Estudo sobre supernovas mostra que a energia escura pode ser mais complicada do que pensávamos

Do que é feito o universo? Esta questão tem motivado os astrônomos há centenas de anos.

Durante o último quarto de século, os cientistas acreditaram que coisas “normais”, como átomos e moléculas que constituem você, eu, a Terra e quase tudo que podemos ver, representam apenas 5% do universo. Outros 25% são “matéria escura”, uma substância desconhecida que não podemos ver, mas que podemos detectar através da forma como afeta a matéria normal através da gravidade.

Os 70% restantes do cosmos são feitos de “energia escura”. Descoberta em 1998, esta é uma forma desconhecida de energia que se acredita estar a fazer o Universo expandir-se a um ritmo cada vez maior.

In um novo estudo, a ser publicado em breve no Astronomical Journal, meus colegas e eu medimos as propriedades da energia escura com mais detalhes do que nunca. Os nossos resultados mostram que pode ser uma hipotética energia de vácuo proposta pela primeira vez por Einstein – ou pode ser algo mais estranho e mais complicado que muda ao longo do tempo.

O que é energia escura?

Quando Einstein desenvolveu a teoria geral da relatividade, há mais de um século, percebeu que as suas equações mostravam que o Universo deveria estar a expandir-se ou a encolher. Isto lhe pareceu errado, então ele adicionou uma “constante cosmológica” – um tipo de energia inerente ao espaço vazio – para equilibrar a força da gravidade e manter o universo estático.

Mais tarde, quando o trabalho de Henrietta Swan Leavitt e Edwin Hubble mostrou que o Universo estava de facto em expansão, Einstein eliminou a constante cosmológica, chamando-a o seu “maior erro”.

No entanto, em 1998, duas equipas de investigadores descobriram que a expansão do Universo estava na verdade a acelerar. Isto implica que, afinal, pode existir algo bastante semelhante à constante cosmológica de Einstein – algo que hoje chamamos de energia escura.

Desde essas medições iniciais, temos usado supernovas e outras sondas para medir a natureza da energia escura. Até agora, estes resultados mostraram que a densidade da energia escura no Universo parece ser constante.

Isto significa que a força da energia escura permanece a mesma, mesmo à medida que o universo cresce – ela não parece se espalhar de forma mais tênue à medida que o universo fica maior. Medimos isso com um número chamado w. Conjunto de efeitos da constante cosmológica de Einstein w para -1, e observações anteriores sugeriram que isso estava certo.

Explodindo estrelas como bastões de medição cósmica

Como medimos o que existe no universo e quão rápido ele está crescendo? Não temos fitas métricas enormes ou balanças gigantes, então usamos “velas padrão”: objetos em espaço cujo brilho conhecemos.

Imagine que é noite e você está em uma longa estrada com alguns postes de luz. Todos esses postes têm a mesma lâmpada, mas os postes mais distantes são mais fracos que os próximos.

Isso ocorre porque a luz desaparece proporcionalmente à distância. Se conhecermos a potência da lâmpada e pudermos medir o quão brilhante ela parece ser, poderemos calcular a distância até o poste de luz.

Para os astrônomos, uma lâmpada cósmica comum é um tipo de estrela em explosão chamada supernova Tipo Ia. Estas são estrelas anãs brancas que muitas vezes sugam matéria de uma estrela vizinha e crescem até atingirem 1.44 vezes a massa do nosso Sol, altura em que explodem. Medindo a rapidez com que a explosão desaparece, podemos determinar o quão brilhante ela era e, portanto, a que distância de nós.

A Pesquisa de Energia Escura

A Pesquisa de energia escura é o maior esforço até agora para medir a energia escura. Mais de 400 cientistas em vários continentes têm trabalhado juntos há quase uma década para observar repetidamente partes do céu meridional.

Observações repetidas permitem-nos procurar mudanças, como a explosão de novas estrelas. Quanto mais você observar, melhor poderá medir essas mudanças e, quanto maior a área pesquisada, mais supernovas poderá encontrar.

Os primeiros resultados que indicam a existência de energia escura utilizaram apenas algumas dezenas de supernovas. Os últimos resultados do Dark Energy Survey utilizam cerca de 1,500 estrelas em explosão, proporcionando uma precisão muito maior.

Usando uma câmera especialmente construída instalada no Telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro-Tololo, no Chile, a pesquisa encontrou milhares de supernovas de diferentes tipos. Para descobrir quais eram do Tipo Ia (o tipo que precisamos para medir distâncias), utilizámos o Telescópio Anglo Australiano de 4 metros no Observatório Siding Spring, em Nova Gales do Sul.

O Telescópio Anglo Australiano fez medições que quebraram as cores da luz das supernovas. Isto permite-nos ver uma “impressão digital” dos elementos individuais da explosão.

As supernovas do tipo Ia têm algumas características únicas, como não conter hidrogênio e silício. E com supernovas suficientes, a aprendizagem automática permitiu-nos classificar milhares de supernovas de forma eficiente.

Mais complicado que a constante cosmológica

Finalmente, depois de mais de uma década de trabalho e estudo de cerca de 1,500 supernovas do Tipo Ia, o Dark Energy Survey produziu uma nova melhor medição de w. Nós achamos w = –0.80 ± 0.18, então está em algum lugar entre –0.62 e –0.98.

Este é um resultado muito interessante. Está próximo de –1, mas não exatamente lá. Para ser a constante cosmológica, ou a energia do espaço vazio, ela precisaria ser exatamente –1.

Onde isso nos deixa? Com a ideia de que pode ser necessário um modelo mais complexo de energia escura, talvez um em que esta energia misteriosa tenha mudado ao longo da vida do universo.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito da imagem: Os restos de uma supernova Tipo Ia – uma espécie de estrela explosiva usada para medir distâncias no universo. NASA/CXC/U.Texas, CC BY

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/01/12/supernova-study-shows-dark-energy-may-be-more-complicated-than-we-thought/