Do começo ao fim do universo : o mistério da energia escura

 O universo não está apenas se expandindo, está acelerando.

Em 1998, pesquisadores descobriram que algo estava fazendo com que a expansão do universo se acelerasse.Laboratório de imagens conceituais do Goddard Space Flight Center da NASA

Por quase um século, os astrônomos sabem que o universo está se expandindo. O espaço-tempo está se estendendo por bilhões de anos-luz, separando as galáxias de seu interior, como passas embutidas em um pão crescente. Essa expansão constante, confrontada com o impulso do cosmos de entrar em colapso sob sua própria gravidade, significa que há dois cenários principais de como o universo acabará. 

Esses cenários são chamados de Big Crunch - onde a gravidade supera a expansão e o Big Bang ocorre ao contrário - e o Big Freeze - onde a gravidade perde para a expansão e toda a matéria é isolada por distâncias insondáveis. (Consulte “The Big Crunch vs. the Big Freeze,” página 50.) 

Por um tempo, os pesquisadores acreditaram que o destino do universo estava se inclinando para o cenário final. Mas, no final da década de 1990, os astrônomos descobriram algo inesperado que mudou nossa compreensão do futuro do universo: as galáxias mais distantes não estavam apenas se afastando de nós. Eles estavam acelerando.

Um quebra-cabeça cosmológico

Este fenômeno foi descoberto independentemente por duas equipes de astrônomos que mediam supernovas distantes para calcular a taxa precisa na qual o universo estava se expandindo, esperando encontrá-lo diminuindo a velocidade. Três desses cientistas - Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt - compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2011 por sua descoberta. 

As observações premiadas vieram de uma pesquisa de supernovas distantes do tipo Ia. Os astrônomos acreditam que essas explosões são desencadeadas quando uma anã branca - o denso remanescente de uma estrela semelhante ao Sol - acrescenta matéria que a empurra para além do limite de massa física. Esse limite é o mesmo para todas as anãs brancas, fazendo com que todas as supernovas do tipo Ia tenham o mesmo brilho verdadeiro. Essa propriedade tornou essas supernovas marcadores de distância padrão ideais, ou velas padrão, em meados da década de 1990. 

As duas equipes estavam realmente olhando para trás no tempo para o início da desaceleração cósmica: eles estavam procurando o ponto no tempo em que a gravidade ganhasse o controle sobre a rápida aceleração do cosmos após o Big Bang. Este momento marcaria uma reviravolta, já que a gravidade finalmente começou a diminuir a taxa na qual galáxias e aglomerados de galáxias são afastados uns dos outros pela expansão do universo. 

Uma vez que os cientistas conhecem o verdadeiro brilho das velas padrão, eles poderiam prever o quão brilhantes seriam essas supernovas distantes se a expansão estivesse diminuindo. Mas, em vez disso, eles descobriram que as supernovas do tipo Ia observadas eram 25% mais fracas do que o esperado, provando que a expansão do universo não está diminuindo, mas sim acelerando. 

No final de 1998, ambas as equipes enviaram artigos detalhando suas descobertas a periódicos acadêmicos. A equipe de Perlmutter publicou seu artigo no The Astrophysical Journal e a equipe de Riess e Schmidt publicou no The Astronomical Journal. 

A conclusão de ambos: uma grande porcentagem do universo é composta de algo previamente desconhecido e inesperado. E essa chamada energia escura está dominando a gravidade e afastando o espaço-tempo de dentro.

Por quase um século, os astrônomos sabem que o universo está se expandindo. O espaço-tempo está se estendendo por bilhões de anos-luz, separando as galáxias de seu interior, como passas embutidas em um pão crescente. Essa expansão constante, confrontada com o impulso do cosmos de entrar em colapso sob sua própria gravidade, significa que há dois cenários principais de como o universo acabará. 

Esses cenários são chamados de Big Crunch - onde a gravidade supera a expansão e o Big Bang ocorre ao contrário - e o Big Freeze - onde a gravidade perde para a expansão e toda a matéria é isolada por distâncias insondáveis. (Consulte “The Big Crunch vs. the Big Freeze,” página 50.) 

Por um tempo, os pesquisadores acreditaram que o destino do universo estava se inclinando para o cenário final. Mas, no final da década de 1990, os astrônomos descobriram algo inesperado que mudou nossa compreensão do futuro do universo: as galáxias mais distantes não estavam apenas se afastando de nós. Eles estavam acelerando.

Um quebra-cabeça cosmológico

Este fenômeno foi descoberto independentemente por duas equipes de astrônomos que mediam supernovas distantes para calcular a taxa precisa na qual o universo estava se expandindo, esperando encontrá-lo diminuindo a velocidade. Três desses cientistas - Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt - compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2011 por sua descoberta. 

As observações premiadas vieram de uma pesquisa de supernovas distantes do tipo Ia. Os astrônomos acreditam que essas explosões são desencadeadas quando uma anã branca - o denso remanescente de uma estrela semelhante ao Sol - acrescenta matéria que a empurra para além do limite de massa física. Esse limite é o mesmo para todas as anãs brancas, fazendo com que todas as supernovas do tipo Ia tenham o mesmo brilho verdadeiro. Essa propriedade tornou essas supernovas marcadores de distância padrão ideais, ou velas padrão, em meados da década de 1990. 

As duas equipes estavam realmente olhando para trás no tempo para o início da desaceleração cósmica: eles estavam procurando o ponto no tempo em que a gravidade ganhasse o controle sobre a rápida aceleração do cosmos após o Big Bang. Este momento marcaria uma reviravolta, já que a gravidade finalmente começou a diminuir a taxa na qual galáxias e aglomerados de galáxias são afastados uns dos outros pela expansão do universo. 

Uma vez que os cientistas conhecem o verdadeiro brilho das velas padrão, eles poderiam prever o quão brilhantes seriam essas supernovas distantes se a expansão estivesse diminuindo. Mas, em vez disso, eles descobriram que as supernovas do tipo Ia observadas eram 25% mais fracas do que o esperado, provando que a expansão do universo não está diminuindo, mas sim acelerando. 

No final de 1998, ambas as equipes enviaram artigos detalhando suas descobertas a periódicos acadêmicos. A equipe de Perlmutter publicou seu artigo no The Astrophysical Journal e a equipe de Riess e Schmidt publicou no The Astronomical Journal. 

A conclusão de ambos: uma grande porcentagem do universo é composta de algo previamente desconhecido e inesperado. E essa chamada energia escura está dominando a gravidade e afastando o espaço-tempo de dentro.

Muitas peças faltando

A composição do universo é surpreendentemente difícil de definir. Além da energia escura, o espaço também é preenchido com uma forma invisível de matéria conhecida como matéria escura. Os astrônomos agora sabem que a matéria normal e visível representa apenas 5% do universo, enquanto a matéria escura enigmática e a energia escura constituem 26% e 69%, respectivamente. Em outras palavras, os astrônomos não entendem realmente do que cerca de 95% do universo é realmente feito. 

E mesmo décadas após sua descoberta, os cientistas ainda sabem surpreendentemente pouco sobre as forças “obscuras” que governam nosso universo. “Compreender e medir a matéria escura e a energia escura é difícil”, diz Riess. “Imagine-se batendo em um quarto escuro, ocasionalmente tocando um elefante, sem nunca ter visto um e [tentando entender] o que é, como é.” 

Mas a sala escura é do tamanho do universo e, em vez de tocar no elefante, os astrônomos só podem ver os efeitos que tem em outros objetos. Os astrônomos podem ver que a matéria escura interage gravitacionalmente com a matéria visível, então eles suspeitam que ela seja composta de uma ou mais partículas desconhecidas. A energia escura pode ser a quinta força fundamental do universo. (Os quatro conhecidos são: a força fraca, a força forte, gravidade e eletromagnetismo.) 

Mas suas propriedades exatas ainda são um mistério, especialmente porque a energia escura parece ter se ligado aleatoriamente. Riess diz que as medições mais recentes mostram que a energia escura realmente deu início a essa aceleração há cerca de 5 bilhões a 6 bilhões de anos e tem sido a força dominante desde então. 

A explicação mais simples para a energia escura é que ela é a energia intrínseca do próprio espaço. Albert Einstein inicialmente introduziu esse conceito para permitir um universo plano ao apresentar sua teoria da relatividade. A chamada constante cosmológica de Einstein é uma força repulsiva que neutraliza a força atrativa da gravidade para permitir um universo que não entra em colapso nem se expande.

Mas, no final, Einstein descartou seu conceito depois que Edwin Hubble observou a expansão do universo. O trabalho das supernovas vencedoras do Nobel na década de 1990 ressuscitou a constante cosmológica e a relacionou com a energia escura. 

O que vem a seguir

Para resolver esse quebra-cabeça da energia escura, Riess diz que os cientistas precisarão de mais do que apenas medições. Os melhores físicos teóricos do mundo tentaram elaborar uma grande teoria unificada da física que explica totalmente todos os aspectos do universo. Mas até agora, a gravidade e a física quântica não parecem se encaixar, apesar do fato de os teóricos acreditarem que sua unificação é essencial para qualquer teoria que também explique a energia escura. 

Uma coisa que os cientistas foram capazes de descobrir, entretanto, é o profundo impacto que a energia escura terá sobre o universo em um futuro distante. 

Se a contribuição da energia escura aumentar à medida que o universo envelhece, o universo se expandirá progressivamente mais rápido com o tempo. Outras galáxias além de nosso Grupo Local - que terão se fundido em uma única galáxia gigante apelidada de Milkomeda - serão eventualmente levadas para distâncias tão grandes que nenhum futuro distante ocupante de nosso sistema solar será capaz de vê-las. 

Na verdade, Alexei Filippenko, astrônomo da Universidade da Califórnia, Berkeley, que trabalhou com as duas equipes que descobriram a energia escura, diz: “Se todos os registros forem perdidos, as civilizações futuras podem nunca saber sobre outras galáxias.” Para eles, ele diz: “[O universo] será um lugar frio, escuro e solitario.

Fonte: Astronomy.com