A forma dominante de energia no cosmos, a energia escura está impulsionando a expansão acelerada do universo, mas sua natureza permanece um completo mistério

A energia escura é a forma dominante de energia no cosmos. Crédito da imagem: Tobias Roetsch/All About Space Magazine/Future

A energia escura é uma forma hipotética de energia proposta pelos físicos para explicar por que o universo não está apenas se expandindo, mas está fazendo isso em um ritmo acelerado.

Pense na energia escura como a "contraparte do mal" da gravidade, uma força "antigravidade" que fornece uma pressão negativa que preenche o universo e estica o próprio tecido do espaço-tempo. Ao fazê-lo, a energia escura afasta os objetos cósmicos a um ritmo cada vez mais rápido, em vez de aproximá-los como a gravidade faz.

Estima-se que a energia escura represente cerca de 68% a 72% da energia e matéria totais do universo, sua provisão de matéria/energia; o que significa que ela domina fortemente tanto a matéria escura quanto a matéria cotidiana.

A única resposta real para a pergunta "o que é energia escura?" Atualmente é "não sabemos" por mais insatisfatório que seja. Os cientistas não estão completamente no escuro, no entanto. Existem alguns candidatos importantes para explicar a energia escura. 

Isso inclui a energia do vácuo do espaço, partículas literalmente entrando e saindo da existência no espaço vazio, e uma “quinta força” responsável pela pressão negativa que pode causar a expansão acelerada do universo. 

Outras possibilidades, uma gama de diferentes “sabores” de campos que poderiam explicar a energia escura, como um campo de baixa energia apelidado de “quintessência”, campos de táquions, partículas hipotéticas que viajam mais rápido que a luz e, portanto, voltam no tempo, entre outros conceitos.

Tudo isso permanece puramente hipotético, significando que a única maneira de realmente "conhecer" a energia escura atualmente é por meio de seu efeito no universo. 

O QUE A ENERGIA ESCURA FAZ (E NÃO FAZ)?

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. Crédito da imagem: NASA/WMAP Science Team

Se a energia escura está fazendo com que o universo se expanda a um ritmo acelerado, não deveríamos ver nossa caneca de café se afastando de nós ou perceber que nosso trajeto para o trabalho fica mais longo a cada dia?

Não vemos coisas assim acontecerem (mesmo que às vezes pareça que vemos) porque objetos ligados gravitacionalmente, como estrelas, sistemas planetários, aglomerados de estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e até mesmo nossa caneca e mesa de café, não parecem experimentar os efeitos da energia escura. A gravidade ainda supera a energia escura em pequenas escalas.

A energia escura só parece atuar nas maiores escalas do universo, sendo a expansão do universo um fenômeno que só pode ser medido observando galáxias e outros objetos cósmicos que estão separados por enormes golfos de espaço na ordem de milhões, bilhões, e até dezenas de bilhões de anos-luz de distância de nós. E quanto maior a distância que separa esses objetos cósmicos, mais rapidamente eles se afastam uns dos outros.

Como uma analogia simples para isso, imagine desenhar três pontos em um balão murcho, dois próximos e o outro mais distante. Nessa analogia, a energia escura é a respiração soprando no balão superando a gravidade, que é representada pela tensão da pele de borracha do balão. À medida que o balão é inflado, todos os três pontos se afastam um do outro, mas o ponto mais distante se afasta mais rapidamente.

É como se fossem três galáxias, duas próximas e a outra mais afastada, a última se afastando mais rápido porque o espaço entre ela e as outras galáxias, como a borracha do balão, está se alongando, e mais espaço significa mais expansão. 

Atualmente, os cientistas estimam que as galáxias estão ficando 0,007% mais distantes umas das outras a cada milhão de anos. O astrofísico teórico americano Ethan Siegel explicou em uma coluna para o Big Think que em "termos reais" para um objeto cósmico a 100 milhões de anos-luz de distância, os astrônomos inferem que ele está recuando a 2.150 quilômetros por segundo (1.336 milhas por segundo). Enquanto isso, uma galáxia a 1 bilhão de anos-luz de distância está se afastando 10 vezes mais rápido, a cerca de 21.500 km/s (13.360 milhas por segundo).

A taxa de expansão foi medida para a Galáxia GN-z11, uma das galáxias mais antigas já descobertas, que vemos como era quando o universo tinha apenas 400 milhões de anos. A uma distância estimada de 32 bilhões de anos-luz, a energia escura está expandindo o tecido do espaço a uma taxa tal que a GN-z11 está se afastando de nós a uma velocidade estimada de 687.000 quilômetros por segundo (426.882 milhas por segundo); mais do que o dobro da velocidade de luz. 

Embora seja verdade que nada pode viajar pelo espaço mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo, 299.792 quilômetros por segundo (186.282 milhas por segundo), a energia escura demonstra que o tecido espacial em si não está sujeito a tais limites de velocidade.

À medida que se separam, as galáxias mantêm sua forma e não se espalham internamente graças a outro aspecto “escuro” do universo, a matéria escura.

Não se deixe enganar pelos nomes semelhantes, energia escura e matéria escura; às vezes agrupadas e descritas como o "universo escuro", não são consideradas relacionadas além de algumas semelhanças superficiais.

ENERGIA ESCURA VERSUS MATÉRIA ESCURA: QUAL É A DIFERENÇA?

Diagrama mostrando a história da expansão universal marcando o ponto em que a energia escura superou a gravidade e se tornou dominante. Crédito da imagem: Euclid Assessment Study Report/ESA

Ambos os aspectos "escuros" do universo são misteriosos e até agora desafiaram a explicação, e ambos não podem ser detectados diretamente com sua existência inferida pelo efeito que têm na matéria visível. Mas é incorreto pensar na energia escura simplesmente como a energia equivalente à matéria escura.

A matéria escura não interage com a luz como a matéria composta de átomos feitos de prótons e nêutrons, parte da família de partículas bariônicas, que nos rodeia todos os dias e é conhecida como "matéria bariônica". 

A matéria escura é, portanto, literalmente "escura" e, portanto, o prefixo em "matéria escura" é usado mais literalmente do que em "energia escura", em vez de apenas aludir apenas a uma natureza misteriosa.

Parece que o "cabo de guerra" cósmico entre a atração da matéria escura e o impulso da energia escura começou há pelo menos 9 bilhões de anos, bem antes da energia escura ganhar vantagem e começar a acelerar a expansão do universo. Crédito da imagem: Future

A principal maneira pela qual sabemos que a matéria escura existe é pelo seu efeito gravitacional de manter as galáxias juntas. Sem a influência gravitacional da matéria escura, as galáxias estão girando tão rapidamente que a influência gravitacional de sua matéria visível, estrelas, planetas, gás e poeira, seria insuficiente para impedir que elas se separassem.

Isso significa que, enquanto a energia escura está separando as coisas em grande escala, a matéria escura está mantendo as galáxias juntas em uma escala menor. A esse respeito, a energia escura e a matéria escura quase poderiam ser consideradas como tendo efeitos opostos no universo. 

É quase como se a energia escura e a gravidade estivessem em uma guerra cósmica com o universo como o puxar de uma corda. O principal concorrente com mais "puxão" do lado da gravidade é a matéria escura. Mas quanto "músculo" a matéria escura realmente tem?

Em termos de conteúdo de energia e matéria do universo, vimos que a energia escura é responsável por cerca de 68% a 72%. Isso deixa cerca de 32% a 28% da provisão da matéria e energia do universo para todo o resto, principalmente matéria escura e matéria bariônica.

De acordo com o CERN a matéria escura supera a matéria bariônica no universo em uma proporção de cerca de 6 para 1. Isso significa que cerca de 25% dessa provisão de energia/matéria é matéria escura e resulta na chocante percepção de que a matéria que compõe estrelas, planetas e tudo o que vemos ao nosso redor, não é mais do que 5% do conteúdo total do universo.

Não é de admirar que resolver o mistério do universo escuro tenha se tornado uma preocupação premente para os cientistas, afinal sua existência significa que literalmente não temos ideia a cerca de 95% do que o universo é.

QUE EVIDÊNCIAS TEMOS PARA A ENERGIA ESCURA?

A primeira detecção de energia escura por meio da descoberta de que a expansão do universo está se acelerando foi feita por duas equipes de cientistas trabalhando independentemente no final dos anos 1990. 

Essas equipes estavam realizando pesquisas de supernovas do Tipo Ia, explosões cósmicas que ocorrem quando estrelas massivas morrem e que produzem emissões de luz tão uniformes que são excelentes para medir distâncias cósmicas.

Isso ocorre porque, à medida que o universo se expande, a luz de fontes distantes que leva muito tempo para viajar até a Terra tem seu comprimento de onda "esticado". Como o vermelho é uma cor associada à luz de onda longa, isso resulta em um avermelhamento da luz que os astrônomos chamam de " desvio para o vermelho".

Quanto mais longe uma fonte de luz está, mais sua luz é desviada para o vermelho, com origens de fontes extremamente distantes que existiam quando o universo era jovem deslocadas para a região infravermelha do espectro eletromagnético.

Os astrônomos estavam observando as chamadas supernovas de "vela padrão" para tentar medir a taxa de expansão universal, chamada de constante de Hubble. 

O que eles descobriram foram supernovas mais distantes que explodiram quando o universo era muito mais jovem e eram mais fracas do que o esperado. Isso significava que essas supernovas estavam mais distantes do que deveriam, implicando que a expansão do universo estava se acelerando. 

Esta descoberta seria confirmada com observações de acompanhamento e por medições de um campo de radiação que sobrou logo após o Big Bang, chamada de "Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB)".

Um mapa da radiação de fundo remanescente do Big Bang, obtido pela espaçonave Planck da ESA, capturou a luz mais antiga do universo. Esta informação ajuda os astrônomos a determinar a idade do universo. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, CC BY-SA

A CONSTANTE COSMOLÓGICA E A ENERGIA ESCURA: A PIOR PREVISÃO DA HISTÓRIA DA FÍSICA

A descoberta do desvio para o vermelho da luz de fontes distantes e, portanto, a expansão do universo pelo famoso astrônomo Edwin Hubble na década de 1930 forçou Albert Einstein a eliminar um fator de suas equações, chamado constante cosmológica, representada pela letra grega lambda (λ). 

Quando Einstein formulou a relatividade geral em 1915, ficou surpreso ao ver que ela indicava que o universo deveria estar se expandindo ou se contraindo. Como o grande físico era a favor da ideia de um universo em estado estacionário, como muitos faziam na época, isso era um problema.

Para combater isso, Einstein introduziu λ - um "fator de correção" auto-admitido que ele mais tarde descreveu como seu "maior erro", como uma forma de "antigravidade" para equilibrar a gravidade e garantir que o universo que ele modelou fosse um estado estacionário e não estivesse se expandindo ou contraindo.

A constante cosmológica foi assim confinada à lata de lixo cósmica, mas não ficaria lá por muito tempo. A revelação de que a expansão do universo está se acelerando foi ainda mais surpreendente do que a descoberta de Hubble e, ironicamente, obrigou os cosmólogos a resgatar a constante cosmológica λ. Hoje λ é usada para representar o efeito da energia escura, uma nova forma de 'antigravidade' que separa o universo em vez de mantê-lo estável.

Infelizmente, a constante cosmológica λ é uma dor de cabeça tão grande para os cosmólogos quanto foi para Einstein, talvez mais. 

O principal suspeito responsável pela λ atualmente é a energia do vácuo do próprio espaço, na verdade, exercendo pressão negativa sobre objetos cósmicos. Isso implicaria que a energia escura é a mesma em todos os lugares, mas há um grande problema com essa explicação.

Existe uma enorme disparidade entre o grande valor da energia do vácuo sugerido pela teoria quântica e o valor de λ dado pela observação. A estimativa teórica para esta energia do espaço vazio da teoria quântica de campos é algo da ordem de 1 X 10¹²⁰ (1 seguido por 120 zeros) maior que o valor de λ que os astrônomos observam no cosmos, observando o desvio para o vermelho das supernovas.

É por um bom motivo, então, que as estimativas de λ da teoria quântica de campos foram chamadas de "a pior previsão teórica da história da física" por alguns cientistas. No entanto, tanto o refinamento desse campo da física quanto nossos avanços na astronomia não estão ajudando a dissipar essa disparidade, mas sim a fortalecê-la.

Por tanto, esta não é a única razão pela qual a energia escura é tão preocupante. 

POR QUE A ENERGIA ESCURA É TÃO PREOCUPANTE?

O aglomerado Abell 1689 curva a luz em um fenômeno chamado lente gravitacional. Estudar esse imenso aglomerado de galáxias localizado a 2,2 bilhões de anos-luz de distância pode ajudar os cientistas a entender melhor a natureza da energia escura. A distribuição de massa da matéria escura na lente gravitacional está sobreposta em roxo. Crédito da imagem: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS

A revelação de Hubble de que o universo estava se expandindo pode ter chocado a comunidade científica, incluindo Einstein, mas a percepção de que essa expansão estava se acelerando e a necessidade de introduzir a energia escura foi realmente alucinante e muito mais preocupante para os físicos. 

Isso foi antes do final da década de 1990, os físicos assumiram que todas as formas de matéria e energia são atraentes e, portanto, o universo acabaria por desacelerar sua expansão graças ao efeito da gravidade. 

A descoberta da energia escura e a expansão acelerada do universo viraram completamente essa ideia de cabeça para baixo. Para imaginar por que isso é tão preocupante para os físicos, considere outra analogia simples. 

Imagine empurrar uma criança em um balanço, com o empurrão inicial sendo análogo ao que quer que tenha iniciado o período inicial de inflação rápida que chamamos de Big Bang. 

O balanço atinge um certo extremo em seu arco, análogo à rápida expansão imediata que caracteriza o Big Bang, e então começa a desacelerar, a criança e o balanço lentamente param.

Estima-se que a inflação inicial tenha cessado entre 10^-33 e 10^-32 segundos após o Big Bang, com a expansão continuando por bilhões de anos depois disso, embora muito mais lentamente.

Durante esse período do universo, a gravidade era a força dominante, permitindo que estruturas cada vez maiores, como estrelas, galáxias e aglomerados galácticos, tomassem forma. Então, entre cerca de 3 a 7 bilhões de anos atrás, algo interessante aconteceu, a energia escura substituiu a gravidade e o universo começou a se expandir rapidamente novamente. 

Voltando ao nosso cenário de balanço, o início deste segundo surto de expansão é como se de repente, sem a aplicação de um empurrão adicional, o balanço recomeçasse a se oscilar cada vez mais rápido e atingir maiores alturas, parecendo desafiar a gravidade. 

O que a energia escura está fazendo com o tecido do espaço-tempo nesta época do universo dominada pela energia escura é análogo a esse "empurrão fantasma".

Se você está preocupado com o que acontece com a criança no balanço à medida que ela acelera em nossa analogia, pense em como os cosmólogos devem estar preocupados com o que a energia escura significa para o destino do universo.

POR QUE É IMPORTANTE ENTENDER A ENERGIA ESCURA?

Entender a energia escura é fundamental para construir um modelo preciso de como o universo evoluiu ao longo do tempo, e isso inclui a forma que ela assume e como terminará. 

Tanto a origem quanto o destino do universo são determinados por sua "densidade crítica" que o Swinburne Center for Astrophysics and Supercomputing define como "a densidade média de matéria necessária para que o universo simplesmente interrompa sua expansão, mas somente após um tempo infinito".

Se a densidade de matéria/energia do universo for igual à densidade crítica, então, em termos de geometria, o universo é plano como uma folha de papel. Em um universo dominado por matéria, a densidade crítica está entre a densidade necessária para um "universo pesado" em colapso e a densidade de um "universo leve" que se expande para sempre.

O conteúdo total do universo sem energia escura é apenas cerca de 30% do que é necessário para um universo plano, que é o tipo de geometria que o universo deveria ter se criado pelo Big Bang. Isso ocorre porque a inflação inicial deveria ter "suavizado" o universo geometricamente como uma folha de papel.

A adição de energia escura para a provisão de massa-energia do universo "aumenta" o suficiente para que o universo seja plano e, nos modelos mais simples de inflação cósmica, traz a densidade do universo para perto da densidade crítica. 

Antes da introdução da energia escura, os cosmólogos presumiam que, eventualmente, a influência atrativa da gravidade sobrepujaria a expansão do universo. Isso poderia levar a alguns "fins" possíveis para o universo, um dos quais o "Big Crunch" sugeria que o universo começaria a se contrair e se concentrar em si mesmo.

A aceleração da expansão do universo dissipa essa ideia. Se a energia escura continuar a acelerar a expansão do universo, então, em vez de um Big Crunch, seu destino pode ser um "Big Rip".

Este é um cenário em que a energia escura eventualmente se torna dominante sobre cada uma das forças fundamentais do universo, gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas, quebrando ou dilacerando tudo o que está atualmente unido por essas forças, sejam galáxias, planetas, ou pessoas, até mesmo os prótons e nêutrons que compõem os átomos.

Portanto, fique de olho naquela caneca de café.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

LEITURA ADICIONAL

Se você quiser saber mais sobre os outros elementos do 'universo escuro', incluindo a gama de partículas que podem compor essa misteriosa forma de matéria, o CERN explica a diferença entre WIMPs e MACHOs e tudo mais.  

BIBLIOGRAFIA

• Dark Energy, Cosmos, Swinburne, [acessado em 17/11/22][https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/d/Dark+Energy#:~:text=Dark%20Energy%20is%20a%20hipotético ,um%20acelerado%20período%20de%20expansão]
• Energia escura, matéria escura, NASA Science, [acesso em 17/11/22][ https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy]
• Como você resolve um problema como a energia escura?, NASA, [acesso em 17/11/22], [https://nasa.tumblr.com/post/187688377474/how-do-you-solve-a-problem-like -energia escura]
• Lea. R., Uma nova geração assume a constante cosmológica, Physics World , [2021], [https://physicsworld.com/a/a-new-generation-takes-on-the-cosmological-constant/]
• Hubble Team Breaks Cosmic Distance Record, HubbleSite, março de 2016, [acesso em 17/11/22], [http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/07/fastfacts/]
• Siegal. E., Pergunte a Ethan: Com que rapidez o espaço está se expandindo?, Starts with a Bang, Big Think, [2022], https://bigthink.com/starts-with-a-bang/fast-space-expanding/
• Jones. MH, Lambourne. RJA, Sargento. S., An Introduction to Galaxies and Cosmology, Cambridge University, [2015], ISBN 978 1 107 49261 5

—Este artigo foi atualizado em 30 de dezembro de 2022 às 11h35m pelo editor da Gaia Ciência.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

LEA, Robert. What is dark energy? Space, Nova York, 24, nov. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/dark-energy-what-is-it>. Acesso em: 30, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.