Energia Escura: Quando o Universo Escapa à Sua Própria Gravidade

Descoberta da Aceleração Cósmica

Em 1998, duas equipes independentes lideradas por Saul Perlmutter (1959-), Brian P. Schmidt (1967-) e Adam Riess (1969-) descobriram, por meio do estudo de supernovas do tipo Ia, que a expansão do Universo não estava desacelerando sob o efeito da gravitação, como se pensava, mas, ao contrário, estava acelerando. Para explicar essa observação, os cosmólogos introduziram o conceito de energia escura, um componente misterioso que representa cerca de 70% do conteúdo energético total do Universo.

Natureza Hipotética da Energia Escura

A energia escura é às vezes assimilada a uma constante cosmológica \(\Lambda\), termo adicionado às equações de Einstein da relatividade geral (1915). Ela pode ser interpretada como uma propriedade intrínseca do vácuo quântico (vácuo quântico: estado de energia mínima da teoria quântica de campos), ou como uma forma de campo escalar dinâmico (quintessência). Sua pressão negativa exerceria uma repulsão gravitacional, o que causaria a aceleração da expansão. No entanto, sua origem física permanece desconhecida.

Equações Cosmológicas

No âmbito do modelo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, a equação da expansão é escrita como: \(\;H^2 = \frac{8\pi G}{3}\rho - \frac{k}{a^2} + \frac{\Lambda}{3}\;\) onde \(H\) é a constante de Hubble, \(\rho\) a densidade total de matéria-energia, \(k\) a curvatura espacial e \(\Lambda\) a constante cosmológica. Um termo \(\Lambda > 0\) gera uma expansão acelerada.

Expansão Acelerada e Hipóteses do Multiverso

Algumas teorias cosmológicas avançam a existência de um multiverso (multiverso: conjunto hipotético de universos distintos), onde nosso Universo seria apenas uma bolha entre outras. Neste contexto, foi sugerido que a expansão acelerada poderia resultar não apenas de uma energia escura intrínseca, mas também de interações gravitacionais ou fluxos de energia entre universos vizinhos.

De acordo com esses modelos, cada universo teria suas próprias constantes físicas e densidade de energia. As forças gravitacionais exercidas por universos vizinhos poderiam induzir um efeito aparente de repulsão ou aceleração da expansão de nossa bolha cósmica. Esta hipótese permanece especulativa e difícil de testar com as observações atuais, mas oferece uma alternativa aos modelos padrão baseados apenas na constante cosmológica \(\Lambda\).

Trabalhos teóricos utilizando a teoria das cordas e branas sugerem que flutuações no vácuo quântico ou variações na tensão das membranas universais poderiam influenciar a expansão do nosso Universo observável. Essas ideias foram discutidas notavelmente por Lisa Randall (1962-) e Juan Maldacena (1968-) no contexto dos modelos de branas.

N.B.:
A teoria das cordas propõe que as partículas fundamentais são cordas vibrantes em um espaço de 10 ou 11 dimensões. Cada configuração possível das dimensões adicionais (variedades de Calabi-Yau) define um "vácuo" com suas próprias constantes físicas. Esta multidão de soluções possíveis é chamada de paisagem (paisagem: conjunto de soluções possíveis da teoria das cordas), e leva naturalmente à ideia de um multiverso (multiverso: conjunto hipotético de universos distintos): nosso universo seria então apenas uma bolha entre um conjunto de universos com propriedades físicas diferentes.

Comparação com Outros Componentes do Universo

A energia escura domina atualmente a evolução cosmológica, à frente da matéria escura e da matéria ordinária. Esse desequilíbrio se estabeleceu há cerca de 5 bilhões de anos, quando a densidade da matéria diminuiu ao ponto de se tornar inferior à da energia escura.

• Fontes: NASA WMAP (nova janela), ESA Planck Mission (nova janela), Prêmio Nobel de Física 2011 (nova janela).

N.B.:
A energia escura permanece uma hipótese cosmológica. Ela não é observada diretamente, mas deduzida dos efeitos dinâmicos sobre a expansão.