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Como se dá a expansão do universo devido à energia escura?

O universo está em expansão e essa expansão é acelerada devida a energia escura. Minha dúvida é que a primeira vista o que ocorre é uma transformação de energia escura em energia cinética nas galáxias, mas caso assim fosse a energia escura deveria diminuir, ela de fato diminui? Se não, como se da essa aceleração?

Respondido por: Prof. Horacio Dottori - Professor emérito do IF-UFRGS

Temos de dividir a sua pergunta em 3 partes, para facilitar a resposta: 1- Existe uma transformação da energia escura em energia cinética das galáxias. 2- A energia escura deveria diminuir. 3- Como se dá essa aceleração.

O fato constatado pelas observações a grandes distâncias, maiores do que 6-7 bilhões de anos luz, é que existe uma aceleração do tecido cósmico, ou seja há uma variação da lei de Hubble, muito tênue, já que só se constata medindo o fluxo cosmológico a grandes distâncias, como as antes mencionadas. Para explicar está aceleração precisamos de um ingrediente distinto da força gravitacional produzida pela matéria escura e bariônica, já que a gravitação é um interação exclusivamente atrativa.

Nas equações de Einstein esta interação foi introduzida por ele, como uma densidade de energia chamada de Constante Cosmológica e é representada com a letra grega Λ (Lambda). Einstein introduziu Λ nas equações da Relatividade Geral para produzir um Universo estático, já que na época pensava-se que os corpos celestes só sofriam movimentos locais. Então Λ (repulsiva) se contrapunha à força gravitacional (atrativa) para manter o Universo estático, conceito predominante à época. Se o valor absoluto de Λ variasse ligeiramente para mais ou para menos, o Universo sofreria aceleração expansiva ou contractiva. Mas  a propriedade mais importante de  Λ é a de ser uma densidade de energia constante, isto porque a estrutura das equações da RG não se alteram introduzindo uma constante aditiva no chamado Tensor de Einstein.

Ora, uma vez descoberta a expansão acelerada do Universo, é fácil obter o valor desta densidade de energia. O problema é que sabemos que o Universo está em expansão, por tanto dilatando-se, e consequentemente, aumentando o seu volume. Portanto para manter a densidade Λ=cte,  o conteúdo total de Energia Escura deve aumentar em proporção igual ao aumento do volume. O que vai de encontro da sua afirmação 2. Ou seja a quantidade total de energia escura aumenta, não diminui.

Mas, poder-se-ia pensar que Λ não é constante, que ela varia. Existem modelos deste tipo, mas como dizemos anteriormente isto significa de um lado alterar a forma das equações de Einstein, de outro  lado, não temos nenhuma possibilidade de medir esta variação de Λ (ou em inglês Jerk ou em português Arranco,  denominação da taxa de variação da aceleração). A influência de Λ sobre as galáxias localmente é presentemente muito inferior a atração gravitacional interna entre as próprias galáxias e ainda entre aglomerados de galáxias.  Se pensarmos nas grandes paredes (walls) e os vazios (voids) (ver figura), nestes últimos, deve predominar Λ, pois não há quase matéria. De outro lado nas paredes, deve predominar a força gravitacional.

A linha lateral na figura marca profundidade e vai até uns 5 bilhões de anos luz de distância. A medida angular (arco superior indica quase 360º. Os filamentos brilhantes são as paredes e os espaços sem galáxias são os vazios.

Deve existir uma zona de ninguém, na transição parede-vazio na qual ambas forças se equiparam, já que a densidade de matéria (escura + bariônica) diminui em direção aos vazios. Como a densidade de matéria média diminui com o tempo, mas Λ permanece constante, é de se prever que nestas regiões comece a predominar a Constante Cosmológica com o passar do tempo. Esta é a resposta ao ponto 1), sobre o interação entre a gravitação e Energia Escura.

De todas formas, a formação de estrelas massivas, que evoluem para Buracos Negros (BNs) não será atingida por esta fase e finalmente, em 20 bilhões de anos mais, teremos um Universo imensamente vazio pipocado por BNs separados por distâncias gigantescas, em continua expansão acelerada, quando a quantidade de Energia Escura prevalecerá numa proporção de 95:4:1 respectivamente sobre a matéria escura e a bariônica.  Isto, se não aparecer algum outro constituinte do Universo que venha a modificar a nossa compreensão presente, como o fizeram faz 100 anos a expansão do Universo, faz 40 anos a Matéria Escura e faz 18 anos a Energia Escura. Isto responde ao ponto 3), sobre como age a Energia Escura.


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