No ano passado, os resultados do Dark Energy Survey (DES) e do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) chamaram a atenção dos cosmólogos. “A energia escura não é a constante cosmológica introduzida por Einstein há 100 anos, mas esta seria a nossa primeira indicação de que é um fenómeno energético novo”, explicou Josh Freeman, professor emérito de astronomia e astrofísica.

Nova análise aponta para uma força emergente

Em um estudo publicado em Exame físico d Em setembro, Freeman e Anwar Shahib, pesquisador do programa Einstein Fellowship da NASA em Astronomia e Astrofísica, analisaram a vasta quantidade de dados cosmológicos existentes. Suas descobertas indicam que modelos dinâmicos e variantes no tempo da energia escura fornecem um melhor ajuste às observações atuais do que o modelo de constante cosmológica de longa data.

Shajib é especialista em cosmologia observacional e evolução de galáxias, usando lentes gravitacionais fortes para medir a constante de Hubble e restringir os parâmetros da energia escura. O trabalho de Freeman também se centra na cosmologia observacional, usando sondas celestes massivas, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o DES, para estudar a origem, estrutura e destino do universo, investigando a força misteriosa que impulsiona a sua rápida expansão.

Shajib e Freeman, da Universidade de Chicago, unem-se nas suas descobertas para discutir o que estes novos modelos significam para a nossa compreensão da evolução cósmica e se observações futuras podem revelar se a energia escura realmente muda ao longo do tempo.

Por que a energia escura é importante no estudo do universo?

homem livre: Agora sabemos precisamente quanta energia escura existe no universo, mas não temos compreensão física. o que Isso é. A hipótese mais simples é que se trata da energia do espaço vazio, caso em que permanece constante ao longo do tempo, o que remonta a Einstein, Lemaître, de Sitter e outros no início do século passado. É um pouco embaraçoso não sabermos o que são 70% do universo. Seja o que for, determinará a evolução futura do universo.

Que descobertas recentes levaram os cosmólogos a especular que a energia escura pode ter evoluído?

Shajib: Embora tenha havido interesse desde a sua descoberta na década de 1990 em resolver algumas discrepâncias observacionais na natureza dinâmica da energia escura, até recentemente, a maioria dos grandes e robustos conjuntos de dados eram consistentes com o modelo não evolutivo da energia escura, que era aceite como a cosmologia padrão. No entanto, o interesse em gerar energia escura a partir de uma combinação de supernovas, oscilação sonora bárion e dados cósmicos de fundo em micro-ondas dos experimentos DES, DESI e Planck foi vigorosamente reavivado no ano passado. Esta combinação de conjuntos de dados representa uma forte contradição com um modelo estático e não evolutivo da energia escura. Uma característica interessante da energia escura informe é que a sua densidade permanece constante ao longo do tempo, mesmo à medida que o espaço se expande. No entanto, para um modelo de energia escura em evolução, a densidade da energia escura muda com o tempo.

homem livre: Os dados destes estudos permitem-nos inferir a história da expansão do Universo – a rapidez com que o Universo se expandiu em diferentes épocas do passado. Se a energia escura evoluir ao longo do tempo, essa história será diferente da que seria se a energia escura fosse constante. Os resultados da história da expansão cósmica mostram que, ao longo dos últimos milhares de milhões de anos, a densidade da energia escura diminuiu cerca de 10% – não muito, muito menos do que a densidade de outras matérias e energias, mas ainda assim significativa.

Qual foi o objetivo deste estudo e quais foram as conclusões gerais?

Shajib E homem livre: O objetivo deste estudo é comparar as previsões de um Corpo Modele e infira a criação de energia escura com os conjuntos de dados mais recentes Corpo A partir desta comparação as propriedades da energia escura. O “modelo” emergente de energia escura usado na maioria das análises de dados anteriores é uma fórmula matemática que não está restrita a se comportar como os modelos físicos. Em nosso artigo, comparamos diretamente modelos de formação de energia escura baseados na física com os dados e descobrimos que esses modelos descrevem os dados atuais melhor do que o modelo padrão de energia escura não evolutiva. Mostramos também que sondas futuras, como o DESI e o Observatório Vera Rubin Legacy Survey of Space and Time (LSST), serão capazes de dizer definitivamente se estes modelos estão corretos ou se a energia escura é de facto estável.

Descrever os modelos apresentados e porque explicam melhor o comportamento da energia escura em comparação com os modelos existentes.

homem livre: Esses modelos são baseados em princípios da física de partículas de partículas hipotéticas chamadas eixos. Os eixos foram previstos pela primeira vez na década de 1970 por físicos que tentavam explicar algumas das características observadas da interação forte. Hoje, os axônios são considerados candidatos plausíveis à matéria escura, e experimentos em todo o mundo, incluindo físicos do Fermilab e da Universidade de Chicago, estão ativamente procurando por eles.

Os modelos em nosso artigo são baseados em uma versão diferente e ultraleve do eixo que atua como matéria escura, atuando como força escura. Nestes modelos, de facto, a energia escura é constante durante os primeiros milhares de milhões de anos da história do Universo, mas depois o eixo começa a formar-se – como uma bola num campo inclinado que começa a rolar a partir do repouso – e a sua densidade diminui lentamente, que é o que os dados parecem querer. Portanto, os dados sugerem uma nova partícula na natureza que é 38 ordens de grandeza mais leve que o elétron.

Quais são as implicações dessas descobertas para a compreensão da expansão do universo?

Shajib: Nestes modelos, a densidade da energia escura diminui com o tempo. A energia escura é responsável pela rápida expansão do universo, portanto, à medida que sua densidade diminui, a aceleração ao longo do tempo também diminui. Se considerarmos o futuro do universo, diferentes características da energia escura levarão a resultados diferentes. Os dois extremos desses efeitos são um Big Rip, onde a expansão acelerada destrói tudo, até mesmo os átomos, e um Big Crunch, onde o universo para de se expandir em algum ponto e entra em colapso novamente, semelhante a um Big Bang reverso. Os nossos modelos sugerem que o Universo evitará ambos estes extremos: sofrerá uma rápida expansão durante milhares de milhões de anos, criando um Universo frio e escuro – um grande congelamento.

Esses resultados têm outras implicações menos óbvias?

homem livre: As únicas implicações práticas que posso imaginar são as tecnologias que precisamos de desenvolver para explorar ainda mais estas ideias – construção de novos telescópios, lançamento de novos satélites ou desenvolvimento de novos detectores. Tais desenvolvimentos terão um impacto maior nas nossas vidas do que os acontecimentos daqui a triliões de anos.

O que mais te entusiasma nesses resultados?

Shajib: Para este artigo, coletamos todos os principais conjuntos de dados de DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMography. Em brancoe o Telescópio Astronómico do Atacama – e combinou-os para obter a medição mais controlada da energia escura até à data. Todas estas medições provêm de experiências extensas, portanto, num certo sentido, representam o conhecimento colectivo reunido pela comunidade cosmológica como um todo.

homem livre: Quando começamos a trabalhar no DES em 2003, nosso objetivo era determinar as propriedades da energia escura, se ela é constante ou mutável. Durante duas décadas, os dados indicaram que a constante. Quase desistimos dessa questão, pois os dados continuam a apoiar a hipótese. No entanto, temos agora a primeira indicação de que a energia escura pode mudar em mais de 20 anos e, se isso acontecer, deve ser nova, mudando a nossa compreensão da física fundamental. Esse sentimento nos lembra onde estávamos no início. Essas dicas ainda podem se revelar falsas, mas podemos estar prestes a responder a essa pergunta, e isso é bastante emocionante.