Energia escura

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Em cosmologia, a energia escura (ou energia negra) é uma forma hipotética de energia que estaria distribuída por todo espaço e tende a acelerar a expansão do Universo.[1] A principal característica da energia escura é ter uma forte pressão negativa. De acordo com a teoria da relatividade, o efeito de tal pressão negativa seria semelhante, qualitativamente, a uma força que age em larga escala em oposição à gravidade. Tal efeito hipotético é frequentemente utilizado, por diversas teorias atuais que tentam explicar as observações que apontam para um universo em expansão acelerada.

A natureza da energia escura é um dos maiores desafios atuais da física, da cosmologia e da filosofia. Existem hoje muitos modelos fenomenológicos diferentes, contudo os dados observacionais ainda estão longe de selecionar um em detrimento dos demais. Isso acontece pois a escolha de um modelo de energia escura depende de um bom conhecimento da variação temporal da taxa de expansão do universo o que exige a observação de propriedades de objetos a distâncias muito grandes (observações e medição de distância em altos redshifts).

As principais formas das diferentes propostas de energia escura são: a constante cosmológica (que pode ser interpretada tanto como uma modificação de natureza geométrica nas equações de campo da relatividade geral, quanto como um efeito da energia do vácuo, a qual preenche o universo de maneira homogênea); e a quintessência (usualmente modelado como campo escalar cuja densidade de energia pode variar no tempo e no espaço).

Outra proposta relativamente popular entre pesquisadores é a quartessência que visa unificar os conceitos de energia escura e matéria escura postulando a existência de uma forma de energia conhecida como gás de Chaplygin que seria responsável pelos efeitos das duas componentes escuras.[2][3]

História[editar | editar código-fonte]

A constante cosmológica foi proposta pela primeira vez por Albert Einstein como um meio para obter uma solução estável da equação do campo de Einstein que levaria a um Universo estático, utilizando-a para compensar a gravidade. O mecanismo não foi apenas um exemplo pouco elegante de “precisão”, pois cedo se demonstrou que o Universo estático de Einstein era instável porque as heterogeneidades locais iriam conduzir por fim, a uma expansão sem controlo ou à contração do Universo. O equilíbrio é instável: se o Universo se expande ligeiramente, a expansão liberta a energia do vazio, o que provoca uma maior expansão. Da mesma maneira, um Universo que se contrai ligeiramente, continuará a contrair-se.

Este tipo de perturbações são inevitáveis, devido à distribuição irregular de matéria no Universo. As observações realizadas por Edwin Hubble demonstraram que o Universo está a expandir-se e que não é estático em absoluto. Einstein referiu-se ao seu erro para prever um Universo dinâmico, em contraste com um Universo estático, como o “seu grande erro”. Após esta declaração, a constante cosmológica foi ignorada durante muito tempo como uma curiosidade histórica.

Alan Guth propôs nos anos 70 que um campo de pressão negativa, semelhante à energia negra poderia conduzir a uma inflação cósmica no Universo primitivo. A inflação postula que algumas forças repulsivas, qualitativamente similar à energia negra, resulta numa enorme e exponencial expansão do Universo pouco depois do Big Bang. Tal expansão é uma característica essencial de muitos modelos actuais do Big Bang. No entanto, a inflação deve ter ocorrido numa energia muito mais alta do que a energia negra que observamos hoje e pensa-se que terminou completamente quando o Universo tinha apenas uma fracção de segundo. Não é concreto que relação (se é que há alguma), existe entre a energia negra e a inflação. Inclusivamente, depois dos modelos de inflação terem sido aceites, considera-se que a constante cosmológica é irrelevante no Universo actual.

O termo “energia negra” foi criado por Michael Turner em 1998. Nesse tempo, o problema da massa perdida da nucleossíntese primordial e da estrutura em grande escala do universo foi estabelecida, e alguns cosmólogos começavam a teorizar sobre a existência de um componente adicional no nosso Universo. A primeira prova directa da energia negra proveio das observações da aceleração da velocidade da expansão do Universo, mediante o estudo de supernovas, como a de Adam Riess e confirmada depois por Saul Perlmutter. Isto teve como resultado o modelo Modelo Lambda-CDM, que até 2006 era consistente com uma serie de observações cosmológicas rigorosamente crescentes, as últimas de 2005 da supernova Legacy Survey. Os primeiros resultados da mesma revelaram que a energia negra se comporta como a constante cosmológica de Einstein com uma precisão de 10%. Os resultados do telescópio espacial Hubble Higher-Z Team indicam que a energia negra esteve presente durante pelo menos 9000 milhões de anos e durante o período precedente à aceleração cósmica.

Descoberta da energia negra[editar | editar código-fonte]

Em 1998 as observações de supernovas de tipo Ia muito distantes, efectuadas pelo Supernova Cosmology Project no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e pelo High-z Supernova Search Team sugeriram que a expansão do Universo estava a acelerar. Entretanto, esta aceleração foi confirmada por várias fontes independentes: medidas da radiação cósmica de fundo em microondas, as lentes gravitacionais, nucleossíntese primordial de elementos ligeiros e a estrutura em grande escala do Universo, assim como o progresso nas medições de supernovas foram consistentes com o modelo Lambda-CDM.

As supernova tipo Ia possibilitam a principal prova directa da existência de energia negra. Segundo a Lei de Hubble-Humason, aparentemente todas as galáxias distantes afastam-se da Via Láctea,  mostrando um deslocamento avermelhado no espectro luminoso devido ao efeito Doppler. A medição do factor de escala no momento em que a luz é emitida de um objecto é obtida facilmente medindo o desvio para o vermelho do objecto em recessão. Este deslocamento indica a idade de um objecto distante de forma proporcional, embora não absoluta. Por exemplo, ao estudar-se o espectro de um quasar é possível saber se se formou quando o Universo tinha 20% ou 30% da idade actual, mas não se pode saber a idade absoluta do Universo. Para o efeito, é necessário medir com precisão a expansão cosmológica. O valor que representa esta expansão denomina-se actualmente de Lei de Hubble-Humason. De forma a calcular-se esta constante utiliza-se em cosmologia as velas padrão, que são determinados objectos astronómicos com a mesma magnitude absoluta, que é conhecida, de tal maneira que é possível relacionar o brilho observado, ou magnitude aparente, com a distância. Sem as velas padrão, é impossível medir a relação desvio para o vermelho – distância da Lei de Hubble. As supernovas tipo Ia são uma das velas padrão devido à sua grande magnitude absoluta, o que possibilita que se possam observar mesmo em galáxias mais distantes. Em 1998 várias observações destas supernovas em galáxias muito distantes (e, por conseguinte, jovens) demonstraram que a Lei de Hubble-Humason não é tão linear pois o seu valor varia com o tempo. Até então pensava-se que a expansão do Universo estava a abrandar devido à força gravitacional, contudo, descobriu-se que estava a acelerar, pelo que deveria existir algum tipo de força que estimulasse a propagação do Universo.

A consistência em magnitude absoluta para supernovas tipo Ia é beneficiada pelo modelo de uma estrela anã velha que ganha massa de uma estrela próxima e cresce até alcançar o Limite de Chandrasekhar, o qual é definido de forma precisa. Com este ganho de massa, a anã branca é instável perante fusões nucleares e explode como uma supernova tipo Ia com um brilho característico. O brilho de uma supernova observa-se pelo seu desvio para o vermelho que é utilizado para medir a história da expansão do Universo. Estas observações indicam que a expansão do Universo não está a abrandar, como se esperaria num Universo onde a matéria predomina, mas sim a acelerar. Estas observações explicam-se devido à existência de um novo tipo de energia com pressão negativa.

Experiências projectadas para provar a existência da energia negra[editar | editar código-fonte]

A experiência mais conhecida é o “Sistema de Detecção Integrada Sachs-Wolfe”, idealizado em 1996 por dois investigadores canadianos e utilizado pela primeira vez em 2003. O que propuseram foi procurar pequenas mudanças na energia da luz comparando a temperatura da radiação com mapas de galáxias no universo local. Caso não existisse energia escura, não haveria qualquer correspondência entre os dois mapas (o distante, de radiação cósmica de fundo, e o de distribuição de galáxias, relativamente próximo). Caso existisse, seria possível observar um fenómeno interessante decorrer: os fotões de radiação cósmica de fundo ganhariam energia, ao invés de a perder, ao passar próximo de grandes massas. A experiência melhorou os seus resultados graças à equipa de Tommaso Giannantonio, que provou a sua existência com um nível de certeza um pouco maior que quatro sigmas.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. Energia misteriosa faz dez anos sem ganhar explicação
  2. Lima, J. A. S.; Cunha, J. V.; Alcaniz, J. S.; Simplified quartessence cosmology; Astroparticle Physics, Volume 31, Issue 3, p. 233-236. (em inglês)
  3. A. M. Velásquez-Toribio ; Stability in a class of quartessence models; Braz. J. Phys. vol.36 no.3a São Paulo Sept. 2006; doi: 10.1590/S0103-97332006000500034 (em inglês)

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

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