Imagem: JWST Telescópio Espacial James Webb da NASA (domínio público).
A grande maioria do Universo (70%) está em uma forma desconhecida.
De acordo com o modelo padrão ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), a expansão acelerada do universo é atribuída a uma forma de energia escura, geralmente chamada de energia escura. O modelo padrão ΛCDM é o modelo cosmológico mais aceito em 2023. Descreve o universo como sendo composto por 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria comum. A energia escura está absolutamente em toda parte.
O modelo ΛCDM é compatível com uma ampla gama de observações, incluindo a lei de Hubble, a distribuição das galáxias e a composição do universo. No entanto, coloca alguns problemas teóricos, incluindo a natureza da energia escura e o facto de constituir uma fracção tão grande do Universo.
A explicação pode simplesmente vir da constante cosmológica induzida pela relatividade geral, que teria um valor diferente de zero.
Esta constante Λ, acrescentada por Albert Einstein às suas equações da relatividade geral (1915), em fevereiro de 1917, explica esta expansão desde que lhe seja dado um valor muito preciso.
Para alguns cosmólogos isto não é satisfatório, e é por isso que olham para além disso.
Há um grande número de teorias alternativas ou extensões do modelo que procuram explicar esta aceleração de diferentes maneiras.
Estas teorias alternativas foram propostas para explicar a expansão do universo sem envolver a energia escura. Podem ser classificados em duas categorias: aqueles que modificam a composição do universo e aqueles que modificam a teoria da gravitação.
• Quintessência postula a existência de um campo escalar dinâmico, denominado campo de quintessência, que preenche o universo com energia que evolui ao longo do tempo. Este desenvolvimento pode levar a mudanças na aceleração da expansão do universo durante as épocas cósmicas.
• K-essência implica a existência de um campo escalar dinâmico que preenche o universo. Ao contrário de um campo escalar com uma equação de estado simples (como aquela associada a um campo de quintessência), o campo de essência K pode ter uma equação de estado mais complexa.
• A energia escura fantasma reside em uma equação de estado "fantasma" onde a densidade da energia escura aumenta com o tempo, o que leva a uma aceleração da expansão do universo que se torna cada vez mais rápida. Ao contrário da energia escura padrão, que leva a uma expansão acelerada mas limitada, a energia escura fantasma sugere uma expansão que se torna infinita num tempo finito, o que pode ter implicações interessantes e especulativas para o destino final do universo.
• A Quintessência Acoplada explica a aceleração observada da expansão do universo, introduzindo graus de liberdade adicionais em comparação com a constante cosmológica simples Λ do modelo ΛCDM.
• O gás Chaplygin introduz uma pressão negativa associada à equação de estado de Chaplygin. Poderia levar a uma força repulsiva, simulando assim o efeito da energia escura.
• Janus é uma teoria cosmológica proposta pelo físico Julian Barbour. A ideia chave é considerar que o tempo não é uma entidade fundamental, mas sim um conceito emergente. Barbour propõe que o tempo que percebemos resulta de uma simetria particular, chamada simetria de Janus, que liga os estados preferenciais de dois universos-espelho. Esses dois universos são descritos pela teoria, e a simetria de Janus os conecta de tal forma que em cada um deles surge um conceito de tempo.
• Janus-Petit, baseia-se nos mesmos princípios da teoria original de Barbour, mas introduz uma nova hipótese. A hipótese de Petit é que a métrica negativa da teoria de Janus está associada a uma forma de matéria ou energia que existe numa dimensão adicional. Esta dimensão adicional está oculta à nossa observação, mas interage com a dimensão espacial que percebemos.
• A teoria de Gauss-Bonnet é uma extensão da relatividade geral que inclui termos adicionais nas equações do campo gravitacional. Mais precisamente, incorpora o termo de Gauss-Bonnet, que é uma combinação particular de termos de curvatura quadrática na ação gravitacional.
• A teoria de Einstein-Æther é uma abordagem alternativa à relatividade geral de Albert Einstein. Propõe uma modificação da teoria da gravidade introduzindo um campo vetorial, denominado campo do Éter, que é um vetor unitário ligado ao espaço-tempo. Esta teoria foi desenvolvida para explorar cenários onde a simetria de Lorentz (que descreve a invariância das leis físicas sob as transformações de Lorentz) pode ser quebrada espontaneamente.
• Gravidade em Cascata baseia-se na ideia de que o espaço-tempo que observamos pode conter diversas dimensões adicionais, além das quatro dimensões que comumente percebemos (três dimensões espaciais e uma dimensão temporal). Estas dimensões adicionais são compactadas numa escala muito pequena, e é a sua influência na escala cosmológica que é explorada nesta teoria.
• Os Fab Four é uma teoria cosmológica proposta pelos físicos John Moffat e Paul Wesson. Baseia-se na ideia de que a expansão do universo se deve à presença de uma nova forma de matéria ou energia, denominada “matéria de Wesson”.
• A teoria de Galileon é uma classe de teorias de campos escalares no contexto da gravidade que generaliza as propriedades de simetria de Galileu. O nome "Galileão" vem do fato de que essas teorias compartilham simetrias semelhantes ao movimento de Galileu na mecânica clássica.
• A teoria DGP (Dvali-Gabadadze-Porrati) é uma teoria da gravidade formulada por Gia Dvali, Gregory Gabadadze e Massimo Porrati na década de 2000. A principal característica da teoria DGP é a introdução de dimensões adicionais do espaço-tempo, além das quatro dimensões que comumente observamos (três dimensões espaciais e uma dimensão temporal). Essas dimensões extras são frequentemente chamadas de "branas" (abreviação de membranas) no contexto da teoria das cordas e das dimensões extras.
• A teoria de Brans-Dicke foi projetada para explorar possibilidades além da gravidade einsteiniana padrão, introduzindo um campo escalar adicional (às vezes chamado de "dilaton") nas equações gravitacionais.
• Bigravidade é uma proposição teórica no campo da física que explora a possibilidade de que a gravidade resulte da interação de dois campos gravitacionais distintos em vez de apenas um.
• A teoria de Horndeski é uma classe especial de teorias de gravidade alternativas que abrange modelos de gravidade escalar-tensor. Foi formulado por Gregory Horndeski em 1974 e é caracterizado pela presença de uma quinta força, distinta da gravidade newtoniana padrão, que surge de um campo escalar não minimamente acoplado à gravidade.
• A teoria f(R) é uma classe de teorias da gravidade modificadas que generaliza a gravidade de Einstein introduzindo uma função arbitrária f(R) nas equações de campo. A teoria f(R) assume que a constante de curvatura da relatividade geral é uma função da curvatura do espaço-tempo. Isso significa que a gravitação pode ser diferente em escalas diferentes.
• Gravidade maciça é uma extensão da gravidade geral de Einstein que explora a possibilidade de que as partículas responsáveis pela transmissão da força gravitacional, chamadas grávitons, tenham massa diferente de zero. Ao contrário da gravidade geral, onde os grávitons são considerados sem massa, a gravidade massiva propõe que estas partículas tenham uma certa massa.
• A teoria Randall-Sundrum propõe uma extensão da dimensão usual do espaço-tempo, incluindo uma dimensão adicional, muitas vezes chamada de dimensão adicional "compacta". As principais características da teoria são descritas em dois modelos, geralmente denominados RS1 e RS2.
Os cientistas não carecem de criatividade. Existem muitas outras teorias alternativas no campo da física teórica e da cosmologia, buscando explicar fenômenos como a energia escura ou a expansão acelerada do universo. Algumas destas teorias são mais especulativas do que outras e podem ter implicações que vão além das observações atuais.
A pesquisa nessas áreas está ativa, mas nenhuma teoria alternativa foi ainda amplamente aceita como uma explicação completa e definitiva dos fenômenos observados no universo. No entanto, representam uma forma promissora de resolver os problemas teóricos do modelo ΛCDM.
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