Eternos Aprendizes

23/12/2008

Estudo independente confirma: o destino do Universo é controlado pela Energia Escura

A Energia Escura atua inibindo o crescimento das galáxias

Há 10 anos o estudo das supernovas tipo Ia distantes originou a descoberta da energia escura que é considerada a responsável pela expansão acelerada do Universo. Agora, os cientistas confirmam a existência dessa misteriosa e repulsiva força, usando uma linha independente de experimentos e medições. As novas descobertas fornecem novas e consistentes provas para a teoria geral da relatividade estabelecida por Einstein e suportam a idéia que a energia escura é uma propriedade intrínseca e imutável do vácuo cósmico. Pela primeira vez, os astrônomos observaram claramente os efeitos da energia escura nos objetos colapsados mais massivos do Universo (os aglomerados galácticos), usando o Observatório Chandra de raios-X da NASA. Rastreando como a energia tem impulsionado o crescimento dos aglomerados galácticos e combinando isto com os estudos anteriores, os cientistas conseguiram as melhores evidências até o momento do que é a energia escura e qual é o real destino do Universo.

MPE/V.Springel

A imagem composta à esquerda é a do aglomerado estelar Abell 85, localizado cerca de 740 milhões de anos-luz da Terra. A emissão na cor violeta é originada pelo gás aquecido a milhões de graus de temperatura que foi detectado pelo observatório de raios-X Chandra da NASA. As demais cores mostram as galáxias em uma imagem ótica do SDSS – Sloan Digital Sky Survey. A ilustração à direita mostra flagrantes da simulação feita por Volker Springel representando o crescimento da estrutura cósmica quando o Universo tinha, respectivamente, 0,9, 3,2 e 13,7 bilhões de anos de idade. Essa imagem nos mostra como o Universo evoluiu de uma arquitetura suave para um estado contendo uma vasta quantidade de estruturas. O crescimento das estruturas era inicialmente modelado predominantemente pela força atrativa da gravidade. Esta situação mudou há 5,5 bilhões de anos quando a interferência da força repulsiva gerada pela energia escura passou a dominar o cenário universal. Crédito: NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.; Optical - SDSS; Illustração: MPE/V.Springel

Os cientistas julgam que a energia escura é uma força repulsiva que domina o Universo atual. A energia escura supostamente trabalharia contra a gravidade tentando empurrar a matéria em queda de volta, expandindo-a e inibindo o crescimento das galáxias. Segundo disse o astrofísico Alexey Vikhlinin, esses novos resultados reforçam mas não provam a suspeita de que a energia escura é uma estranha antigravidade denominada constante cosmológica, que foi uma hipótese concebida e posteriormente abandonada por Albert Einstein, como “um engano”, quase um século atrás. Caso isso seja verdade, o Universo está condenado a se esvaziar (e inflar) e um dia no futuro (algo como 100 bilhões de anos) todas as galáxias exceto as vizinhas do grupo local mais próximas da Via Láctea desaparecerão da nossa vista, ou seja, ficarão fora do “Universo Observável“.

O "Universo Observável" depende do ponto de vista do observador. A Terra está no centro de uma parte do Universo - aquele que podemos ver. Um ser de uma civilização extraterrestre vivendo em uma galáxia distante como a M87 iria ver uma parte distinta do Universo, a parte centrada nele. Em um Universo com idade estimada em 13,7 bilhões de anos nós só podemos ver até uma distância de 13,7 bilhões de anos-luz, ou seja, um subconjunto do Universo. Quanto mais longe vemos, mais voltamos no tempo. A luz leva 50 milhões de anos para chegar da galáxia M87 até nós e então vemos a situação da M87 há 50 milhões de anos atrás. O limite observável vai até quando o Universo tinha 300.000 anos de idade, quando o Universo tornou-se transparente e os fótons passaram a fluir.

O "Universo Observável" depende do ponto de vista do observador. A Terra está no centro de uma parte do Universo - aquele que podemos ver. Um ser de uma civilização extraterrestre vivendo em uma galáxia distante como a M87 iria ver uma parte distinta do Universo, a parte centrada nele. Em um Universo com idade estimada em 13,7 bilhões de anos nós só podemos ver até uma distância de 13,7 bilhões de anos-luz, ou seja, um subconjunto do Universo. Quanto mais longe vemos, mais voltamos no tempo. A luz leva 50 milhões de anos para chegar da galáxia M87 até nós e então vemos a situação da M87 há 50 milhões de anos atrás. O limite observável vai até quando o Universo tinha 300.000 anos de idade, quando o Universo tornou-se transparente e os fótons passaram a fluir.

O astrofísico Alexey Vikhlinin e seus colegas do Smithsonian Astrophysical Observatory situado em Cambridge, Massachusetts, mapeaeam o comportamento do crescimento de um conjunto de aglomerados galácticos ao longo de bilhões de anos. Esses aglomerados massivos de poeira e gás cósmico são ligados entre si pela força da gravidade. Esse time de cientistas analisou as imagens em raios-X desses aglomerados originadas pelo observatório espacial Chandra de raios-X da NASA e concluiu que o crescimento dessas complexas e gigantescas estruturas galácticas tem sido atenuado desde 5,5 bilhões de anos atrás.

Esse período de 5,5 bilhões de anos é de fato um momento crucial na guerra entre a força repulsiva originada pela energia escura e o puxão atrativo gerado pela força gravitacional. Em outras palavras o Universo foi inflado de tal forma pela energia escura tornou-se muito difícil para a gravidade juntar a matéria dos aglomerados galácticos afastados pela força repulsiva. Dessa forma não só os aglomerados galácticos tiveram seus crescimentos atrofiados como também a formação de novos aglomerados foi prejudicada e declinou.

contração, expansão linear e expansão acelerada

Os diversos cenários do Universo, da esquerda para a direita: contração, expansão linear e expansão acelerada

A cronologia do efeito da energia escura no crescimento dos aglomerados coincide com as descobertas feitas através da análise das supernovas distantes que haviam mostrado que a expansão do Universo que esteve desacelerada no passado remoto passou a se acelerar há 5,5 bilhões de anos atrás. Essas são duas fases distintas da história do Universo:

  • A era dominada pela matéria (a era anterior que findou há 5,5 bilhões de anos)
  • A era dominada pela energia escura (a era atual)

situação há 9 bilhões de anos atrás, há 4 bilhões de anos e hoje.

A guerra das forças - a energia escura vence a gravidade: situação há 9 bilhões de anos atrás, há 4 bilhões de anos e hoje.

David Spergel, astrofísico da universidade de Princeton afirmou que a consistência entre os resultados obtidos pelas duas técnicas distintas “é um triunfo para a teoria da relatividade geral de Einstein”, a qual descreve a força gravitacional como uma propriedade intrínseca da geometria do espaço-tempo do Universo. As descobertas fornecem explicações alternativas consistentes para a expansão acelerada do Universo e levam os pesquisadores da ciência cosmológica um passo a frente no entendimento da energia escura.

Visão do Universo desde o big-bang passando pelo momento atual e a visão do futuro

Visão do Universo desde o big-bang passando pelo momento atual e a visão do futuro

O que foi estudado pelos cientistas:

Vikhlinin e seus colegas usaram o observatório espacial de raios-X Chandra para avaliar 86 aglomerados galácticos previamente localizados pelo satélite Rosat (1990-1999). Um dos conjuntos consistia de 37 aglomerados galácticos distantes cerca de cinco bilhões de anos-luz. O outro grupo continha 49 aglomerados galácticos distantes cerca de meio bilhão de anos-luz ou mais próximos. Suas massas, determinadas pela extensão das imagens de raios-X e seus espectros, variavam do equivalente a 100 trilhões de vezes a massa do Sol até quintilhões de massas solares.

Os resultados mostram que o incremento de massa dos aglomerados galácticos ao longo do tempo se alinha com a tese do Universo dominado pela energia escura. Torna-se mais difícil para os objetos massivos como os aglomerados galácticos crescer quando o espaço se estica (infla, expande), devido à energia escura. Vikhlinin e sua equipe viram este efeito claramente nos dados analisados. Os resultados são notavelmente consistentes com aqueles que medem as distâncias, revelando que a teoria da relatividade geral se aplica perfeitamente, como se esperava, em grandes escalas.

Comparando os dados do estudo aos modelos de evolução cósmica, Vikhlinin e equipe constataram que os aglomerados com maior massa representam apenas 20% do número que deveria existir, hoje, se não existisse a energia escura no Universo. Os aglomerados galácticos “continuam crescendo, mas muito devagar”, afirma Vikhlinin.

Os novos resultados sobre os aglomerados, combinados a outras medições das supernovas tipo Ia e das microondas cósmicas remanescentes do Big Bang, oferecem as mais precisas medições já identificadas quanto à energia escura, diz Vikhlinin.

Estes resultados acarretam conseqüências notáveis para a previsão do destino final do Universo. Se a energia escura é explicada pela constante cosmológica, a expansão do Universo continuará acelerando, e a Via-Láctea e sua vizinha a galáxia de Andrômeda, nunca se fundirão com o aglomerado de Virgem. Nesse caso, em aproximadamente cem bilhões de anos, todas as outras galáxias desaparecerão da visão de la Vía Láctea (já unida a Andrômeda em uma só mega-galáxia) e finalmente, o superaglomerado local de galáxias também se desintegrará.

Os trabalhos de Vikhlinin e seus colegas serão publicados em dois artigos distintos no exemplar de 10 de fevereiro de 2009 na revista The Astrophysical Journal. O Centro de Vôo Espacial Marshall da NASA em Huntsville, Alabama, coordena o programa Chandra para o Conselho da Missão Científica da NASA em Washington. O Observatório Astrofísico Smithsoniano controla as operações científicas e de vôo do Chandra a partir de sua base em Cambridge, Massachusetts.

Fontes e referências:

ScienceNow Daily News: Galaxy Clusters Throttled by Dark Energy por Yudhijit Bhattacharjee

New York Times: Dark Energy Stunts Galaxies’ Growth por DENNIS OVERBYE

Science Daily: Dark Energy Found Stifling Growth In Universe

Chandra press release: Dark Energy Found Stifling Growth in Universe

NASA – Marshall Space Flight Center: Dark Energy Found Stifling Growth in Universe por:

JD Harrington – Headquarters, Washington – j.d.harrington@nasa.gov
Jennifer Morcone – Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala. – Jennifer.J.Morcone@nasa.gov
Megan Watzke – Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass. – cxcpress@cfa.harvard.edu

NASA, WMAP: Timeline of the Universe

Scientific American: Beyond the Shadow of a Doubt? Dark Energy Independently Confirmed

Scientific American: Discovering a Dark Universe – A Q&A with Saul Perlmutter.Dark energy is pushing the universe apart at an ever faster rate. Astrophysicist Saul Perlmutter recounts the experimental approaches he took to make that discovery. Por David Appell

Scientific American: Dark Forces at Work. Ten years ago two teams discovered that the universe will expand forever at an ever faster rate, thanks to an unseen energy. The leader of one of the groups, Saul Perlmutter, expects that new observations will soon illuminate the universe’s dark side. Por David Appell

Universe Today: No “Big Rip” in our Future: Chandra Provides Insights Into Dark Energy por Nancy Atkinson

ArXiv.org: Chandra Cluster Cosmology Project III: Cosmological Parameter Constraints

Autores: A.Vikhlinin, A.V.Kravtsov, R.A.Burenin, H.Ebeling, W.R.Forman, A.Hornstrup, C.Jones, S.S.Murray, D.Nagai, H.Quintana, A.Voevodkin

Nature.com Blog: New clues for dark energy

Astro.Iag.Usp: Constante Cosmológica e Energia Escura aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A Inflação (cósmica) aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A relatividade geral e a cosmologia aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: A expansão do Universo aula por Ronaldo E. de Souza

Astro.Iag.Usp: O Big-Bang – aula por Ronaldo E. de Souza

Inovação Tecnológica: Descoberta primeira evidência da existência da Energia Escura

Inovação Tecnológica: Teoria da Energia Escura completa 10 anos

Inovação Tecnológica: Cientistas criam primeira “imagem” da Energia Escura

Inovação Tecnológica: Astrônomos descobrem parte da matéria perdida do Universo

A linha do tempo desde do Big-Bang

A linha do tempo desde o Big-Bang - representação gráfica da evolução do Universo ao longo de 13,7 bilhões de anos: à esquerda está representado o momento mais cedo que hoje podemos medir, quando um período de “inflação” produziu uma expansão de crescimento exponencial no Universo (o tamanho está representado pela largura vertical da grade ilustrada no infográfico). Nos bilhões de anos seguintes, a expansão o Universo gradualmente reduziu-se através da atração gravitacional exercida pela matéria sobre si mesma. Mais a frente a expansão começou a acelerar-se novamente em decorrência da predominância da energia escura atuando sobre a expansão do Universo. A radiação de fundo primordial (CMB) detectada pelo WMAP foi emitida cerca de 380.000 anos após a era da inflação quando o Universo deixou de ser opaco e tornou-se transparente permitindo que a radiação fluísse livremente. A assinatura do Universo primordial, anterior aos 380.000 anos, está presente na CMB que fornece o pano de fundo para o desenvolvimento do Universo. Crédito: NASA/WMAP Science Team


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