Energia Escura

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Referência : Bertolami, O., Gomes, C., (2017) Energia Escura, Rev. Ciência Elem.", V5(4):065
Autores: Orfeu Bertolami e Cláudio Gomes
Editor: José Ferreira Gomes
DOI: [http://doi.org/10.24927/rce2017.065]

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Resumo

O conceito de energia escura é proposto para explicar a expansão acelerada do Universo desde um passado cosmológico recente (cerca de há 2 a 3 mil milhões de anos).


As observações da radiação cósmica de fundo, da recessão de supernovas em galáxias distantes e da densidade de enxames de galáxias indicam que a maior parte do conteúdo energético do Universo é dominada por duas componentes escuras: cerca de 27% de matéria escura, responsável por efeitos dinâmicos nas curvas de rotação galácticas e no movimento de galáxias nos enxames de galáxias, e cerca de 68% de energia escura, responsável pela atual expansão acelerada do Cosmos[1], [2], [3], [4]. Esta expansão é uma expansão do espaço-tempo. Podemos tentar imaginar esta situação como o caso de um balão vazio em que se desenham pintas. Ao insuflar-se esse mesmo balão verifica-se que as pintas se afastam uma das outras em virtude do “tecido” estar a expandir-se, ou seja, os grandes objetos astrofísicos e cosmológicos como galáxias e enxames de galáxias estão sempre a afastar-se uns dos outros porque o próprio “tecido” do espaço-tempo se está a expandir. Depois de compreendida esta analogia em duas dimensões, temos que pensar em termos de três dimensões espaciais.

A energia escura age como uma ténue distribuição uniforme de energia e com a propriedade exótica de ter uma pressão negativa. Pensemos numa mola: ao esticá-la, ela exerce uma força contrária que a faz retomar a posição de equilíbrio, esta é a chamada lei de Hooke. Se a energia escura fosse essa mola, teria o comportamento oposto: quanto mais a esticássemos, mais ela tenderia a expandir-se.

Embora se desconheça a sua verdadeira natureza, existem alguns modelos que procuram compreender a natureza da energia escura. Os candidatos mais simples incluem o termo cosmológico (constante cosmológica) introduzido por Einstein para modificar as equações de campo da Teoria da Relatividade Geral, ou um ubíquo campo escalar extremamente leve e com propriedades que sejam consistentes com um comportamento macroscópico repulsivo.

A expansão do Universo foi descoberta pelo astrónomo norte-americano Edwin Hubble em 1929. O facto desta expansão ser cada vez mais rápida a distâncias cada vez mais afastadas de nós, isto é, a sua aceleração, foi estabelecida por meio do estudo da luminosidade de supernovas em galáxias muito distantes, estrelas na fase final e explosiva da sua existência. Desvendada a partir de 1998, a surpreendente observação relativa à aceleração da expansão é devida a dois grupos de astrónomos, um dos quais baseado na Universidade de Berkeley, na Califórnia, liderado pelo cientista Saul Perlmutter[5], e um outro liderado por Adam Riess e Brian Schmidt[6], da Universidade de Harvard, em Boston, Massachusetts, e do Observatório do Monte Stromlo, na Austrália, respetivamente. Por esta descoberta, estes cientistas foram galardoados com Prémio Nobel de Física em 2011.

Uma questão que também tem suscitado o interesse dos físicos teóricos é o de uma hipotética ligação entre a energia escura e a matéria escura. Segundo algumas propostas, não é impossível que estas duas entidades sejam manifestações, a escalas distintas, de uma única partícula ou um campo mais fundamental, como é exemplo o caso de um fluido exótico que corresponde a uma generalização do gás de Chaplygin[7] com equação de estado


\(p= - \frac{A}{ρ^α}\)


onde p é a pressão cósmica, ρ é a densidade de energia, A e α são constantes e 0 < α ≤ 1. Também não é de excluir a possibilidade de matéria escura e energia escura trocarem energia entre si.

Dada a importância destas questões, a Cosmologia e a Gravitação são áreas que suscitam grande interesse e inclusivamente, os físicos discutem alternativas à matéria escura e energia escura, designadamente, através de teorias de gravidade para além da de Einstein[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16].


FIGURA 1. Conteúdo energético do Universo segundo a missão Planck[17], [18].
FIGURA 2. Evolução do Universo: do Big Bang até à expansão acelerada do Universo hoje[19].

Referências

  1. Missão espacial COBE, consultado em 13 de novembro de 2017.
  2. Missão espacial WMAP, consultado em 13 de novembro de 2017.
  3. Missão espacial Planck, consultado em 13 de novembro de 2017.
  4. Planck collaboration: P.A.R. A de et al., Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters, A & A 594, A13, 2016.
  5. Perlmutter, et al., Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae, Astrophys.J., 517, 565, 1999.
  6. Riess et al., Type Ia Supernova Discoveries at z > 1 From the Hubble Space Telescope: Evidence for Past Deceleration and Constraints on Dark Energy Evolution, Astrophys.J., 607, 665-687, 2004.
  7. Bento, M.C., et al., <a target="_blank" href="https://doi.org/10.1103/PhysRevD.66.043507">Generalized Chaplygin Gas, Accelerated Expansion and Dark Energy-Matter Unification</a>, Phys. Rev. D., 66, 043507, 2002.
  8. Milgrom, M., A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis, Astrophys. J., Part 1 , vol. 270, 365, 1983.
  9. Carroll, S.M., et al., Is Cosmic Speed-Up Due to New Gravitational Physics?, Phys. Rev. D., 70, 043528, 2004.
  10. Nojiri, S. e Odintsov, S.D., Introduction to Modified Gravity and Gravitational Alternative for Dark Energy, Int. J. Geom. Meth. Mod. Phys. 4, 115-146, 2007.
  11. Bertolami, O, et al., Extra force in f(R) modified theories of gravity, Phys. Rev. D., 75, 104016, 2007.
  12. Verlinde, E.P., On the Origin of Gravity and the Laws of Newton, JHEP 1104, 029, 2011.
  13. Verlinde, E.P., Emergent Gravity and the Dark Universe, SciPost Phys. 2, 016, 2017.
  14. Bertolami, O., O Livro das Escolhas Cósmicas, Ed. Gradiva, 2006.
  15. Bertolami, O., O Big Bang: a origem do Universo, in Do Big Bang ao Homem, U. Porto Edições, 2016.
  16. Bertolami, O. e PÁRAMOS, J., Seis Breves Apontamentos de Cosmologia Contemporânea, U. Porto Edições, 2017.
  17. Missão espacial Planck, consultado em 13 de novembro de 2017.
  18. Planck collaboration: P.A.R. A de et al., Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters, A & A 594, A13, 2016.
  19. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/, consultado em 13 de novembro de 2017.


Criada em 6 de Dezembro de 2017
Revista em 6 de Dezembro de 2017
Aceite pelo editor em 6 de Dezembro de 2017