A misteriosa energia escura que acelera a taxa de expansão do Univeso

A natureza da energia escura é um dos mais importantes problemas não solucionados em toda ciência. Mas o que exatamente é a energia escura, e por que acreditamos mesmo que ela existe?

O que empurra as galáxias como estas separadas no Hubble Ultra Deep Field ? Crédito: NASA e r. Riess (STScI), CC

Considere uma experiência familiar: o que acontece quando você atira uma bola para cima no ar? Isso gradualmente desacelera com a gravidade e finalmente para no ar e volta a cair no chão. Claro, se você jogar a bola com força suficiente (cerca de 42.200 km/h) na verdade ela iria escapar da terra inteiramente e atirar-se para o espaço, para nunca mais voltar. Mas mesmo nesse caso, gravidade continuaria a puxar debilmente a bola, diminuindo a sua velocidade quando ela escapar das garras da Terra.

Mas agora imagine algo completamente diferente. Suponha que você jogou uma bola no ar, e em vez de ser atraída para o chão, a bola foi repelida pela Terra e se afastou cada vez mais rápido e mais rápido para o céu. Este seria um evento surpreendente, mas é exatamente o que os astrônomos observam em todo o universo!

Os cientistas já sabem há quase um século que o universo está se expandindo, com todas as galáxias separando-se uma da outra. E até recentemente, os cientistas acreditavam que havia apenas duas opções possíveis para o universo no futuro. Ele poderia se expandir para sempre (como a bola que você jogou para cima a 40.200 km/h), mas com a expansão diminuindo, a gravidade puxaria todas as galáxias na direção uma da outra. Na segunda, a gravidade poderia vencer no final e trazer a expansão do universo a uma parada, finalmente em colapso chamado "big crunch," como sua bola mergulhando de volta ao chão.

Então, imagine a surpresa dos cientistas quando duas diferentes equipes de astrônomos descobriram, em 1998, que nenhum desses casos estava correto. Estes astrônomos estavam medindo o quão rápido o universo estava se expandindo quando era mais jovem do que hoje. Mas alguém poderia dizer: Como eles sabem disso? Teriam que ter uma máquina do tempo para voltar lá e conferir!

Felizmente, um telescópio é uma máquina do tempo. Quando você olha para as estrelas à noite, você não está vendo o que parece hoje – você está vendo a luz que deixou as estrelas há muito tempo – muitas vezes de muitas centenas de anos. Olhando supernovas distantes, que são estrelas explodindo tremendamente brilhantes, astrônomos podem olhar para trás centenas de milhões de anos. Então, eles podem medir a taxa de expansão na época, comparando a distância dessas supernovas com a velocidade em que eles estão voando para longe de nós. E comparando o quão rápido o universo estava se expandindo para centenas de milhões de anos atrás a sua taxa de expansão hoje, esses astrônomos descobriram que a expansão é realmente acelerando em vez de diminuir, como todos esperavam.

Em vez de puxar as galáxias, gravidade parece estar separando uma da outra. Mas como pode gravidade ser repulsiva, quando nossa experiência cotidiana mostra que ela é atraente? A Teoria da gravidade de Einstein de fato prediz que gravidade pode repelir, bem como atrair, mas apenas em circunstâncias muito especiais.

O lado negro da cosmologia: Onde estão os outros 95% do Universo?

Gravidade repulsiva requer uma nova forma de energia, apelidado de "energia escura", com propriedades muito estranhas. Ao contrário de matéria comum, a energia escura tem pressão negativa, e é esta pressão negativa que faz com que gravidade seja repulsiva. (Para a matéria comum, a gravidade é sempre atrativa). A energia escura parece estar manchada suavemente em todo o universo, e interage com a matéria comum (bariônica) só através da ação da gravidade, tornando-se quase impossível para testar no laboratório.

Esta ilustração mostra abstratas 'fatias' de espaço em diferentes pontos no tempo, como o universo se expande. Crédito: Ævar Arnfjörð Bjarmason, CC BY-SA

A forma mais simples de energia escura passa por dois nomes diferentes: uma constante cosmológica ou energia do vácuo. 

A Energia do vácuo tem uma outra propriedade estranha. Imagine uma caixa que se expande à medida que o universo se expande. Por exemplo, a quantidade de matéria em uma caixa permanece a mesma. Se a caixa se expandir, ela vai aumentar o seu volume para que a densidade da matéria na caixa não decair. Na verdade, a densidade de tudo decai, a medida que o universo se expande. Com exceção da energia do vácuo - sua densidade permanece exatamente a mesma. (Sim, isso é tão bizarro quanto parece).

Cientistas Costumávamos pensar que a expansão do universo era descrita por curvas de amarelo, verdes ou azuis. Mas surpresa, ao contrário, é na verdade a curva vermelha. Como visto aqui, a curva tem parâmetro 0.7, ou seja, 70% de tudo que existe é representado por essa energia misteriosa. 

Mas, já que a energia escura não pode ser isolada ou analisada em laboratório, como se pode entender exatamente de que ela é composta? Diferentes teorias de energia escura preveem pequenas diferenças na forma que a expansão do universo muda com o tempo. Nossa melhor esperança de sondar a energia escura pode vir de medidas cada vez mais exatas da aceleração do universo, feitas na sua primeira descoberta há 17 anos. Diferentes grupos de cientistas estão atualmente realizando uma grande variedade dessas medições. Por exemplo, a Pesquisa de energia escura está mapeando a distribuição de galáxias no universo para ajudar a resolver esse quebra-cabeça.

Há uma outra possibilidade: Talvez os cientistas têm sido latindo para a árvore errada. Talvez não haja nenhuma energia escura, e nossas medições na verdade querem dizer que a teoria da gravidade de Einstein está errada e precisa ser corrigida. Isto seria um empreendimento difícil, uma vez  que a teoria de Einstein funciona excepcionalmente bem quando podemos testá-la no Sistema Solar. (Convenhamos, Einstein realmente sabia o que estava fazendo). Até agora, ninguém produziu uma melhoria convincente na teoria de Einstein que prevê a correta expansão para o universo e ainda concorda com a teoria de Einstein no interior do Sistema Solar. Vou deixar isso como um problema de lição de casa para o leitor.

Fonte: Phys