Expansão Acelerada do Universo

O Universo em Expansão

No coração dos debates contemporâneos em cosmologia está um fenômeno impressionante: a expansão acelerada do universo. Descoberta no final da década de 1990, essa revelação transformou nossa compreensão da dinâmica cósmica e levou à proposta de um novo componente misterioso do universo: a energia escura.

A ideia de que o universo está em expansão remonta ao trabalho de Edwin Hubble, que, na década de 1920, demonstrou que as galáxias estão se afastando de nós e que a velocidade com que se afastam é proporcional à sua distância. Esse fenômeno é descrito pela lei de Hubble, que estabeleceu que o universo está em expansão, um conceito corroborado pelas equações da relatividade geral de Albert Einstein.

A Descoberta da Expansão Acelerada

Na metade da década de 1990, duas equipes independentes de astrônomos, o Supernova Cosmology Project (SCP) e a High-Z Supernova Search Team, começaram a observar supernovas do tipo Ia, que são explosões estelares características. Essas supernovas são utilizadas como velas padrão devido ao seu brilho intrínseco relativamente constante.

Os astrônomos mediram o brilho aparente dessas supernovas e, ao compará-las com seu brilho intrínseco, puderam determinar sua distância. Ao mesmo tempo, mediram o deslocamento para o vermelho dessas supernovas para calcular sua velocidade de recessão. Essas medições revelaram um resultado inesperado: as supernovas distantes pareciam menos brilhantes do que o esperado em um modelo de universo em expansão desacelerada, indicando que estavam se afastando mais rapidamente do que se antecipava.

Essa descoberta levou à conclusão de que a expansão do universo não estava desacelerando, como se pensava inicialmente, mas sim acelerando. Isso levou à introdução do conceito de energia escura, uma forma de energia misteriosa que constitui cerca de 68% do universo e exerce uma pressão negativa, promovendo a aceleração da expansão.

Energia Escura e Constante Cosmológica

A energia escura foi integrada nos modelos cosmológicos através da constante cosmológica (Lambda), que apareceu nas equações de Einstein. Esse termo, originalmente introduzido para permitir um modelo de universo estático, foi redescoberto para explicar a aceleração da expansão.

Os cosmólogos propuseram diferentes modelos para descrever a energia escura:

• Constante Cosmológica (Lambda): Um termo constante nas equações de Einstein que representa uma energia do vácuo uniforme.
• Campos Dinâmicos: Teorias que modificam a natureza da energia escura ao longo do tempo, como os modelos de quintessência ou as modificações da gravidade.

Provas Observáveis

Além das supernovas, várias outras observações apoiam a ideia da expansão acelerada:

• Flutuações do Fundo Cósmico de Micro-ondas (CMB): Medidas pelos satélites WMAP e Planck, essas flutuações fornecem informações sobre a composição do universo e indicam que a energia escura é necessária para explicar a aceleração.
• Estrutura em Grande Escala: Estudos sobre a distribuição de galáxias e aglomerados de galáxias revelam que a distribuição da matéria e as velocidades de recessão estão alinhadas com as previsões de modelos que incluem energia escura.
• Oscilações Acústicas Barônicas (BAO): Essas estruturas no espectro de distribuição de galáxias também fornecem evidências da aceleração da expansão.

Consequências e Questões em Aberto

Ainda não conhecemos a verdadeira natureza da energia escura e da aceleração da expansão do universo. Os físicos estão tentando testar esses dois paradigmas que podem explicar as observações, o da energia escura e o da gravidade modificada. Isso permitiria descartar um grupo de teorias. As missões Euclides ou SKA ajudarão a decidir entre esses dois grupos de teorias.

A professora Camille Bonvin, professora da Universidade de Genebra, desenvolveu um método para testar esses dois paradigmas. Ele consiste em comparar a distorção do tempo e a distorção do espaço, geradas pelas galáxias e aglomerados presentes no universo. A relatividade geral de Einstein prevê que essas duas distorções são iguais, ao contrário das teorias alternativas da gravidade onde, geralmente, essas distorções diferem.

Testar a validade da teoria de Einstein nos confins mais distantes do universo é, sem dúvida, um dos grandes desafios da cosmologia do amanhã.

N.B.:
Euclid é a missão espacial selecionada pela ESA (programada para 2023) que pode fornecer respostas sobre a verdadeira natureza do universo. Euclides investigará a história da expansão do universo e a formação de estruturas cósmicas. O objetivo é medir a distribuição da matéria no universo e como essa distribuição evoluiu desde o Big Bang. O nome da missão foi escolhido em homenagem a Euclides (300 a.C.), o matemático grego considerado o pai da geometria.