Matéria Escura e Energia Escura - (Parte 2)
Itajubá/ MG/ Brasil
08/03/2023
Como se estuda algo que não se vê
O estudo da matéria e energia escura é um dos principais desafios da cosmologia moderna, pois são entidades que não emitem, absorvem ou refletem luz eletromagnética, tornando-se difíceis de detectar diretamente. No entanto, existem várias maneiras pelas quais os cientistas podem estudar essas entidades com a tecnologia atual. Abaixo estão alguns exemplos:
1. - Efeitos gravitacionais: A matéria escura é detectada principalmente por seus efeitos gravitacionais em objetos observáveis, como estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias. Os cientistas usam técnicas de observação astronômica, como medidas de velocidade e desvio para o vermelho, para inferir a presença e distribuição da matéria escura.
2. - Lentes gravitacionais: A matéria escura pode distorcer a luz de galáxias e estrelas que estão por trás dela, formando uma lente gravitacional. Os cientistas podem estudar essas lentes para inferir a presença e distribuição da matéria escura.
3. - Radiação cósmica de fundo: A radiação cósmica de fundo é uma radiação eletromagnética que foi emitida imediatamente após o Big Bang. Ela carrega informações sobre a composição do universo, incluindo a presença de energia escura.
4. - Experimentos em laboratório: Os cientistas estão tentando detectar diretamente a matéria escura em experimentos de laboratório. Eles procuram por interações entre a matéria escura e a matéria visível, usando detectores sensíveis.
5. - Simulações computacionais: Os cientistas usam simulações computacionais para modelar a formação e evolução de galáxias e aglomerados de galáxias, levando em consideração a presença de matéria e energia escura.
A matéria escura e a energia escura são duas entidades distintas que afetam o universo de maneiras diferentes. A matéria escura é uma forma de matéria que não emite, absorve ou reflete luz, e é detectada apenas por sua interação gravitacional com a matéria visível. Sua distribuição no universo é amplamente desconhecida, mas se acredita que ela influencie a formação e evolução de galáxias e aglomerados de galáxias, atuando principalmente a curtas distâncias. Já a energia escura é uma forma hipotética de energia que supostamente preenche todo o espaço e é responsável pela aceleração da expansão do universo. Sua influência é mais notável a longas distâncias, e se acredita que ela seja a responsável por cerca de 70% da energia total do universo. A energia escura é a entidade que atua mais a longa distância. A matéria escura, embora também possa ter algum efeito a longas distâncias, é mais conhecida por seu papel na estruturação do universo em pequenas escalas, como dentro de galáxias e aglomerados de galáxias.
Espectrógrafos multiobjetos, como o PFS (Prime Focus Spectrograph) que será instalado no telescópio japonês Subaru, são instrumentos utilizados em telescópios para coletar espectros de muitos objetos celestes simultaneamente. Esses instrumentos são capazes de observar centenas ou até milhares de objetos em uma única imagem, permitindo que os astrônomos estudem as propriedades de muitas fontes de luz ao mesmo tempo.
Teste com raio laser para alinhamento óptico das extremidades coletoras
Note que a maioria dos estudos envolve a análise da velocidade de afastamento das galáxias e isso exige uma explicação a parte. Quando observamos galáxias muito distantes se afastando de nós a velocidades aparentemente superiores à da luz, isso é apenas uma consequência da expansão do universo, e não uma violação da Teoria da Relatividade. Na verdade, a velocidade real dessas galáxias não é mais rápida do que a luz. O que realmente está acontecendo é que o espaço entre as galáxias está se expandindo em escala cósmica. Isso pode ser comparado ao efeito Doppler, que é uma mudança na frequência de ondas (como ondas sonoras ou ondas de luz) quando a fonte dessas ondas está se movendo em relação ao observador. Quando uma fonte de luz se move em relação a nós, as ondas de luz se esticam ou encurtam, causando um desvio para o vermelho ou para o azul, respectivamente. Da mesma forma, a expansão do universo estica o espaço entre as galáxias, causando um desvio para o vermelho na luz que recebemos dessas galáxias distantes, o que indica que elas estão se afastando de nós. Portanto, uma velocidade aparente de afastamento superior à da luz é apenas uma ilusão causada pela expansão do universo e pelo desvio para o vermelho da luz emitida por essas galáxias distantes.
É possível determinar a taxa de expansão real do universo, também conhecida como a constante de Hubble, medindo a expansão do espaço. Na verdade, a medição da taxa de expansão do universo é um dos principais objetivos da cosmologia observacional moderna. A constante de Hubble é uma medida da taxa de expansão do universo e descreve a velocidade com que as galáxias se afastam umas das outras devido à expansão do espaço. Ela pode ser determinada a partir de várias observações astronômicas, incluindo a medição de desvio para o vermelho da luz emitida por galáxias distantes, a análise de imagens de fundo cósmico de micro-ondas, e a observação de supernovas distantes. A grande questão é que a constante de Hubble não é bem uma constante porque ela muda significativamente para galáxias muito distantes. O fato é que, para galáxias muito distantes, a constante de Hubble medida a partir do desvio para o vermelho cosmológico será maior do que a constante de Hubble medida para galáxias mais próximas. Isso cria uma aparente ilusão de que essas galáxias muito distantes estão se movendo muito mais rápido do que as galáxias mais próximas. Mas o que realmente está acontecendo é que o espaço está se esticando. Claro que o alongamento do espaço se dá uma velocidade, mas não podemos dizer que o espaço se estica na velocidade que inferimos a partir do efeito Doppler observado em galáxias muito distantes. Isso seria falso e é relativamente fácil de entender, o alongamento do espaço por unidade de distancia é pequeno mas se você considera uma distancia cósmica muito grande o alongamento total será enorme. Nesse caso se você usa o alongamento total para calcular uma velocidade de expansão seria o mesmo que somar as velocidades de alongamento por unidade de distancia. Se estendermos isso para distancias cósmicas muito grandes podemos obter velocidades superiores a velocidade de propagação da luz. Evidentemente isso violaria o fato de que a velocidade da luz é sempre a mesma para qualquer observador e que nada, nem mesmo o espaço, pode se deslocar com velocidades superiores à da luz, como diz a teoria da relatividade especial de Albert Einstein.
Nas palavras de um grande especialista na área (Sean Carroll), existem três fatos importantes e relevantes dentro do nosso atual conhecimento cosmológico; https://universoracionalista.org/o-universo-nunca-se-expandiu-mais-rapido-do-que-a-velocidade-da-luz/
Vou colocar um resumo do texto abaixo apenas para facilitar sua sequencia de leitura, mas não deixe de visitar o texto original completo.
Nas palavras de Sean:
1. A Expansão do Universo não tem uma “velocidade”: Realmente a discussão deve começar e terminar ali mesmo. Comparar a taxa de expansão do universo com a velocidade da luz é como comparar a altura de um edifício para o seu peso. Você não está dando uma boa explicação científica; você teve ter bebido demais e deveria ir para casa. A expansão do universo é quantificada pela constante de Hubble, que é normalmente citada nas loucas unidades de quilômetros por segundo por megaparsec. Isso é (distância dividida pelo tempo) dividida pela distância, ou simplesmente 1/tempo. A velocidade, entretanto, é medida em distância/tempo. Não são as mesmas unidades! Comparar os dois conceitos é uma loucura. Evidentemente, você pode construir uma quantidade com as unidades da velocidade a partir da constante de Hubble, usando a lei de Hubble, v=Hd (a velocidade aparente de uma galáxia é dada pela constante de Hubble vezes a sua distância). Galáxias individuais são realmente associadas com velocidades de recessão. Mas diferentes galáxias, manifestamente, têm velocidades diferentes. A ideia de sequer falar da “velocidade da expansão do universo” é bizarra e nunca deveria ter sido usada em primeiro lugar.
2. Não há uma noção bem definida de “velocidade de objetos distantes” na relatividade geral: Existe uma regra, válida tanto na relatividade especial quanto na relatividade geral, que diz que dois objetos não podem passar uns aos outros com velocidades relativas mais rápidas do que a velocidade da luz. Na relatividade especial, onde o espaço-tempo é uma fixa e plana geometria minkowskiana, podemos pegar um quadro de referência global e estender essa regra para objetos distantes. Na relatividade geral, nós simplesmente não podemos. Simplesmente não há tal coisa como a “velocidade” entre dois objetos que não estão localizados no mesmo lugar. Se você tentou medir tal velocidade, que teria um paralelo ao transportar o movimento de um objeto para a localização do outro, sua resposta dependeria completamente do caminho que você levou para fazer isso. Assim, não pode haver nenhuma regra que diga que a velocidade não pode ser maior do que a velocidade da luz. Ponto final, fim da história.Só que não é bem o fim da história, uma vez que, sob certas circunstâncias especiais, é possível definir quantidades que estão em tipos como velocidades entre objetos distantes. A cosmologia modela o universo como tendo uma estrutura com referência preferida definida pelo espaço de prenchimento da matéria, onde há uma tal circunstância. Quando as galáxias não estão muito longe, podemos medir seus redshifts cosmológicos, fingir que é um efeito Doppler, e trabalhar para trás para definir uma “velocidade aparente”. Bom para você, cosmólogo! Mas esse número que você definiu não deve ser confundido com a velocidade relativa real entre dois objetos que passam perto um do outro. Em particular, não há razão alguma de que essa velocidade aparente não possa ser maior do que a velocidade da luz.
Às vezes, essa ideia é mutilada por algo como “a regra contra as velocidades superluminais não se referir à expansão do espaço”. Uma boa tentativa, certamente bem-intencionada, mas o problema é mais profundo do que isso. A regra contra velocidades superluminais se referem apenas a velocidades relativas entre dois objetos que passam corretamente entre si.
3. Não há nada de especial sobre a taxa de expansão durante a inflação: Se você quiser insistir teimosamente em tratar a aparente velocidade cosmológica como uma velocidade real, apenas para que você possa, em seguida, confundir as pessoas dizendo, por vezes, que a velocidade pode ser maior do que a velocidade da luz, eu não posso impedi-lo. Mas pode ser – e é! – Maior do que a velocidade da luz, em qualquer momento na história do universo, não apenas durante a insuflação. Há galáxias suficientemente distantes em que sua aparente recessão com velocidades são hoje maiores do que a velocidade da luz. Dar às pessoas a impressão que o especial sobre a inflação é que o universo está se expandindo mais rápido do que a luz é um crime contra a compreensão e o bom senso.
O que é especial sobre a inflação é que o universo está se acelerando. Durante a inflação (assim como hoje, uma vez que a energia escura retomou), o fator de escala, que caracteriza a distância relativa entre os pontos comóveis no espaço, está aumentando cada vez mais rápido, em vez de estar diminuindo gradualmente. Como resultado, se você olhar para uma galáxia em particular ao longo do tempo, sua velocidade de aparente recessão estaria aumentando. Isso é um grande feito, com todos os tipos de ramificações cosmológicas interessantes e importantes. E não é tão difícil de explicar.
Mas não é uma expansão superluminal. Se você estivesse sentado em um semáforo com seu carro Tesla, botásse-o de modo insano, e acelerasse a 60 milhas por hora durante 3,5 segundos, você não iria ter uma multa por excesso de velocidade, desde que o excesso de velocidade seja em si de 60 mph ou mais. Você ainda poderia obter uma multa – mesmo não havendo uma condução imprudente, depois de tudo – mas se você estava parado antes do juiz de tráfego fazer a contagem de excesso de velocidade, então você deve ser capaz de sair impune.
Há muitos “equívocos” na haste física de uma tentativa honesta em explicar conceitos técnicos de linguagem natural, e eu tento ser muito indulgente com isto. Porém neste caso eu acredito que não seja assim; simplesmente está equivocadamente errado. A única vantagem da frase “a inflação é um período de expansão superluminal” é que ela é curta. Ela transmite a ilusão de compreensão, mas que pode ser tão ruim quanto simplesmente mal-entendida. Cada vez que se repete, o entendimento do público de como o universo funciona fica um pouco pior. Devemos ser capazes de fazer melhor.
Atualmente, os valores mais aceitos da constante de Hubble indicam que o universo está se expandindo a uma taxa de cerca de 70 km/s por megaparsec. Isso significa que, para cada megaparsec de distância, as galáxias se afastam umas das outras a uma velocidade de cerca de 70 km/s. No entanto, ainda há alguma incerteza em relação a este valor, e as medidas continuam a ser refinadas à medida que novas observações e técnicas são desenvolvidas. Note que 1 megaparsec é igual a um milhão de parsecs. Sendo um parsec igual a 3,26 anos luz então se considerarmos 1 megaparsec como sendo uma distancia padrão de medida de afastamento, o espaço se expande numa velocidade de 70 km/s para intervalos de 3,26 milhões de anos luz. Existe também um excelente post publicado por Fraser Cain autor do site Universe Today, onde esse tema é abordado; https://gizmodo.com/how-is-it-possible-that-galaxies-are-moving-away-from-u-1736224001
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