Energia escura

A chamada "energia escura" ("dark energy") surgiu com novas teorias, que tentam explicar recentes observações astronômicas, as quais evidenciam fatos não explicados pelas teorias atualmente aceitas pelos físicos.
Uma destas evidências é o fato da densidade total de matéria encontrada no universo na forma de matéria bariônica (toda matéria constituída de prótons e nêutrons) ser muito menor, da ordem de 5%, que a massa predita para um universo plano. Várias medidas, realizadas desde a década de 30, indicam que deva existir um outro tipo de matéria no universo, para explicar, por exemplo, como estrelas têm orbitas rápidas em torno de galáxias e a forma como galáxias orbitam aglomerados de galáxias.
Este outro tipo de matéria, chamada de matéria escura, poderia ser constituída de exóticas partículas elementares propostas por teorias da física de partículas; e deveriam constituir os 95% de matéria restantes para atingir a densidade crítica. Entretanto, uma série de medidas realizadas têm chegado a uma mesma conclusão: se a matéria escura existe, ela deve somar menos que a metade da densidade crítica. Uma destas medidas leva em consideração o fato de os aglomerados de galáxias serem os maiores objetos no universo, devendo assim constituir uma boa amostra para se obter proporções relativas de matéria escura e bariônica. Essa relação pode ser inferida da massa do aglomerado (que soma matéria escura e bariônica) e da sua luminosidade (que dá uma idéia da quantidade de matéria bariônica). A razão esperada seria de vinte para um, mas a razão observada é da ordem de dez para um. Desta forma, a quantidade de matéria de todos os tipos, no universo, contabiliza menos que a metade da massa crítica.
O diagrama acima mostra como deveria ser o fundo de microondas do universo nos três casos possíveis, o primeiro, correspondente a um universo plano, foi confirmado pelas observações, de forma que o universo tem a densidade crítica. Caso a massa do universo fosse muito maior, ou muito menor, o tamanho das regiões de diferentes temperaturas, que aparecem em azul e amarelo pareceria maior ou menor, respectivamente.
A necessidade de consideração da densidade do universo como sendo a densidade crítica surgiu no início dos anos 90, com precisas medidas do fundo de microondas do universo, as quais suportaram as predições da teoria inflacionária, evidenciando que o universo é realmente plano. Desta forma, como nem toda a matéria existente no universo é suficiente para alcançar a densidade crítica, se torna necessária uma outra forma de "completar" a parte faltante. Como pela teoria de Einstein, energia e massa estão intimamente ligados, pela relação E=mc2, os físicos foram levados a idéia de que esta massa faltante poderia estar sob a forma de energia, energia esta que por ser desconhecida foi chamada de energia escura e constituiria a parte faltante para se chegar a densidade crítica do universo.
Outra evidência que levou os físicos a desconfiarem da existência de outro tipo de energia no universo surgiu em 1998, quando dois grupos independentes, o Supernova Cosmology Project e o High-z Supernova Search Team, descobriram que supernovas no limite observável do universo se afastam de nós a velocidades menores que deveriam estar. Isto significa que elas existiram em algum tempo em que o universo se expandia a taxas menores que as atuais, exatamente o resultado oposto as predições dos cosmologistas. A única explicação para esta possibilidade é que a expansão do universo deva estar se acelerando, e o único agente capaz de causar esta aceleração seria a energia escura.
Este diagrama revela variações na taxa de expansão do universo desde o Big Bang, a aproximadamente 15 bilhões de anos. Nota-se uma variação na tendência de expansão a aproximadamente 7,5 bilhões de anos.
Existem grupos de astrônomos que acreditam que esta evidência não é verdadeira, pois num universo mais jovem, as estrelas formadas tinham uma concentração de elementos pesados, os quais são determinantes para a evolução estelar, muito menor do que a encontrada nas estrelas mais jovens. Desta forma, a comparação das supernovas de alto redshift com as supernovas relativamente próximas não garantiria segurança na determinação de magnitudes absolutas, e, desta forma, as distâncias calculadas desta maneira estariam incorretas, invalidando as conclusões baseadas nestas observações.
Exaustivos esforços têm sido feitos para demonstrar que não existem efeitos sistemáticos como este, ou então possíveis interferências causadas por poeira, desviando os valores medidos, de forma que, por enquanto, não foi encontrado nenhum efeito que realmente garanta o erro ou acerto das medidas. De qualquer forma, já existem vários projetos que visam uma sistemática varredura de todo o espaço em busca de um número maior de supernovas observáveis com alto redshift, o que poderia trazer mais confiança às observaçães atuais.
Atualmente, apesar das incertezas quanto as evidências, muitos cosmologistas voltam seus esforços para tentar explicar como deveria ser constituída e quais as propriedades que deveria apresentar a matéria escura de forma a explicar os fatos observados, bem como a evolução temporal que o universo deve ter apresentado para permitir que atualmente sejam observadas tais evidências. Uma primeira teoria já tinha sido proposta por Einstein em 1917, embora tenha sido pensada pelo motivo errado, quando ele propôs a constante cosmológica para possibilitar um universo estático, que era a forma como era imaginado o universo no início do século XX. Esta proposta, atualmente, parece não se adequar de maneira satisfatória, pois mesmo que a constante cosmológica represente uma força contrária a gravitação, necessária para explicar como pode o universo estar se expandindo de forma cada vez mais rápida, esta constante representa uma mesma força, constante com o tempo, ao passo que evidências observacionais indicam que a força que hoje acelera a expansão do universo, já teve um período em que representava uma força negligenciável, pois de outra maneira, estrelas e planetas, bem como galáxias, nunca teriam se formado.
Outra proposta existente é baseada na teoria antrópica; segundo a qual, a consciência humana é capaz de questionar as condições necessárias a sua própria existência somente devido ao fato de essas condições serem cumpridas, ou seja, se as condições fossem diferentes, não estaríamos aqui para questionar. Esta proposta, devido ao seu caráter, não encontra grande aceitação entre os físicos.
Existem outras variáveis para a energia escura, conhecidas pelo termo quintessence. As propriedades desta seriam dependentes do tempo, permitindo então a possibilidade de a força exercida pela quintessence ter um comportamento diferente, necessário para coincidir com as evidências observacionais. A quintessence, segundo as teorias, teria sido dominante em um primeiro estágio expansivo do universo, até tempos da ordem de 10-35 segundos, quando então passou a ter menor importância que outras forças existentes, desta forma permanecendo até um tempo recente, relativo a idade do universo, no qual, voltou a tornar-se dominante, começando então a exercer a força necessária para acelerar a expansão do universo.
Uma das formas propostas para a quintessence, foi proposta por Andreas Albrecht e seu estudante Constantinos Skordis. Eles propuseram uma classe de funções de energia ou "potenciais" não lineares para a quintessence, de tal forma, que com uma adequada escolha de parâmetros, a quintessence pode apresentar as características necessárias para apresentar um comportamento adequado à explicação das evidências observacionais. Estes potenciais, apresentam a vantagem de serem funções de primeira ordem somente das constantes físicas c, h e G, respectivamente, a velocidade da luz, a constante de Planck e a constante gravitacional. Segundo eles, a quintessence seria um tipo de energia do vácuo, ligado com a mecânica quântica e a teoria de supercordas, que apresentaria a exótica propriedade de exercer uma força de repulsão, contrária a força gravitacional.
A relação entre teorias que tentam explicar o universo como um todo, e teorias que tentam explicar o mundo microscópico, poderiam representar as raízes de uma teoria unificadora em física, que, a muito tempo, tem sido buscada por diversos físicos. Mas, como seria esperado para uma teoria que se propõe a explicar o destino do universo e a geometria do espaço, fazer a unificação dos mundos quânticos e cosmológico, explicar a massa faltante e a aceleração do universo, e levar a aceitação de uma quinta força fundamental da natureza; seria esperado que se encontrassem problemas. Primeiramente, ninguém sabe o motivo pelo qual a quintessence poderia ter surgido novamente para acelerar a expansão do universo após um longo período de hibernação. Em segundo lugar, e não menos importante, vem o fato de as estimativas feitas para a força exercida por essa possível energia do vácuo serem da ordem de 120 ordens de grandeza maiores do que seriam necessárias para explicar os efeitos observados atualmente; forças desta ordem, seriam suficientes para impedir até mesmo a formação de matéria, o que obviamente, não é o que realmente acontece.
Mesmo com estas questões não bem resolvidas, a quintessence parece ser a melhor teoria que se tem para explicar a expansão acelerada do universo e a geometria do espaço. Esta "energia do vácuo" evoluiu de tal forma que hoje constitui uma das mais desafiadoras das idéias da cosmologia moderna. Nestas teorias, os conceitos de forças fundamentais da natureza, idéias de estrutura do universo, uma possível ligação entre os mundos quântico e cosmológico, e o próprio destino do universo, estão todos envolvidos. origem:www.if.ufrgs.br