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Tomografia do universo revela evidência de energia escura

terça-feira, 3 nov 2009; \45\UTC\UTC\k 45 Deixe um comentário Go to comments

Resultado da análise de lentes gravitacionais usando o telescópio espacial Hubble revelou evidência independente da expansão acelerada do universo.

O conjunto de evidências favoráveis ao modelo do Big Bang com expansão acelerada acaba de crescer. Um grupo de astrônomos e astrofísicos de países da Europa, Estados Unidos e China — chamada colaboração COSMOS — finalizou uma detalhada análise da distribuição de lentes gravitacionais que indica que o universo é descrito pelo modelo do Big Bang com aceleração. O grupo utilizou dados de uma câmera do telescópio espacial Hubble que fotografa galáxias próximas a Terra dentro de uma área de aproximadamente (1.6°)2. Através de um método de estimativa do desvio para o vermelho da luz das galáxias, COSMOS mediu parte da distribuição de massa do universo em diferentes distâncias para concluir que esta exige um termo de aceleracão para a expansão do universo. Cosmólogos medem a contribuição da aceleração do universo em termos de um parâmetro conhecido como a (densidade da) constante cosmológica, que é zero em universo em expansão desacelerada, e positivo para um universo acelerado, \Omega_\Lambda. O recente resultado, publicado hoje, revela que

\Omega_\Lambda > 0.32.

Esse número significa que pelo menos 32% da densidade de energia do universo está na forma da componente responsável pela expansão acelerada, genericamente chamada de energia escura.

O método usado pelo grupo COSMOS é inédito, e é importante porque revela uma medida da aceleração da expansão do universo que independe da calibração de distância inventada com as medidas de supernovas tipo Ia — esta foi a relação entre intensidade da luz emitida pela supernova em função de sua distância, que permitiu a descoberta da aceleração do universo em 1998.

Lentes gravitacionais fracas

Fig. 1: Imagem do telescópio espacial Hubble do aglomerado de galáxias Abell 2218. O campo gravitacional das galáxias do aglomerado distorce a imagem de galáxias que estejam atrás deste, que tem sua forma esticada em uma elipse, que são os arcos visíveis ao redor do aglomerado.

Toda vez que um raio de luz passa perto de uma massa M, o campo gravitacional de M atrai o raio de luz, causando uma deflexão. Esta deflexão foi vista pela primeira vez por Arthur Eddington e constituiu uma das primeiras evidências a favor da teoria da Relatividade Geral de Einstein. Um conjunto de galáxias funciona como a massa M para galáxias próximas que estejam atrás do aglomerado vistas em relação a Terra, causando um desvio visível em fotografias, como a imagem do aglomerado de Abell 2218. Nesse caso, o fenômeno é conhecido como lente gravitacional forte.

Como todo objeto no universo emite luz que, inexoravelmente, passa perto de diversas massas M até chegar a Terra, é possível dizer que toda imagem vista por nós contém algum nível de distorção gravitacional. O efeito é esquematizado na Fig. 2, e nesse caso é conhecido como lente gravitacional fraca. Nesse caso, a deflexão da luz é causada por várias massas m distantes da linha de propagação da luz, causando um pequeno desvio da posição da fonte de luz. Embora o desvio seja pequeno, e não seja possível determinar a posição original do astro, é possível observar o padrão de distorção causado pelo meio material entre a fonte e nós, Fig. 2. Esse padrão permite inferir a quantidade de massa gravitacional que existe entre as galáxias sendo observadas e nós na Terra.

Fig. 2: Desenho esquemático de lente gravitacional fraca. A distorção na distribuição foi exagerada para melhor visualização. Imagem da Wikipedia. O lado esquerdo ilustra a imagem sem lente gravitacional, o lado direito com.

Tomografia de lentes gravitacionais

A colaboração COSMOS utilizou um católogo de lentes gravitacionais fracas associado a uma medida do desvio para o vermelho das galáxias na amostra. A distorção da imagem causada pelo campo gravitacional é o que dá informação sobre o conteúdo do universo, e a variação com desvio para o vermelho permite saber como este conteúdo evolui com a distância. O método então permite acompanhar no tempo a evolução da distribuição de massa do universo, e ficou conhecido como tomografia de lentes gravitacionais fracas.

Não é possível, naturalmente, definir qual é a posição exata de cada galáxia devido a distorção da posição causada pela desconhecida distribuição do campo gravitacional, no entanto, é possível obter informação sobre a correlação da distribuição de galáxias, isto é, a probabilidade de se encontrada uma galáxia na posição x, outra ser encontra na posição y. A medida da distribuição da fonte do campo gravitacional em função da distância contém a informação de que há um grande componente na fonte do campo gravitacional que é independente da distância: é a constante cosmológica.

Assumindo que o universo é plano, os dados de COSMOS indicam que no momento mais recente do universo (i.e. para desvios para o vermelho da luz da ordem de um), a densidade de matéria é aproximadamente

\Omega_m = 0.27.

Isso significa que aproximadamente 27% da densidade de energia do universo hoje se encontra na forma de massa com baixas velocidades em comparação a da luz. Como o universo hoje é composto predominantemente por massa e talvez energia escura, sabendo que a soma de todas as densidades de energia é igual a 1 (que é verdade apenas para o universo plano), conclui-se que cerca de 73% da densidade de energia está em forma de energia escura. Permitindo que a geometria do universo não seja necessariamente plana, não é possível extrair um único valor para \Omega_\Lambda, no entanto, é possível demonstrar que os dados implicam que a quantidade

q_0 = \Omega_m / 2 - \Omega_\Lambda

é negativa, logo \Omega_\Lambda não pode ser zero, e portanto o universo é acelerado.

O que ainda não se sabe sobre a aceleração do universo

COSMOS demonstrou que lentes gravitacionais fracas podem ser utilizadas para extrair informação cosmológica útil. O próximo passo é entender a evolução temporal das distribuições de massa do universo e da energia escura. A evolução temporal (se alguma) da energia escura é o que pode nos dizer sua origem física: se ela é uma constante cosmológica, ou se é mais outro campo físico da Natureza.

Mais informações

  1. Tim Schrabback et al., arXiv:0911.0053
  2. Matthias Bartelmann, Peter Schneider, astro-ph/9912508.
  3. Wikipedia
  1. cesar
    quarta-feira, 25 nov 2009; \48\UTC\UTC\k 48 às 17:52:22 EST

    considero que uma constante cosmológica, no sentido mais amplo, não precisa ser necessariamente uma constante matemática…suponho que essa energia escura seja uma forma física de “planificar” o universo em termos causais e infinitesimais, a partir de sua singularidade original.

    • quarta-feira, 25 nov 2009; \48\UTC\UTC\k 48 às 18:33:59 EST

      Ola Cesar,

      A constante cosmológica não tem efeito sobre a curvatura espacial do universo. O universo pode ter curvatura espacial não-nula mesmo com uma constante cosmológica não nula. O que acontece é que, quando a curvatura espacial é nula, vale a relação de que a soma total das densidades de energia medidas em termos de \Omega é igual a um, ou seja:

      \Omega_\Lambda + \Omega_\text{materia} + \Omega_\text{radiacao} = 1

      A constante cosmológica, a rigor, é de fato uma constante no tempo e no espaço, porém, é possível introduzir uma quantidade que tem o mesmo efeito que a constante cosmológica de acelerar a expansão do universo, portanto de acordo com o resultado do COSMOS e o diagrama de Hubble como medido pelo projeto das supernovas tipo IA, que é apenas aproximadamente constante no espaço e no tempo, que é um novo campo escalar na Natureza genericamente chamado de quintessência. Espero que tenha ficado mais claro.

  2. cesar
    quinta-feira, 26 nov 2009; \48\UTC\UTC\k 48 às 07:12:32 EST

    bom Leonardo, seguindo o raciocínio, os redshifts das supernovas praticamente determinam um universo plano, o que acarreta uma determinada quantidade de energia escura, que por sua vez justifica a expansão acelerada por uma constante cosmológica.
    O campo escalar da quintessência, no caso, seria utilizado como um rito de passagem da perspectiva matemática para a realidade física?

    • quinta-feira, 26 nov 2009; \48\UTC\UTC\k 48 às 15:12:18 EST

      A física consiste em descrever matematicamente a realidade. Não entendi portanto o que você quis dizer com a sua última observação. A quintessência é uma forma de introduzir uma densidade de energia para o universo que se comporta aproximadamene como uma constante cosmológica. A constante cosmológica tem esse nome porque é uma densidade de energia que não depende nem do espaço, nem do tempo. Mas os dados também são consistentes se essa densidade de energia variar no tempo de tal forma que a variação fracionária é da ordem da idade do universo, \Delta\varepsilon /\Delta t \simeq \varepsilon/ t_{\text{idade}}. É sempre possível descrever essa variação no tempo da constante cosmológica como a existência de um campo escalar, que é o que se chama quintessência.

  3. cesar
    quinta-feira, 26 nov 2009; \48\UTC\UTC\k 48 às 16:06:58 EST

    ok, então poderíamos dizer que constante cosmológica e quintessência são 2 faces da mesma moeda…
    perdão, a enfase na questão é devido à leitura mais superficial de uma dicotomia teórica associando unilateralmente a viabilidade da quintessência à uma teoria diferente da relatividade geral ( teoria das cordas, no caso).

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