se inflou.

Essa nova teoria é mais uma das que atribuem a energia escura como um novo campo de pesquisa denominado quintessência. A quintessência é comparável a outros campos básicos como a gravidade e eletromagnetismo, mas tem propriedades intrínsecas únicas. Uma delas é a sua homogeneidade através do Universo, ou seja, ela se apresenta com a mesma força em todos os pontos do espaço. Outra importante característica é a sua atuação como um agente anti-gravitacional, empurrando os objetos cósmicos (nesse caso: galáxias e aglomerados de galáxias) para longe uns dos outros ao invés de tentar aproximá-los como a gravidade atua.

Em sua forma mais simples a força do campo quintessencial permanece constante através do tempo. Nesse caso esse campo de força perfaz o papel da constante cosmológica, um termo que Albert Einstein adicionou a Teoria da Relatividade Geral para justificar que o Universo não iria se contrair sob a força gravitacional. Quando as evidências de que o Universo está efetivamente se expandindo surgiram Einstein abandonou esse termo (constante cosmológica) das suas equações considerando que a expansão universal é uma das soluções das equações da Teoria da Relatividade Geral. Recentemente, ao final dos anos 90,  estudos sobre os comportamentos das supernovas tipo Ia (explosões extraordinárias de estrelas, tão poderosas que seu brilho é consegue ofuscar a luminosidade da galáxia inteira onde o fenômeno ocorreu, onde residem bilhões de estrelas) indicaram que o Universo não só está se expandindo mas também que a taxa de expansão é acelerada, ao contrário das expectativas anteriores dos cientistas que pensavam que a expansão estaria sendo freada pela gravidade…

Tais constatações abalaram a cosmologia uma vez que se pensava até então que a gravidade era a única força efetiva de interação entre objetos astronômicos (a força eletromagnética atua de forma localizada e não chega e influir em distâncias astronômicas uma vez que em geral os objetos cósmicos apresentam-se com carga total neutra. Além disso, as forças ‘forte’ e ‘fraca’ só atuam no microcosmo das partículas subatômicas). Assim posto, os cosmologistas no século XX não tinham idéia de que entidade cosmológica de fato poderia estar impulsionando a expansão do Universo.  O modo mais simples de explicar esse fenômeno bizarro era trazer de volta o conceito da ‘constante cosmológica’, abandonado por Einstein no início do século, atribuindo ao mesmo propriedades anti-gravitacionais. Infelizmente essa explicação tem suas fraquezas, assim os físicos tem buscado ativamente por outras explicações sobre possíveis agentes anti-gravitacionais.

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

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Esses agentes anti-gravitacionais (chamados de ‘modelos de energia escura’, na literatura técnica) em geral invocam os conceitos da quintessência ou campos de energia mais exóticos. Por outro lado, nenhum desses campos energéticos teóricos já foi devidamente detectado na natureza. Entretanto os físicos assumem que os campos de energia escura não interagem significativamente com a matéria convencional e a radiação.

Uma das conseqüências de se considerar a interação da quintessência com a matéria convencional é a teoria que o ‘campo de energia escura’ atravessou uma fase de transição – o congelamento – quando o Universo se esfriou a uma determinada temperatura quando sua idade chegou a 2,2 bilhões de anos após o Big Bang. Como resultado disso a densidade de energia do campo quintessencial teria permanecido em um nível relativamente alto até a transição de fase quando abruptamente caiu em um nível inferior de energia e tem permanecido assim desde então.

Essa transição teria liberado uma fração da energia escura armazenada no campo sob a forma de ‘radiação escura’. De acordo com o novo modelo cosmológico, essa radiação escura é distinta da radiação convencional que conhecemos como a luz, ondas de rádio, raios-X, microondas, raios ultravioleta e infravermelho, raios gama e outros tipos. Ela é completamente indetectável por quaisquer instrumentos já construídos pela humanidade até agora. Entretanto a natureza provê um método de detecção. De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, a gravidade é produzida pela distribuição da energia e do momento. Assim, as mudanças nos diferenciais de energia e momento causados pela introdução súbita da radiação energética escura deveriam ter afetado o campo gravitacional do Universo de uma forma que afetou sua expansão de alguma forma característica.

Na próxima década ou mais além, as pesquisas astronômicas de larga escala que estão em andamento atualmente e visam plotar a expansão universal medindo os brilhos das mais distantes supernovas deverão ser capazes de detectar as variações na taxa de expansão do Universo que o novo modelo cosmológico prevê. Ao mesmo tempo os novos equipamentos de colisão de partículas, como o LHC (Large Hadron Collider), que estará reentrando em operação na Suíça em breve poderão produzir energias altas o suficiente para excitar o campo energético quintessencial e assim permitir a geração de novas partículas exóticas, desconhecidas até então.

Fontes e referências:

Portal do Astrônomo: Energia Escura

ScienceDaily: The Day The Universe Froze: New Model For Dark Energy por David F. Salisbury, adaptado de material fornecido pela Vanderbilt University

Cosmos Magazine: Dark Energy Froze the Universe por Heather Catchpole

Scientific Blogging: Cosmological Phase Transition – New Model Suggests Dark Energy ‘Froze’ The Universe

Sourish Dutta, Emmanuel N. Saridakis, and Robert J. Scherrer. Dark energy from a quintessence (phantom) field rolling near a potential minimum (maximum). Physical Review D, 2009; 79 (10): 103005 DOI: 10.1103/PhysRevD.79.103005

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4 comentários

1 menção

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  1. ROCA

    Walter :

    Tem uma forma simples de explicar para um leigo curioso como eu, como ocorre evaporação de um buraco negro se a velocidade de escape é maior do que a velocidade da luz e nada pode atingir velocidades superiores a velocidade da luz ?

    Na wikipédia há uma boa explicação:
    http://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o_Hawking

    Em poucas palavras considere:

    1) Quanto menor (menos massivo) mais quente é o buraco negro
    2) Eventualmente um par de partículas de matéria e anti-matéria pode ser formar próximo ao horizonte de eventos. Se uma das partículas deste par escapar do BN enquanto a outra for absorvida o BN perderá massa.
    3) Quanto mais alta a temperatura maior a chance da energia se converter em matéria (partícula + anti-partícula) e isto explica porque quanto menos massivo mais rápido o BN se evapora.

    Veja esta calculadora que dá o tempo de evaporação de um buraco de negro conforme sua massa, calcula também outros parâmetros importantes:
    http://xaonon.dyndns.org/hawking/

    Leia também:
    http://eternosaprendizes.com/2009/09/20/raio-de-schwarzschild-de-um-buraco-negro-o-que-significa-isso/

  2. Walter

    Tem uma forma simples de explicar para um leigo curioso como eu, como ocorre evaporação de um buraco negro se a velocidade de escape é maior do que a velocidade da luz e nada pode atingir velocidades superiores a velocidade da luz ?

  3. Luis

    Roca sera que o Lhc pode mesmo formar um buraco negro que pode engulir a terra?

    1. ROCA

      Os buracos negros evaporam. Quanto menor um buraco-negro, mais quente ele é e mais rápido ele evapora. Se o LHC gerar um micro-buraco-negro ele irá se evaporar em uma pequena fração do segundo.
      .
      Leia aqui sobre isso:
      http://eternosaprendizes.com/2009/09/20/raio-de-schwarzschild-de-um-buraco-negro-o-que-significa-isso/
      .
      “Enquanto um Buraco Negro de massa equivalente a do Sol pode levar mais de 10^67 anos para se evaporar, ou seja, tem seu tempo de vida imensamente maior que a idade do Universo, de fato, um MBN com 230.000 kg se evapora em apenas 1 segundo…”

  1. Analogia da semana – conhecimento e meio interestelar « Café com Ciência

    […] que acontece atualmente com a expansão acelerada do universo, da qual se acredita que o éter (ou quintessência) seja o um responsável em […]

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