Energia Escura
Rosana de Oliveira Gomes
COSMOLOGIA E RELATIVIDADE (FIS2012)
IF UFRGS
Energia Escura
•Forma ainda desconhecida de energia
que permeia o Universo, aumentando
sua taxa de expansão
•Corresponde à cerca de 74% da
densidade de energia do Universo
•Teorias mais aceitas atualmente:
constante cosmológica como energia do
vácuo e quintessência (teoria de campos
escalares)
• Conseqüências:
Expansão acelerada;
Alteração da idade do Universo;
Destino final
A Constante Cosmológica L
• 1915, Einstein: Introduz L na sua equação de campo na
teoria da relatividade geral para explicar um universo
estático (idéia predominante à época):
∇²Φ + Λ = 4πGρ
• 1929, E. Hubble: Expansão do universo (lei de Hubble),
fazendo Λ perder o sentido dentro da teoria, apesar de
estar de acordo com a relatividade geral;
• Erro na determinação de H0: Idade do universo calculada
como menor que a idade geológica sem o termo de Λ;
• 1998, Expansão Acelerada: energia escura como fonte da
expansão
Evidências Observacionais
•Década de 90, Supernova Cosmology Project e High-Z
Supernova Search: taxa de expansão do universo através de
supernovas do tipo Ia;
•1998, Riess et al. (High-z Supernova Search) – expansão
acelerada do universo;
•1999, Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project) confirmação da expansão acelerada
Supernovas Tipo Ia
Supernova do Tipo Ia:
explosão de uma anã
branca, com atmosfera de
C e O, que acreta matéria
da sua companheira até
chegar a uma massa
crítica (limite de
Chandrasekhar).
Explosão termonuclear:
pico de luminosidade
cerca de 4 bilhões de
vezes a luminosidade do
Sol.
Curvas de Luz
1.
Fotometria: subtração
das imagens;
2.
Curva de luz:
luminosidade em função
do tempo;
3.
Ajuste para diagrama:
magnitude em função
log(z)
Expansão Acelerada
• Estudando redshifts
a diferentes distâncias,
é possível se construir
a história da expansão
do universo.
• Esperava-se que a
expansão estivesse
diminuindo:
supernovas deveriam
ser mais brilhantes do
que seu redshift
poderia indicar.
• Supernovas mais
fracas do que o
esperado: universo em
expansão acelerada.
Natureza da Energia Escura
Pressão Negativa:
• Teorias mais aceitas atualmente (constante cosmológica e
quintessência) associam expansão acelerada a uma pressão
negativa;
• Pressão na relatividade geral é designada pelo tensor PressãoEnergia;
• O caráter dessa pressão está associado à equação de estado do
universo :
• Equação de estado da energia escura ???
Constante Cosmológica: Energia do Vácuo
• Modelo associa o vácuo como fonte da energia escura;
• Densidade de energia constante, cujo termo seria equivalente à
constante cosmológica Λ;
• O princípio da incerteza de Heisenberg permite o surgimento de
partículas virtuais no vácuo, mostrando que as flutuações de energia
estão de acordo com a mecânica quântica:
∆E∆t ≤ h
• Fenômenos como efeito casimir e emissão espontânea comprovam
experimentalmente essas flutuações de energia.
Falhas no Modelo:
• Teoria não é capaz de explicar
as eras em que o universo foi
dominado pela radiação e matéria,
devido a sua densidade de energia
constante.
• Teoria quântica prediz uma
densidade de energia do vácuo da
ordem de 10124 vezes maior que a
densidade de energia crítica para
um universo plano (Modelo
Padrão), mostrando discrepância
entre teoria e observação.
Quintessência: Campos Escalares
• Aceleração da expansão do universo causada por uma energia potencial
de um campo escalar dinâmico, denominado Quintessência;
• Teoria admite uma densidade de energia que varia no tempo, sendo
assim capaz de explicar a expansão acelerada recente do universo;
• Aceleração seria causada por uma “energia escura”, criada a partir do
decaimento de um campo quântico (início do universo).
Energia escura não emite radiação (explicada pela matéria bariônica),
tenha uma pressão bastante negativa (aceleração da expansão) e seja
homogênea em grandes escalas (senão perturbação nas massas de
aglomerados);
•Não existe evidência da existência desses campos, mas é possível que
sua densidade varie muito lentamente, tornando-os de difícil detecção.
Destino do Universo
Destino Final do Universo
• Ligado à equação de estado  depende do valor de w
P(w) = w e
• Para expansão acelerada: w < -1/3
• Através de uma medida precisa de w, a constante cosmológica
poderia ser distinguida da quintessência, que possui w ≠-1
• Teorias alternativas:
Phantom Energy, equação de estado com w < -1 - Big Rip
Universo Cíclico – energia escura se dissipa ou muda para
caráter atrativo – Big Crunch e “novo início” do universo
• Aceleração permanente: as galáxias fora do super aglomerado
local vão horizonte cósmico, não sendo mais visíveis. Super
aglomerado de Virgem isolado, entrando em equilíbrio térmico
com o universo
Perspectivas e Pesquisas
• Dark Energy Survey (DES): CTIO. Câmera acoplada, detectar
supernovas com alta precisão.
• HETDEX (Hobby-Herberly Telescope Data Experiment):
McDonald Observatory. VIRUS (espectrógrafo) varre áreas muito
grandes em pouco tempo com grande precisão.
• DESTINY: National Optical Astronomy Observatory (NOAO) e
NASA’s Goddard Space Flight Center. Detectar e observar cerca de
3000 supernovas (0.5 < z < 1.7) em 2 anos.
• LHC: Cern. Detectar partícula de Higgs.
• South Pole Telescope (SPT): Antártica. Detectar pequenas variações
na CMB para determinar se a energia escura começou a afetar a
formação de aglomerados de galáxias agindo contra a gravidade nos
últimos bilhões de anos.
FIM ?