Olhando para o nosso universo hoje, é muito fácil ficar encantado com o que você vê. As estrelas em nosso céu noturno são apenas uma pequena fração, alguns milhares de centenas de bilhões do que está presente em nossa Via Láctea. A própria Via Láctea é apenas uma dos trilhões de galáxias presentes no universo observável, que se estende em todas as direções por cerca de 46 bilhões de anos-luz. E tudo começou há cerca de 13,8 bilhões de anos a partir de um estado quente, denso, rápido e em expansão conhecido como Big Bang.
É a partir do Big Bang que temos a oportunidade de descrever nosso Universo como cheio de matéria e radiação e de conectar as conhecidas leis da física que explicam a forma moderna do cosmos. Mas o universo continua a se expandir. Novas estrelas aparecem, o espaço evolui. Como isso vai acabar? Vamos perguntar à ciência.
Qual é o fim do universo
Por muito tempo, os cientistas que estudaram a estrutura e a evolução do universo consideraram três possibilidades baseadas na física simples da relatividade geral e no contexto da expansão do universo. Por um lado, a gravidade está ativamente puxando tudo junto; é uma força atrativa controlada pela matéria e energia em todas as suas formas que estão presentes no universo. Por outro lado, existe uma taxa de expansão inicial que separa tudo.
O Big Bang foi um tiro, após o qual começou a maior corrida de todos os tempos: entre a gravidade e a expansão do universo. Quem vai ganhar no final? A resposta a esta pergunta determinará o destino de nosso mundo.
Achamos que o Universo tinha estas opções:
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- O Universo entrará em colapso na Grande Compressão. A expansão começará rapidamente e grandes quantidades de matéria e radiação serão destruídas. Se houver matéria e energia mais do que suficientes, o universo se expandirá até um certo tamanho máximo, a expansão reverterá a contração e o universo entrará em colapso novamente.
- O universo se expandirá para sempre e levará ao Grande Congelamento. Tudo vai começar como acima, mas desta vez a quantidade de matéria e energia não será suficiente para resistir à expansão. O universo se expandirá para sempre à medida que a taxa de expansão continuar caindo, mas nunca chega a zero.
- A expansão do Universo tende assintoticamente a zero. Imagine uma situação limite entre os dois exemplos acima. Mais um próton - e colapsamos; um a menos - expandimos infinitamente. Neste caso crítico, o Universo está se expandindo para sempre, mas na velocidade mais baixa possível.
Para descobrir qual opção é a correta, apenas tivemos que medir a velocidade com que o universo está se expandindo e como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo. O resto é questão de física.
Este tem sido um dos maiores desafios da astrofísica hoje. Meça a velocidade com que o universo estava se expandindo e descubra como a estrutura do espaço está mudando hoje. Meça como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo e descubra como a estrutura do espaço mudou no passado.
Combine essas duas informações e como a taxa de expansão mudou e o que era, permitirá que você determine de que é feito o universo e em que proporções.
Pelo que sabemos, com base nessas medições, determinamos que o Universo consiste em 0,01% de radiação, 0,1% de neutrinos, 4,9% de matéria comum, 27% de matéria escura, 68% de energia escura. Essa busca, que para alguns começou na década de 1920, recebeu uma resposta inesperada no final dos anos 1990.
Portanto, se a energia escura domina a expansão do universo, o que isso significa para o nosso destino? Tudo depende de como - ou se - a energia escura evolui com o tempo. Aqui estão cinco opções.
A energia escura é uma constante cosmológica dominante em expansão. Este é o padrão e leva em consideração nossos melhores dados. Enquanto a matéria se torna menos densa à medida que o universo se expande e se dilui conforme o volume se expande, a energia escura representa uma quantidade diferente de zero de energia inerente à própria estrutura do espaço. Conforme o universo se expande, a densidade da energia escura permanece constante, o que faz com que a expansão permaneça sempre positiva.
Isso resulta em um universo em expansão exponencial e acabará por empurrar qualquer coisa que não faça parte do nosso grupo local. Já 97% do Universo visível se torna inacessível em tais condições.
A energia escura é dinâmica e se torna mais poderosa com o tempo. A energia escura parece ser uma nova forma de energia inerente ao próprio espaço, o que implica que tem uma densidade de energia constante. Mas também pode mudar com o tempo. Uma das maneiras possíveis de mudar é aumentar gradativamente, o que levará a uma aceleração na taxa de expansão do universo.
Objetos remotos não apenas se afastarão de nós, mas farão isso cada vez mais rápido. Pior ainda, objetos que agora estão ligados gravitacionalmente - como aglomerados de galáxias, galáxias individuais, sistemas solares e até átomos - um dia se desatarão à medida que a energia escura endurecer. Nos últimos momentos da existência do universo, as partículas subatômicas e a própria estrutura do espaço-tempo serão dilaceradas. Este destino - o Big Rip - é nossa segunda opção.
A energia escura é dinâmica e enfraquece com o tempo. De que outra forma a energia escura pode mudar? Em vez de fortalecer, pode enfraquecer. Claro, a taxa de expansão é consistente com uma quantidade constante de energia pertencente ao próprio espaço, mas essa densidade de energia também pode diminuir.
Se enfraquecer a zero, tudo chegará a uma das possibilidades descritas acima: O Grande Congelamento. O universo se expandirá, mas sem matéria suficiente e outras formas de energia para ajudá-lo a entrar em colapso novamente.
Se a deterioração for negativa, pode haver outra possibilidade: o Grande Redutor. O universo será preenchido com a energia inerente ao espaço, que mudará repentinamente de signo e fará com que o espaço se contraia. Esta opção também é possível.
A energia escura se transformará em outra forma de energia que rejuvenesce o universo. Se a energia escura não se desintegra, mas permanece constante ou mesmo se intensifica, surge outra possibilidade. Essa energia inerente à estrutura do espaço nem sempre pode permanecer nesta forma. Em vez disso, pode se transformar em matéria e radiação, semelhante ao que era quando a inflação cósmica terminou e o Big Bang começou.
Se a energia escura permanecer constante até este ponto, ela criará uma versão muito, muito fria e difusa do Big Bang incandescente, em que apenas neutrinos e fótons podem se criar. Mas se a intensidade da energia escura aumentar, isso pode levar a um estado semelhante ao da inflação, seguido por um novo Big Bang verdadeiramente incandescente. Esta é a maneira mais fácil de rejuvenescer o Universo com os parâmetros fornecidos.
A energia escura está associada à energia zero do vácuo quântico e irá decair, destruindo nosso universo. Esta é a oportunidade mais destrutiva de todas. E se a energia escura não for a verdadeira quantidade de espaço vazio nas configurações de energia mais baixas, mas for o resultado de simetrias no Universo inicial, quando estavam em uma configuração com um mínimo falso?
Em caso afirmativo, deve haver uma maneira de criar um túnel quântico em um estado de energia inferior, alterando as leis da física e eliminando todos os estados vinculados (ou seja, partículas) dos campos quânticos hoje. Se o vácuo quântico for instável nesse sentido, onde quer que ocorra essa decadência, o resultado será a destruição de tudo no universo por meio de uma bolha que se propaga à velocidade da luz. Se esse sinal chegar até nós, nós também acabaremos.
Embora não saibamos quais dessas possibilidades serão verdadeiras para o nosso Universo, os dados estão simplesmente votando freneticamente a favor da primeira opção: a energia escura é de fato uma constante. Agora mesmo, nossas observações de como o universo evoluiu - especialmente graças à radiação cósmica de fundo em micro-ondas e à estrutura em grande escala do universo - impõem limites severos sobre quanto espaço de manobra para a mudança da energia escura.
Ilya Khel
