A energia escura, considerada a força misteriosa que impulsiona a expansão acelerada do universo, continua a ser um dos mistérios mais profundos da física moderna. Durante anos, a principal explicação foi que esta energia era constante – uma propriedade imutável do vácuo, que fazia com que o Universo acelerasse. Mas evidências recentes levaram os cientistas a repensar esta hipótese.
No ano passado, os resultados do Dark Energy Survey (DES) e do Dark Energy Spectroradiometer (DESI) chamaram a atenção dos cosmólogos porque sugeriram que a energia escura pode não ser fixa. “Esta será a primeira vez que mostramos que a energia escura não é uma constante cosmológica introduzida por Einstein há mais de 100 anos, mas um novo fenómeno dinâmico”, explica Josh Frieman, professor emérito de astronomia e astrofísica.
Nova análise mostra forças em evolução
Num estudo publicado em Revisão Física D Em setembro, Freeman e Anowal Shahjib, Einstein Fellow em Astronomia e Astrofísica no Programa Hubble Fellowship da NASA, analisaram uma ampla gama de dados cosmológicos existentes. Suas descobertas sugerem que um modelo dinâmico e variável no tempo da energia escura é mais adequado para as observações atuais do que o modelo de constante cosmológica de longa data.
Shahjib é especialista em cosmologia observacional e evolução de galáxias, aplicando fortes lentes gravitacionais para medir a constante de Hubble e restringir os parâmetros da energia escura. O trabalho de Freeman também se concentra na cosmologia observacional, usando pesquisas celestes em grande escala, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o DES, para estudar a origem, estrutura e destino do universo enquanto explora as forças misteriosas que impulsionam sua expansão acelerada.
A Universidade de Chicago conversou com Shahjib e Freeman sobre as suas descobertas, o que estes novos modelos significam para a nossa compreensão da evolução do universo e como as observações futuras podem revelar se a energia escura está realmente a mudar ao longo do tempo.
Por que a energia escura é importante no estudo do universo?
homem livre: Agora sabemos exatamente quanta energia escura existe no universo, mas ainda não temos uma compreensão física da energia escura O que Isso é. A suposição mais simples é que se trata da energia do próprio vácuo, caso em que é constante ao longo do tempo, um conceito que remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter e outros no início do século passado. É um pouco embaraçoso que mal saibamos o que é 70% do universo. Seja o que for, determinará a evolução futura do universo.
Que descobertas recentes levam os cosmólogos a pensar que a energia escura pode estar a evoluir?
shajib: Embora tenha havido interesse na natureza dinâmica da energia escura desde a sua descoberta na década de 1990 para resolver algumas discrepâncias observacionais, até recentemente a maioria dos conjuntos de dados importantes e confiáveis eram consistentes com o modelo de energia escura não evolutivo, que era considerado cosmologia padrão. No ano passado, no entanto, uma combinação de supernovas, oscilações acústicas bariônicas e dados cósmicos de fundo em micro-ondas dos experimentos DES, DESI e Planck reacendeu o interesse na evolução da energia escura. Esta combinação de conjuntos de dados mostra diferenças significativas em relação aos modelos de energia escura padrão e não evolutivos. Uma característica interessante da energia escura não evolutiva é que a sua densidade permanece constante ao longo do tempo, mesmo à medida que o espaço se expande. No entanto, para modelos de energia escura em evolução, a densidade da energia escura muda ao longo do tempo.
homem livre: Os dados destas pesquisas permitem-nos inferir a história da expansão cósmica – a rapidez com que o Universo se expandiu em diferentes momentos do passado. Se a energia escura evoluir ao longo do tempo, esta história será diferente da que seria se a energia escura fosse constante. Os resultados da história da expansão do Universo mostram que a densidade da energia escura caiu cerca de 10% ao longo dos últimos milhares de milhões de anos ou mais – uma pequena diminuição, e muito menor do que as densidades de outra matéria e energia, mas ainda assim significativa.
Quais são os objetivos desta pesquisa? Qual foi o resultado geral?
shajib e homem livre: O objetivo deste estudo é comparar físico Modelos em evolução da energia escura usando conjuntos de dados recentes e extrapolando físico As propriedades da energia escura podem ser vistas nesta comparação. O “modelo” de energia escura em evolução utilizado na maioria das análises de dados anteriores era apenas uma fórmula matemática e não se restringia ao comportamento de modelos físicos. Em nosso artigo, comparamos diretamente os modelos de evolução da energia escura baseados fisicamente com os dados e descobrimos que esses modelos descrevem os dados atuais melhor do que os modelos padrão de energia escura não evolutiva. Mostramos também que pesquisas de futuro próximo, como a DESI e a Pesquisa Legada de Espaço e Tempo do Observatório Vera Rubin (LSST), serão capazes de nos dizer definitivamente se estes modelos estão corretos ou se a energia escura é realmente constante.
Descrever os modelos propostos e porque explicam melhor o comportamento da energia escura do que os modelos existentes.
homem livre: Esses modelos são baseados na teoria da física de partículas de partículas hipotéticas chamadas áxions. Os áxions foram previstos pela primeira vez na década de 1970 por físicos que procuravam explicar certas características observadas da interação forte. Hoje, os áxions são considerados candidatos à matéria escura, e experimentos em todo o mundo os procuram ativamente, inclusive por físicos do Fermilab e da Universidade de Chicago.
O modelo do nosso artigo baseia-se numa versão diferente de áxions ultraleves, que atuam como energia escura e não como matéria escura. Nestes modelos, a energia escura permanece constante durante os primeiros milhares de milhões de anos da história do Universo, mas o áxion começa então a evoluir – como uma bola num campo inclinado que é libertada do repouso e começa a rolar – e a sua densidade diminui lentamente, que é o que os dados esperavam. Os dados indicam, portanto, a existência de uma nova partícula na natureza que é aproximadamente 38 ordens de grandeza mais leve que o elétron.
Que implicações essas descobertas têm para a compreensão da expansão do universo?
shajib: Nestes modelos, a densidade da energia escura diminui com o tempo. A energia escura é responsável pela expansão acelerada do universo, portanto, se sua densidade diminuir, a aceleração diminuirá com o tempo. Se considerarmos o futuro distante do universo, diferentes características da energia escura podem levar a resultados diferentes. Os dois extremos destes resultados são o “Big Rip”, em que a própria expansão acelerada acelera até ao ponto de destruir tudo, até os átomos, e o “Big Crunch”, em que o universo deixa de se expandir em algum ponto e colapsa novamente, o que se parece com o Big Bang ao contrário. Os nossos modelos sugerem que o Universo evitará ambos os extremos: passará por milhares de milhões de anos de expansão acelerada, produzindo um Universo frio e escuro – o Grande Gelo.
Esses resultados poderiam ter outros efeitos menos óbvios?
homem livre: O único impacto prático que posso imaginar é que precisamos de desenvolver tecnologia para explorar ainda mais estas ideias – como a construção de novos telescópios, o lançamento de novos satélites ou o desenvolvimento de novos tipos de detectores. Estes desenvolvimentos podem ter um impacto maior nas nossas vidas do que eventos que ocorrerão daqui a biliões de anos.
O que mais te entusiasma nesses resultados?
shajib: Neste artigo, coletamos todos os principais conjuntos de dados – de DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, Pranchae o Telescópio Cosmológico Atacama – e combinou-os para obter a medição de energia escura mais vinculativa até agora. Todas estas medições provêm de uma vasta gama de experiências, pelo que, até certo ponto, representam o conhecimento colectivo reunido pela comunidade cosmológica como um todo.
homem livre: Quando começamos a trabalhar no DES em 2003, nosso objetivo era restringir as propriedades da energia escura para determinar se ela era constante ou mutável. Durante duas décadas, os dados mostram que é constante. Quase desistimos da questão porque os dados apoiavam consistentemente a hipótese. No entanto, temos agora a primeira indicação em mais de 20 anos de que a energia escura pode estar a mudar e, se estiver a evoluir, deve ser algo novo que mudará a nossa compreensão da física fundamental. A sensação lembra como nos sentíamos no início. Essas dicas ainda podem não estar corretas, mas podemos estar perto de responder à pergunta, o que é bastante emocionante.
