Desvendando o segredo da expansão acelerada do universo

O universo está se expandindo a um ritmo acelerado, possivelmente impulsionado pela energia escura. No entanto, o jitter do Hubble, uma discrepância nas medições da taxa de expansão, desafia os modelos atuais e estimula uma busca contínua por explicações.

Os astrónomos sabem há décadas que o Universo está em expansão. Quando usam telescópios para observar galáxias distantes, eles as veem Galáxias estão se afastando da Terra.

Para os astrônomos, o comprimento de onda da luz que uma galáxia emite é maior quanto mais rápido a galáxia se afasta de nós. Quanto mais longe uma galáxia está, mais a sua luz é desviada para os comprimentos de onda mais longos no lado vermelho do espectro – e, portanto, maior é o seu “desvio para o vermelho”.

Tempo e distância no universo

Como a velocidade da luz é finita e rápida, mas não infinitamente rápida, ver algo distante significa que estamos olhando para a coisa como ela era no passado. Em galáxias distantes com alto desvio para o vermelho, vemos a galáxia quando o universo era mais jovem. Portanto, “alto redshift” corresponde aos primeiros tempos do universo, e “baixo redshift” corresponde aos últimos tempos do universo.

Esta imagem de campo profundo obtida pelo Telescópio Espacial James Webb mostra um universo cheio de galáxias brilhantes. Esta é a imagem infravermelha mais profunda e precisa do universo distante até hoje. Esta imagem do aglomerado de galáxias SMACS 0723, conhecido como Primeiro Campo Deep Web, está repleta de detalhes. Crédito da imagem: NASA, ESA, Agência Espacial Canadense e STScI

Mas quando os astrónomos estudaram estas distâncias, aprenderam que o Universo não está apenas a expandir-se, mas que a sua taxa de expansão está a acelerar. Esta taxa de expansão é mais rápida do que a teoria principal prevê Cosmólogos como eu Confuso e procurando novas explicações.

Aceleração da expansão e energia escura

Os cientistas chamam a fonte dessa aceleração de energia escura. Não temos certeza do que impulsiona a energia escura ou como ela funciona, mas achamos que seu comportamento pode ser explicado Constante cosmológicaque é um Propriedade espaço-tempo O que contribui para a expansão do universo.

Albert Einstein originalmente criou essa constante e colocou um lambda nela em sua teoria Relatividade geral. Com a constante cosmológica, à medida que o universo se expande, a densidade de energia da constante cosmológica permanece a mesma.

Imagine uma caixa cheia de partículas. Se o volume da caixa aumentar, a densidade das partículas diminuirá à medida que se espalham para ocupar todo o espaço da caixa. Agora imagine a mesma caixa, mas à medida que o volume aumenta, a densidade das moléculas permanece a mesma.

Não parece intuitivo, não é? O facto de a densidade de energia da constante cosmológica não diminuir à medida que o Universo se expande é, obviamente, muito estranho, mas esta propriedade ajuda a explicar a aceleração do Universo.

Lambda CDM: o modelo padrão da cosmologia

Atualmente, a principal teoria, ou modelo padrão, da cosmologia é… É chamado lambda CDMLambda refere-se à constante cosmológica que descreve a energia escura, enquanto CDM refere-se à matéria escura fria. Este modelo descreve a aceleração do universo em seus estágios finais, bem como a taxa de expansão em seus primeiros dias.

Especificamente, Lambda CDM explica observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o brilho residual da radiação em micro-ondas desde o início do universo. Ele estava em um estado “quente e denso”.“Cerca de 300.000 anos depois a grande explosão. notas usando Satélite Planckque mede Fundo cósmico de microondasIsso levou os cientistas a criar o modelo Lambda CDM.

Ajustar o modelo Lambda CDM à radiação cósmica de fundo permite aos físicos prever o valor de… Constante de Hubbleque na verdade não é uma constante, mas uma medida que descreve a atual taxa de expansão do universo.

Mas o modelo Lambda CDM não é perfeito. Os cientistas calcularam a taxa de expansão medindo as distâncias às galáxias, e a taxa de expansão é mostrada no Lambda CDM usando… Observações cósmicas de fundo em micro-ondas, não alinhe. Os astrofísicos chamam esse desacordo de tensão de Hubble.

O universo está se expandindo mais rápido do que os modelos populares em cosmologia prevêem. Crédito: Equipe Científica da NASA/WMAP

Tensão Hubble

Ao longo dos últimos anos, tenho estado métodos de pesquisa Para explicar essa tensão, Hubble. A tensão pode indicar que o modelo Lambda CDM está incompleto e os físicos devem modificar o seu modelo, ou pode indicar que é hora de os investigadores apresentarem novas ideias sobre como o universo funciona. Novas ideias são sempre as coisas mais interessantes para um físico.

Uma maneira de explicar a tensão de Hubble é modificar o modelo Lambda CDM, alterando a taxa de expansão em baixo desvio para o vermelho, em momentos tardios do universo. Modificar o modelo desta forma poderia ajudar os físicos a prever que tipo de fenómenos físicos podem causar espasmos no Hubble.

Por exemplo, a energia escura pode não ser uma constante cosmológica, mas sim o resultado do trabalho da gravidade de novas maneiras. Se fosse esse o caso, a energia escura evoluiria à medida que o universo se expandisse – e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que mostra como era o universo apenas alguns anos após a sua criação, teria uma previsão diferente da constante de Hubble.

mas, As pesquisas mais recentes da minha equipe Ele descobriu que os físicos não podem explicar o tensor de Hubble simplesmente alterando a taxa de expansão do Universo tardio – toda esta classe de soluções é inadequada.

Explorar novos modelos

Para estudar os tipos de soluções que poderiam explicar o tensor de Hubble, Desenvolvimento de ferramentas estatísticas O que nos permitiu testar a validade de toda a classe de modelos que alteram a taxa de expansão do Universo tardio. Essas ferramentas estatísticas são muito flexíveis e nós as usamos para combinar ou imitar diferentes modelos que podem ajustar observações da taxa de expansão do universo e podem fornecer uma solução para o tensor de Hubble.

Os modelos que testamos incluem modelos sofisticados de energia escura, onde a energia escura atua de forma diferente em diferentes momentos do universo. Também testamos modelos de interação energia escura-matéria escura, onde a energia escura interage com a matéria escura, e modelos de gravidade modificados, onde a gravidade atua de maneira diferente em diferentes momentos do universo.

Mas nada disso pode explicar completamente o tremor do Hubble. Estes resultados sugerem que os físicos devem estudar o universo primitivo para compreender a fonte da tensão.

Escrito por Ryan Kelly, pesquisador de pós-doutorado em física, Universidade da Califórnia, Merced.

Adaptado de artigo publicado originalmente em Conversação.