Observações de supernovas distantes e a misteriosa força repulsiva que impulsiona a aceleração cósmica
Uma reviravolta inesperada na evolução cósmica
Durante a maior parte do século XX, os cosmólogos acreditavam que a expansão do Universo, iniciada no Big Bang, desaceleraria com o tempo devido à atração gravitacional da matéria. A questão central era se o Universo se expandiria para sempre ou acabaria por contrair-se, dependendo da densidade total da sua massa. Contudo, em 1998, duas equipas de investigação independentes, ao estudarem supernovas do tipo Ia a grandes deslocamentos para o vermelho, fizeram uma descoberta surpreendente: em vez de desacelerar, a expansão cósmica está a acelerar. Esta aceleração inesperada indicava um novo componente energético – a energia escura, que constitui cerca de 68 % da energia total do Universo.
A presença da energia escura mudou fundamentalmente a nossa visão cósmica. Ela indica que existe um efeito repulsivo em grande escala que supera a gravidade da matéria, acelerando a expansão. A explicação mais simples é a constante cosmológica (Λ), que representa a energia do vácuo no espaço-tempo. No entanto, outras teorias propõem um campo escalar dinâmico ou física exótica. Embora possamos medir o efeito da energia escura, a sua natureza essencial permanece um dos maiores mistérios da cosmologia, destacando o quanto ainda desconhecemos sobre o futuro do Universo.
2. Evidências da aceleração nas observações
2.1 Supernovas do tipo Ia como velas padrão
Astrónomos usam supernovas do tipo Ia – explosões de anãs brancas em sistemas binários – como "velas padrão". O seu brilho máximo, após calibração, é bastante constante, permitindo determinar distâncias cósmicas e a história da expansão ao comparar o brilho aparente com o desvio para o vermelho. No final dos anos 1990, a High-z Supernova Search Team (A. Riess, B. Schmidt) e o Supernova Cosmology Project (S. Perlmutter) descobriram que supernovas distantes (~z 0,5–0,8) parecem mais fracas do que o esperado se o Universo estivesse desacelerando ou estático. A expansão acelerada é a melhor explicação [1,2].
2.2 FCM e estudos de grandes estruturas
Dados adicionais dos satélites WMAP e Planck das anisotropias do fundo cósmico de micro-ondas (FCM) determinaram parâmetros cosmológicos precisos, mostrando que toda a matéria (escura + bariônica) representa cerca de ~31% da densidade crítica, enquanto o restante (~69%) é composto pela misteriosa energia escura ou "Λ". Estudos de grandes estruturas (ex. SDSS) observando as oscilações acústicas bariônicas (BAO) são consistentes com a hipótese de expansão acelerada. Todos esses dados concordam que no modelo ΛCDM cerca de 5% da matéria é bariônica, ~26% é matéria escura e ~69% é energia escura [3,4].
2.3 Oscilações acústicas bariônicas e crescimento das estruturas
Oscilações acústicas bariônicas (BAO), observadas na distribuição de galáxias em grandes escalas, funcionam como uma "régua padrão" para medir a expansão em diferentes épocas. Seus modelos indicam que, nos últimos ~bilhões de anos, a expansão do Universo tem acelerado, tornando o crescimento das estruturas mais lento do que se esperaria apenas pela dominância da matéria. Todas as diferentes fontes de dados apontam para a mesma conclusão: existe um componente acelerador que supera a desaceleração causada pela matéria.
3. A constante cosmológica: a explicação mais simples
3.1 A constante Λ de Einstein e a energia do vácuo
Albert Einstein introduziu a constante cosmológica Λ em 1917 para obter um Universo estático. Quando Hubble descobriu que o Universo está em expansão, Einstein rejeitou Λ, chamando-a de "maior erro". Paradoxalmente, Λ voltou como a principal candidata à fonte da aceleração: energia do vácuo, cuja equação de estado p = -ρ c² gera pressão negativa e um efeito gravitacional repulsivo. Se Λ for realmente constante, o Universo tenderá no futuro a uma expansão exponencial, pois a densidade da matéria se tornará insignificante.
3.2 Escala e problema do "fine-tuning"
O valor observado da densidade da energia escura (Λ) é cerca de ~ (10-12 GeV)4, enquanto a teoria quântica de campos prevê uma energia do vácuo muito maior. Este problema da constante cosmológica pergunta: por que razão a Λ medida é tão pequena comparada às previsões à escala de Planck? Tentativas de encontrar o que compensa essa enorme quantidade ainda não deram uma explicação convincente. É um dos maiores desafios de "fine-tuning" da física.
4. Energia escura dinâmica: quintessência e alternativas
4.1 Campos de quintessência
Em vez de uma Λ constante, alguns cientistas propõem um campo escalar dinâmico φ com potencial V(φ), variável no tempo – frequentemente chamado de "quintessência". A sua equação de estado w = p/ρ pode diferir de -1 (como seria para uma constante cosmológica pura). Observações indicam w ≈ -1 ± 0,05, ainda permitindo uma pequena variação. Se w mudasse com o tempo, talvez descobriríamos um ritmo de expansão diferente no futuro. Contudo, até agora não há sinais firmes de variação temporal.
4.2 Energia "fantasma" ou k-essência
Alguns modelos permitem w < -1 (energia "fantasma"), levando ao "Grande rasgão" (big rip), quando a expansão acaba por despedaçar até os átomos. Ou a "k-essência" introduz formas não conformes de termos cinéticos. Isto é especulativo, e ao avaliar dados de supernovas, BAO e CMB, nada mostrou até agora uma vantagem clara sobre a simples Λ quase constante.
4.3 Gravidade modificada
Outra abordagem é modificar a relatividade geral em grandes escalas, em vez de introduzir energia escura. Por exemplo, dimensões adicionais, teorias f(R) ou modelos de braneworld podem gerar uma aceleração aparente. Contudo, é difícil conciliar os testes precisos do Sistema Solar com os dados cosmológicos. Até agora, nenhuma tentativa superou claramente a simples teoria Λ no contexto mais amplo das observações.
5. A questão "Por que agora?" e o problema da coincidência
5.1 Coincidência cósmica
A energia escura começou a dominar apenas há alguns mil milhões de anos – por que razão o Universo acelera precisamente agora, e não antes ou depois? Isto é chamado de "problema da coincidência", sugerindo que talvez o princípio antrópico ("observadores inteligentes surgem ~na altura em que as magnitudes da matéria e de Λ são da mesma ordem") explique esta coincidência. O modelo padrão ΛCDM não resolve isto por si só, mas aceita como parte do contexto antrópico.
5.2 Princípio antrópico e multi-universos
Viene explicado que, se Λ fosse muito maior, as estruturas não se formariam antes da aceleração impedir a acumulação de matéria. Se Λ fosse negativa ou diferente, surgiriam condições para uma evolução distinta. O princípio antrópico afirma que observamos Λ exatamente do tamanho que permite a formação de galáxias e observadores. Com as ideias de multi-universos, pode-se dizer que em diferentes "bolhas" (Universos) existe um valor diferente da energia do vácuo, e nós estamos precisamente neste devido às condições favoráveis.
6. Perspetivas futuras do Universo
6.1 Aceleração eterna?
Se a energia escura for realmente uma constante Λ, o Universo sofrerá uma expansão exponencial no futuro. Galáxias que não estejam gravitacionalmente ligadas (não pertencentes ao grupo local) afastar-se-ão para além do nosso horizonte cosmológico, desaparecendo gradualmente do campo de visão e deixando-nos numa "Ilha do Universo", onde restarão apenas galáxias locais fundidas.
6.2 Outros cenários
- Quintessência dinâmica: se w > -1, a expansão será mais lenta que exponencial, próxima do estado de de Sitter, mas não tão intensa.
- Energia fantasma (w < -1): Pode terminar num "Grande Rasgão", quando a expansão ultrapassa até a coesão dos átomos. Os dados atuais contradizem um cenário forte de "fantasma", mas não descartam um w ligeiramente inferior a -1.
- Decaimento do vácuo: Se o vácuo for apenas metastável, pode transitar repentinamente para um estado de energia mais baixa – um fenómeno fatal no contexto da física. Contudo, por enquanto, isto é apenas especulação.
7. Pesquisas atuais e futuras
7.1 Projetos cosmológicos de alta precisão
Projetos como o DES (Dark Energy Survey), eBOSS, Euclid (ESA) ou o futuro observatório Vera C. Rubin (LSST) investigarão milhares de milhões de galáxias, medindo a história da expansão através de supernovas, BAO, lente fraca e crescimento de estruturas. Espera-se determinar o parâmetro da equação de estado w com uma precisão de cerca de 1%, para verificar se é realmente igual a -1. Se for detectada uma variação em w, isso indicará energia escura dinâmica.
7.2 Ondas gravitacionais e astronomia multissinal
No futuro, a deteção de ondas gravitacionais de "sirenes" padrão (fusões de estrelas de neutrões) permitirá medir autonomamente a distância e a expansão cósmica. Combinado com sinais eletromagnéticos, isso refinará ainda mais a evolução da energia escura. Também as medições de radiação de 21 cm na época da aurora cósmica podem ajudar a estudar a expansão a distâncias maiores e aumentar o nosso conhecimento sobre o comportamento da energia escura.
7.3 Avanços teóricos?
Resolver o problema da constante cosmológica ou descobrir a base microfísica da quintessência poderá ser possível se as perspetivas da gravidade quântica ou da teoria das cordas evoluírem. Também novos princípios de simetria (por exemplo, supersimetria, que infelizmente ainda não foi detectada no LHC), ou argumentos antrópicos podem explicar por que a energia escura é tão pequena. Se fossem detectadas "excitações da energia escura" ou uma "quinta força" adicional, isso mudaria completamente a nossa perceção. Por enquanto, infelizmente, as observações não suportam isso.
8. Conclusão
Energia escura – um dos maiores mistérios da cosmologia: o componente repulsivo responsável pela expansão acelerada do Universo, descoberta inesperadamente no final do século XX através do estudo de supernovas distantes do tipo Ia. Muitos dados adicionais (CMF, BAO, lenteamento, crescimento estrutural) confirmam que a energia escura constitui cerca de 68–70% da energia do Universo, segundo o modelo padrão ΛCDM. A opção mais simples é a constante cosmológica, mas esta levanta desafios como o problema da constante cosmológica e questões de “coincidência”.
As ideias quentes (quintessência, gravidade modificada, o conceito holográfico) ainda são bastante especulativas e não têm um correspondente empírico tão bem testado como a quase estável Λ. Observatórios futuros – Euclid, LSST, Roman Space Telescope – irão, nos próximos anos, refinar significativamente o nosso conhecimento sobre a equação de estado e poderão esclarecer se a taxa de aceleração é constante ao longo do tempo ou se há indícios de nova física. Descobrir o que é a energia escura não só determinará o destino do Universo (seja expansão eterna, o “big rip” ou outros finais), mas também ajudará a compreender como os campos quânticos, a gravidade e o próprio espaço-tempo se harmonizam. Assim, resolver o mistério da energia escura é um passo fundamental na história do detetive cósmico que conta como o Universo evolui, permanece e talvez finalmente desapareça do nosso horizonte, acelerando a expansão cósmica.
Links e leitura adicional
- Riess, A. G., et al. (1998). “Evidência observacional de supernovas para um universo em aceleração e uma constante cosmológica.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Perlmutter, S., et al. (1999). “Medições de Ω e Λ a partir de 42 supernovas de alto desvio para o vermelho.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
- Planck Collaboration (2018). “Resultados Planck 2018. VI. Parâmetros cosmológicos.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
- Weinberg, S. (1989). “O problema da constante cosmológica.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
- Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Energia escura e o universo em aceleração.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.