O SuperNova / Acceleration Probe, SNAP. Crédito da imagem: Berkeley Lab Clique para ampliar
Qual é a misteriosa energia escura que está causando a aceleração da expansão do universo? É alguma forma da famosa constante cosmológica de Einstein, ou é uma força repulsiva exótica, apelidada de "quintessência", que pode representar até três quartos do cosmos? Cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e do Dartmouth College acreditam que há uma maneira de descobrir.
Em um artigo a ser publicado na Physical Review Letters, os físicos Eric Linder, do Berkeley Lab, e Robert Caldwell, de Dartmouth, mostram que os modelos físicos de energia escura podem ser separados em cenários distintos, que podem ser usados para descartar a constante cosmológica de Einstein e explicar a natureza. de energia escura. Além disso, os cientistas devem ser capazes de determinar qual desses cenários está correto com os experimentos planejados para a Missão Conjunta de Energia Escura (JDEM), proposta pela NASA e pelo Departamento de Energia dos EUA.
"Os cientistas têm discutido a questão: com que precisão precisamos medir a energia escura para saber o que é?", Diz Linder. “O que fizemos em nosso artigo é sugerir limites de precisão para as medições. Felizmente, esses limites devem estar dentro do alcance dos experimentos do JDEM. ”
Linder e Caldwell são membros da equipe de definição científica do DOE-NASA para o JDEM, que tem a responsabilidade de elaborar os requisitos científicos da missão. Linder é o líder do grupo de teoria do SNAP? o SuperNova / Acceleration Probe, um dos veículos propostos para a realização da missão JDEM. Caldwell, professor de física e astronomia em Dartmouth, é um dos criadores do conceito de quintessência.
Em seu artigo na Physical Review Letters, Linder e Caldwell descrevem dois cenários, um que eles chamam de "degelo" e outro que chamam de "congelamento", que apontam para destinos distintamente diferentes para o nosso universo em expansão permanente. Sob o cenário de degelo, a aceleração da expansão diminuirá gradualmente e, eventualmente, parará, como um carro quando o motorista acelera o pedal do acelerador. A expansão pode continuar mais devagar, ou o universo pode até se recuperar. Sob o cenário de congelamento, a aceleração continua indefinidamente, como um carro com o pedal do acelerador pressionado no chão. O universo se tornaria cada vez mais difuso, até que eventualmente nossa galáxia se encontrasse sozinha no espaço.
Qualquer um desses dois cenários exclui a constante cosmológica de Einstein. Em seu artigo, Linder e Caldwell mostram, pela primeira vez, como separar claramente a ideia de Einstein de outras possibilidades. Em qualquer cenário, no entanto, a energia escura é uma força que deve ser considerada.
Diz Linder: “Como a energia escura representa cerca de 70% do conteúdo do universo, ela domina o conteúdo da matéria. Isso significa que a energia escura governará a expansão e, finalmente, determinará o destino do universo. ”
Em 1998, dois grupos de pesquisa abalaram o campo da cosmologia com seus anúncios independentes de que a expansão do universo está se acelerando. Ao medir o desvio para a luz vermelha das supernovas tipo Ia, as estrelas do espaço profundo que explodem com uma energia característica, as equipes do Supernova Cosmology Project, com sede no Berkeley Lab, e a equipe de pesquisa High-Z Supernova, centrada na Austrália, determinaram que a expansão do universo está realmente acelerando, não desacelerando. A força desconhecida por trás dessa expansão acelerada recebeu o nome de "energia escura".
Antes da descoberta da energia escura, a sabedoria científica convencional sustentava que o Big Bang resultara em uma expansão do universo que seria gradualmente reduzida pela gravidade. Se o conteúdo da matéria no universo fornecesse gravidade suficiente, um dia a expansão pararia completamente e o universo recairia sobre si mesmo em um Big Crunch. Se a gravidade da matéria fosse insuficiente para parar completamente a expansão, o universo continuaria flutuando para sempre.
"Desde os anúncios em 1998 e medições subsequentes, agora sabemos que a expansão acelerada do universo não começou até algum momento nos últimos 10 bilhões de anos", diz Caldwell.
Agora, os cosmologistas estão se esforçando para determinar o que é exatamente a energia escura. Em 1917, Einstein alterou sua Teoria Geral da Relatividade com uma constante cosmológica, que, se o valor estivesse correto, permitiria ao universo existir em um estado estático perfeitamente equilibrado. Embora o físico mais famoso da história mais tarde chame a adição dessa constante de "maior erro", a descoberta da energia escura reviveu a idéia.
"A constante cosmológica era uma energia de vácuo (a energia do espaço vazio) que impedia a gravidade de puxar o universo para si", diz Linder. “Um problema com a constante cosmológica é que ela é constante, com a mesma densidade de energia, pressão e equação de estado ao longo do tempo. A energia escura, no entanto, tinha que ser insignificante nos estágios iniciais do universo; caso contrário, as galáxias e todas as suas estrelas nunca se formariam. ”
Para que a constante cosmológica de Einstein resulte no universo que vemos hoje, a escala de energia teria que ser muitas ordens de magnitude menor que qualquer outra coisa no universo. Embora isso seja possível, diz Linder, não parece provável. Digite o conceito de "quintessência", nomeado após o quinto elemento dos gregos antigos, além de ar, terra, fogo e água; eles acreditavam que era a força que mantinha a lua e as estrelas no lugar.
"A quintessência é uma forma de energia dinâmica, que evolui no tempo e depende espacialmente, com pressão negativa suficiente para impulsionar a expansão acelerada", diz Caldwell. “Considerando que a constante cosmológica é uma forma muito específica de energia? energia de vácuo? quintessência abrange uma ampla classe de possibilidades. ”
Para limitar as possibilidades de quintessência e fornecer metas firmes para testes básicos que também confirmariam sua candidatura como fonte de energia escura, Linder e Caldwell usaram um campo escalar como modelo. Um campo escalar possui uma medida de valor, mas não a direção para todos os pontos no espaço. Com essa abordagem, os autores foram capazes de mostrar a quintessência como um campo escalar, relaxando sua energia potencial até um valor mínimo. Pense em um conjunto de molas sob tensão e exercendo uma pressão negativa que neutraliza a pressão positiva da gravidade.
"Um campo escalar de quintessência é como um campo de fontes que cobrem todos os pontos do espaço, com cada mola esticada para um comprimento diferente", disse Linder. "Para a constante cosmológica de Einstein, cada primavera teria o mesmo comprimento e imóvel."
Sob seu cenário de degelo, a energia potencial do campo da quintessência foi “congelada” até que a densidade de material decrescente de um universo em expansão o liberasse gradualmente. No cenário de congelamento, o campo da quintessência está rolando em direção ao seu potencial mínimo desde que o universo sofreu inflação, mas quando se trata de dominar o universo, gradualmente se torna um valor constante.
A proposta do SNAP está em pesquisa e desenvolvimento por físicos, astrônomos e engenheiros do Berkeley Lab, em colaboração com colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley e muitas outras instituições; ele pede um telescópio refletor de três espelhos e 2 metros em órbita no espaço profundo que seria usado para encontrar e medir milhares de supernovas tipo Ia a cada ano. Essas medidas devem fornecer informações suficientes para apontar claramente para o cenário de descongelamento ou congelamento? ou para algo completamente novo e desconhecido.
Diz Linder: “Se os resultados de medições como as que poderiam ser feitas com SNAP se situarem fora dos cenários de degelo ou congelamento, talvez tenhamos que olhar além da quintessência, talvez até da física ainda mais exótica, como uma modificação da Teoria Geral de Einstein. da Relatividade para explicar a energia escura. "
Fonte original: Comunicado de imprensa do Berkeley Lab
