2696: WFIRST da NASA vai ajudar a descobrir o destino do Universo

Impressão de artista do WFIRST.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Os cientistas descobriram que uma pressão misteriosa chamada “energia escura” compõe cerca de 68% do conteúdo energético total do cosmos, mas até agora não sabemos muito sobre ela. A exploração da natureza da energia escura é uma das principais razões pelas quais a NASA está a construir o WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), um telescópio espacial cujas medições vão ajudar a iluminar o quebra-cabeças da energia escura. Com uma melhor compreensão da energia escura, teremos uma melhor noção da evolução passada e futura do Universo.

Um Cosmos em expansão

Até ao século XX, a maioria das pessoas achava que o Universo era estático, permanecendo essencialmente inalterado por toda a eternidade. Quando Einstein desenvolveu a sua teoria geral da relatividade em 1915, descrevendo como a gravidade actua através do tecido do espaço-tempo, ele ficou intrigado ao descobrir que a teoria indicava que o cosmos ou devia expandir-se ou contrair-se. Ele fez alterações para preservar um Universo estático, acrescentando algo que chamou de “constante cosmológica”, mesmo não existindo evidências da sua existência. Esta força misteriosa deveria neutralizar a gravidade para manter tudo no lugar.

No entanto, no final da década de 1920, o astrónomo George Lemaitre, e depois Edwin Hubble, fizeram a descoberta surpreendente de que, com poucas excepções, as galáxias estão a afastar-se umas das outras. O Universo estava longe de ser estático – estava a “inchar”. Consequentemente, se imaginarmos rebobinar esta expansão, deverá ter havido uma altura em que tudo no Universo estava quase impossivelmente quente e próximo.

O fim do Universo: fogo ou gelo?

A teoria do Big Bang descreve a expansão e a evolução do Universo a partir deste estado inicial super-quente e super-denso. Os cientistas teorizaram que a gravidade acabaria por desacelerar e possivelmente até reverter completamente esta expansão. Se o Universo tivesse matéria suficiente, a gravidade superaria a expansão e o Universo entraria em colapso num grande “Big Crunch” de fogo.

Caso contrário, a expansão nunca terminaria – as galáxias afastar-se-iam umas das outras cada vez mais até que passassem para lá da orla do Universo observável. Os nossos distantes descendentes poderão não ter conhecimento da existência de outras galáxias uma vez que estariam demasiado longe para serem visíveis. Grande parte da astronomia moderna pode um dia ser reduzida a mera lenda, à medida que o Universo desvanece gradualmente para uma gelada escuridão.

O Universo não está apenas a expandir-se – está a acelerar

Os astrónomos mediram o ritmo de expansão usando telescópios terrestres para estudar explosões de super-novas relativamente próximas. O mistério cresceu em 1998 quando observações de super-novas mais distantes, pelo Telescópio Espacial Hubble, ajudaram a mostrar que o Universo realmente se expandiu mais lentamente no passado do que hoje. A expansão do Universo não está a diminuir devido à gravidade, como todos pensavam. Está a acelerar.

Avançando rapidamente para hoje. Embora ainda não saibamos, exactamente, a razão desta aceleração, a “culpada” recebeu um nome – energia escura. Esta pressão misteriosa permaneceu desconhecida por tanto tempo porque é tão fraca que a gravidade se sobrepõe a ela à escala dos humanos, dos planetas e até da nossa Galáxia. Está presente na sua sala enquanto lê, dentro do seu próprio corpo, mas a gravidade neutraliza-a para que não saia a voar do seu lugar. Somente a escalas inter-galácticas é que a energia escura se torna perceptível, agindo como uma espécie de oposição fraca à gravidade.

O que é a energia escura?

O que é, exactamente, a energia escura? Desconhecemos mais do que sabemos, mas os teóricos estão à procura de algumas explicações possíveis. A aceleração cósmica pode ser provocada por um novo componente energético, o que exigiria alguns ajustes na teoria da gravidade de Einstein – talvez a constante cosmológica, que Einstein chamou do seu maior erro seja, afinal, real.

Alternativamente, a teoria da gravidade de Einstein pode quebrar-se a escalas cosmológicas. Se for esse o caso, a teoria precisará de ser substituída por uma nova que incorpore a aceleração cósmica que observamos. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas o WFIRST ajudar-nos-á a descobrir.

WFIRST irá iluminar a energia escura

As missões anteriores reuniram algumas pistas, mas até agora não produziram resultados que favorecem fortemente uma explicação ou outra. Com a mesma resolução das câmaras do Hubble, mas com um campo de visão 100 vezes maior, o WFIRST produzirá imagens grandes do Universo nunca antes vistas. A nova missão avançará a exploração da energia escura de maneiras que outros telescópios não conseguem, mapeando como a matéria é estruturada e distribuída por todo o cosmos e medindo também um grande número de super-novas distantes. Os resultados indicarão como a energia escura actua por todo o Universo e se mudou ao longo da história cósmica.

A missão vai usar três métodos de pesquisa para procurar uma explicação da energia escura.

O HLSS (High Latitude Spectroscopic Survey) vai medir com precisão distâncias e posições de milhões de galáxias usando uma técnica de “régua padrão”. A medição de como a distribuição das galáxias varia com a distância vai abrir uma janela para a evolução da energia escura ao longo do tempo. Este estudo vai ligar as distâncias das galáxias com os ecos de ondas sonoras logo após o Big Bang e testar a teoria da gravidade de Einstein ao longo da idade do Universo.

O WFIRST também vai realizar um levantamento de um tipo de explosão estelar, baseando-se nas observações que levaram à descoberta da expansão acelerada. As super-novas do Tipo Ia ocorrem quando as estrelas anãs brancas explodem. As super-novas do Tipo Ia geralmente têm o mesmo brilho absoluto no seu pico, tornando-as no que os astrónomos apelidam de “velas padrão”. Isto significa que os astrónomos podem determinar a que distância estão a ver o seu brilho da Terra – e quanto mais longe estão, mais ténues parecem. Os astrónomos também vão observar comprimentos de onda específicos provenientes de super-novas para descobrir com que rapidez as estrelas moribundas estão a afastar-se nós. Ao combinarem distâncias com medições de brilho, os cientistas podem ver como a energia escura evoluiu ao longo do tempo, fornecendo uma verificação cruzada com os dois levantamentos.

Adicionalmente, o HLIS (High Latitude Imaging Survey) vai medir as formas e distâncias de inúmeras galáxias e enxames galácticos. A imensa gravidade de objectos massivos distorce o espaço-tempo e faz com que as galáxias mais distantes pareçam distorcidas. A observação do grau de distorção permite que os cientistas possam inferir a distribuição de massa por todo o cosmos. Isto inclui toda a matéria que podemos ver directamente, como planetas e estrelas, bem como a matéria escura – outro mistério cósmico escuro que é “visível” apenas devido aos seus efeitos gravitacionais sobre a matéria normal. Este levantamento fornecerá uma medição independente do crescimento da estrutura a larga escala do Universo e de como a energia escura tem afectado o cosmos.

“A missão WFIRST é única na combinação destes três métodos. Levará a uma interpretação muito robusta e rica dos efeitos da energia escura e permitir-nos-á fazer uma declaração definitiva sobre a natureza da energia escura,” disse Olivier Doré, cientista do JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, e líder da equipa que está a planear os dois primeiros métodos de pesquisa com o WFIRST.

Descobrir como a energia escura afectou a expansão do Universo no passado vai lançar alguma luz sobre como influenciará a expansão no futuro. Se continuar a acelerar a expansão do Universo, podemos estar destinados a sofrer um “Big Rip”. Neste cenário, a energia escura acabará por tornar-se dominante sobre as forças fundamentais, fazendo com que tudo o que está actualmente unido – galáxias, planetas, pessoas – se separe. A exploração da energia escura vai permitir-nos investigar e possivelmente prever o destino do Universo.

Astronomia On-line
24 de Setembro de 2019

 

2276: Energia escura “primitiva” pode ser o elo perdido para explicar a expansão do Universo

CIÊNCIA

ESA / XMM-Newton / J-T. Li (Universidade de Michigan) / SDSS

Uma equipa de cientistas acredita que uma forma exótica de energia escura, que terá surgido no Universo primitivo, pode explicar as recorrentes discrepâncias nas taxas de expansão do Cosmos, fenómeno conhecido como “Tensão de Hubble”.

De acordo com o novo estudo, cujos resultados foram esta semana publicados na revista científica especializada Physical Review Letters, a energia em causa seria uma forma mais exótica da energia escura – que por si só é um mistério na Astronomia – e ter-se-ia formado durante a “infância” do Universo.

A estranha energia escura é uma forma pouco conhecida (mas incontornável) de energia que permeia o Espaço – no total, representa 70% da densidade do Universo. Esta energia tende a lançar o Universo para velocidades cada vez mais rápidas, isto é, tende a acelerar a sua expansão. Mas quão rápido se expande o Universo?

Os cientistas não conseguiram ainda chegar a um consenso ou, pelo menos, a velocidades de expansão próximas – eis a “Tensão de Hubble”. A primeira luz do Universo – a radiação cósmica de fundo de micro-ondas (CMB) – sugere uma taxa de expansão mais baixa do Universo mais baixa do que estudos sobre super-novas e estrelas pulsantes no Universo próximo. Simplificando: O Universo parece estar a expandir-se a uma maior velocidade do que é previsto pelos modelos primordiais, no momento após o Big Bang.

Como os números não batem certo, os cientistas acreditam que falta algo ao modelo dos Cosmos, como novas leis da Física ou algum tipo desconhecido de matéria, para que esta discrepância possa existir. Segundo defende a nova investigação, esta forma exótica de matéria escura pode ser isso mesmo, o elo perdido para explicar a expansão do Universo.

De acordo com os cientistas, esta forma de matéria escura pode ter afectado de forma subtil a forma como a CMB se parece, explicando assim porque é que a expansão medida agora é menor do que se esperava. Observações futuras de alta resolução da CMB podem comprovar se a energia primitiva realmente existiu no recém-formado Universo.

“O papel desta energia escura primitiva passa por afectar a taxa de expansão em cerca de 100.000 anos após o Big Bang”, disse a cientista e autora principal do estudo, Vivian Poulin, do Laboratoire Univers et Particules de Montpellier, uma divisão do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científicam na França, em declarações ao portal Live Science.

“Naquela época, [a energia escura inicial] seria responsável por até 10% da densidade total de energia no Universo”, explicou a especialista.

Este energia primitiva, segundo escreveram os cientistas na publicação, não terá durado muito tempo: terá antes decaído “apenas” algumas centenas de milhares de anos após a sua formação. No Universo primordial, esta forma exótica de energia terá funcionado como uma constante cosmológica temporária, tal como explica o Live Science.

A constante cosmológica, inicialmente proposta por Albert Einstein (1879-1955), importa frisar, é utilizada para nomear o factor desconhecido pelo qual o Universo se continua a expandir, bem como para compreender a expansão do Universo logo após o Big Bang.

Após este breve momento na cronologia do Universo, este energia exótica desapareceu, voltando a taxa de expansão a ser definida pela constante cosmológica moderna. Este desaparecimento explica assim a discrepância de valores, segundo os cientistas.

“Há muitos modelos no mercado que poderiam produzir [energia escura primitiva] (…) O que sugerimos é inspirado na Teoria das Cordas”, acrescentou Poulin.

O debate sobre a energia escura e a expansão do Universo vai certamente continuar a alimentar estudos e procedimentos científicos. As missões futuras, como o telescópio Synoptic Survey Telescope e o telescópio Euclid, poderão testar directamente sinais de energia escura em apenas cinco anos.

“Acho que é muito importante pensar sem novas formas em que a tensão [de Hublble] poderia ser resolvida, como estão a fazer estes autores”, disse ao mesmo portal a astrónoma Wendy Freedman, da Universidade de Chicago, nos Estados Unidos, que não participou na nova investigação, observando que, em última análise, a discrepância “será resolvida empiricamente com dados de maior precisão”.

SA, ZAP // Live Science / Phys.or

Por ZAP
5 Julho, 2019

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