Estudo Sobre Modelos de Energia Escura e Matéria Escura

UNIVERSIDADE
CATÓLICA DE
BRASÍLIA
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Curso de Física
ESTUDO SOBRE MODELOS DE ENERGIA ESCURA E
MATÉRIA ESCURA NO UNIVERSO
Autora: Gloriza Paiva Silva
Orientador: Prof. Dr. Cláudio Manoel Gomes de Souza
BRASÍLIA
2006
GLORIZ A P AI V A SI LV A
ESTUDO SOBRE MODELOS DE ENERGI A ESCURA E DE MATÉRI A
ESCURA NO UNIVERSO
Tr a b a l h o
de
Conclusão
de
Curso
orientado pelo Prof. Dr. Cláudio Manoel
Gomes de Souza apresentado ao Curso
de Física da Universidade Católica de
Brasília
obtenção
como
do
pré-requisito
grau
de
para
licenciado
a
em
Física.
Orientador: Cláudio Manoel Gomes de
Souza
BR A S ÍL I A
2006
RESUMO
Neste trabalho serão discutidas algumas teorias que tentam explicar a origem, a
expansão e o surgimento de partículas elementares no Universo. Também serão abordadas
algumas evidências que foram descobertas pela sonda espacial WMAP indicando que o
Universo possui matéria e energia escura que o deformam. Ainda serão discutidos nesse
trabalho alguns modelos para a energia e a matéria escura. Dente esses modelos estão à
quintessência e a constante cosmológica.
PALAVRAS-CHAVE:
energia
escura,
matéria
escura,
constante
cosmológica
e
quintessência.
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho discute de modo informativo alguns modelos que supõem a
expansão do Universo. O modelo proposto atualmente é de um Universo em expansão
acelerada.
“Inicialmente se pensava que o Universo era estático. Isso só foi mudado por
Hubble, que através de observações do espectro de algumas estrelas percebeu
algumas sofriam um desvio para o vermelho, que de acordo com o efeito
Doppler estas estrelas estariam se afastando do observador. Através desse fato,
Hubble concluiu que o Universo estava se expandindo.” (OLIVEIRA, 2001, p.
476).
Nesse modelo o universo sofre deformação se tornado curvo devido à matéria e
energia, ou seja, certa quantidade de matéria ou energia é suficiente para deformar o
universo fazendo com que ele deixe de ser plano e se torne curvo. (OLIVEIRA, 2004, p.
2004). Ou seja, o Universo é curvo devido a presença de matéria e energia.
Esse novo cenário cosmológico é baseado no modelo padrão, chamado big bang, onde o
universo era extremamente denso e com uma temperatura altíssima.
“A teoria do big bang leva em conta que, se as galáxias estão se afastando,
umas das outras, como observado por Edwin Hubble em 1929, no passado, elas
deveriam estar cada vez mais próximas e, num passado remoto, 10 a 15 bilhões
de anos atrás, deveriam estar todas num mesmo ponto, muito quente, uma
singularidade espaço-tempo, que se expandiu no Big Bang.” (SARAIVA, FILHO;
2003, p. 468).
2
Este modelo é baseado nas equações de Einstein da Relatividade e admite que
o Universo esteja em expansão e, por esse motivo, vem se resfriado no decorrer dos
tempos.
Mas o modelo proposto para a grande explosão não resolve alguns
observações, sendo necessário o uso de uma outra teoria chamada de teoria da inflação.
Essa teoria teria atuado nos primeiros instantes e depois desse período a inflação regrediu
não atuando mais do Universo.
De acordo com o modelo padrão o universo surgiu de um ponto extremamente
denso. Utilizando essa idéia surgiram novas teorias que tentam explicar observações
astronômicas recentes, as quais evidenciam fatos que as teorias atualmente aceitas não
explicavam. Uma dessas evidências está relacionada com a densidade de matéria
encontrada no universo.
De acordo com algumas observações percebe-se que a matéria existente no
Universo é menor do que a prevista teoricamente.
Para solucionar este problema foi
proposto um novo tipo de matéria e energia, que completaria a parte faltante Universo.
Com isso sugiram modelos a energia e matéria escura, que serão discutidos
posteriormente. Dentre os modelos discutidos para a energia escura estão os dois mais
aceitos; a constante cosmológica, que permaneceria constante no tempo, e a quintessência,
que sofreria variações no decorrer do tempo.
A quintessência é uma proposta de energia escura com caráter negativo que
poderia impulsionar o Universo a se expandir. Essa energia sofreria mudanças no decorrer
do tempo. Já a constante cosmológica possui um caráter negativo que também poderia ser
responsável pela expansão do Universo, mas como o próprio nome diz é uma constante e
não sofre mudanças com o tempo. Esta energia foi proposta por Albert Einstein com um
intuito de obter um Universo estático, já que esse era o modelo proposto para na época para
explicar o Universo. Mas esse termo foi abandonado com a descoberta da expansão do
mesmo.
Atualmente foi lançada no espaço a sonda espacial WMAP (Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe), que será tratada mais adiante. Essa sonda tem intuito de
fazer um mapeamento do céu através das microondas captadas.
Essa sonda já obteve alguns indícios que indicam a existência de uma matéria
estranha, que pode estar relacionada com a matéria escura ou com a energia escura. Essa
energia pode ser a quintessência ou a própria constante cosmológica.
O Universo vem sendo estudado a muitos anos, mas pouco conhecimento foi
reunido até hoje sobre ele. São várias as teorias que tentam explicar o cosmo, mas poucas
são consistentes com as observações. Desta forma o universo se mostra ainda como um
enigma a ser desvendado.
3
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foi realizado inicialmente um levantamento bibliográfico na
biblioteca da Universidade Católica de Brasília. Foram encontrados livros e revistas
referentes ao tema, tais como, “Astronomia e Astrofísica”, de Kepler de Souza Oliveira Filho
e Maria de Fátima Oliveira Saraiva, que no capítulo 28 faz referência sobre a constante
cosmológica e a teoria da relatividade e algumas revistas como, por exemplo, a Galileu de
n° 161 que tem como tema; “Teoria da relatividade: 100 anos”, e a 3ª Edição da revista
Scientific American que aborda o tema; “O enigma da matéria escura”.
Com o auxílio dessas bibliografias, foi feito um estudo do tema constante
cosmológica que consta no presente trabalho. Esses artigos permitem uma discussão sobre
os motivos pelo qual Albert Einstein abandonou a constante cosmológica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 EXPANSÃO DO UNIVERSO
No início dos estudos astronômicos acreditava-se que o Universo fosse
estacionário, ou seja, não aumentava nem diminuía de tamanho. Ainda não havia motivos
para acreditar que o Universo estivesse em expansão. Mas isso começou a ser mudado
com Friedmann, que encontrou soluções nas equações de Einstein mostrando um Universo
com comportamento dinâmico.
Isso foi reforçado posteriormente por Hubble, que mostrou um resultado
experimental, onde as distâncias entre estrelas estavam aumentando, conseqüentemente o
Universo estava se expandindo. Desta descoberta surgiria posteriormente o modelo do Big
Bang, para tentar explicar a origem do cosmo.
“Além de isotrópico e homogêneo, o universo está em expansão, conforme
Hublle descobriu em 1929, ao observar o deslocamento para o vermelho nas
linhas espectrais das galáxias observadas por Milton La Salle Humason.”
(FRANÇA, 2004, p. 04).
O princípio cosmológico é uma hipótese fundamental no modelo cosmológico
padrão, onde o Universo é homogêneo, (se deve ao fato de, em larga escala, poder se
considerar a distribuição de galáxias parecidas) e Isotrópico (o fato de se observar o
Universo da Terra, desperta uma impressão que essa homogeneidade se repete em todas
as direções).
4
Através de observações e medidas dos espectros galácticos, Hubble percebeu
que a maioria dos desvios espectrais das estrelas era para o vermelho, caracterizando que
elas estavam se afastando da Via Látea, e consequentemente o Universo estava em
expansão.
As galáxias estavam se afastando com velocidades proporcionais à sua
distância, isto é, quanto maior à distância, maior a velocidade de afastamento como pode
ser observado na figura 1:
Figura 1: Lei de Hubble: a velocidade é proporcional à distância.
Fonte: OLIVEIRA, 2004 p. 459.
Através dessa relação entre a distância de uma galáxia e a velocidade, Hubble
propôs a seguinte equação,
v = H 0d ,
(2)
onde o parâmetro de proporcionalidade H 0 é a chamada constante de Hubble, usualmente
escrito na forma.
H 0 = 100h kms −1 Mpc −1
(3)
onde, h permite ao parâmetro sofrer uma variação que dependerá da distância da estrela ou
galáxia. Já kms −1 Mpc −1 é uma unidade de medida do Sistema Internacional de unidades. O
Mpc −1 é uma unidade de distância, que ao ser substituída no parâmetro obtêm-se uma
dimensão temporal da ordem de 1010 anos, sendo chamado de tempo de Hubble que seria
aproximadamente a idade do Universo.
A relação linear proposta por Hubble só é válida para distâncias cosmologicamente
pequenas, já que para galáxias mais distantes são necessárias correções que dependem do
chamado parâmetro de desaceleração. A Equação de Hubble corresponde ao “modelo
padrão” de universo, ou seja, é a abordagem mais simples. Os modelos atuais tentam
corrigir esse modelo padrão para explicar corretamente o comportamento do Universo.
Para analisar a expansão do Universo, faz-se necessário um sistema de
coordenadas comoventes, onde o sistema de coordenadas acompanha a expansão do
5
Universo, e deste modo uma galáxia não possui movimento peculiar, mantendo suas
coordenadas constantes. Ao utilizar esse sistema de coordenadas as galáxias passam a ser
objetos sem movimento, sujeitas apenas à expansão cosmológica (fluxo de Hubble).
3.2 BIG BANG
O Universo teria nascido entre aproximadamente 13 e 20 bilhões de anos atrás,
a partir de uma concentração de matéria extremamente quente e densa, uma singularidade.
Este modelo chamado Big Bang ou grande explosão foi anunciado pelo cientista russo,
naturalizado norte-americano, George Gamow em 1948. A grande explosão além de criar
matéria e radiação, criou também o espaço e o tempo. A partir desse momento seria o início
do Universo observável.
O afastamento das galáxias devido à expansão não influi no tamanho dessas.
Pois a força gravitacional as mantém coesas, aumentando somente as distâncias entre elas.
Nogueira comenta. “Como um balão inflável que conserva sua forma equilibrando dois
efeitos: a pressão no seu interior que tende a dilatar e a tensão elástica existente em sua
superfície que se opõe a pressão do ar”. (NOGUEIRA, 2004, p. 58).
A teoria do Big Bang explica várias observações como à chamada radiação cósmica
de fundo. A idéia de que o Universo tenha surgido de uma grande explosão é a mais aceita
por especialistas, mas em relação aos detalhes há muitas possibilidades e incertezas.
Gamow previu que o Universo jovem era muito quente e emitia luz. Através dessa
luminosidade chamada de radiação cósmica de fundo (RCF) poderia se detectar hoje sob a
forma de microondas como o Universo era a milhões de anos atrás e estimar e sua idade
nos dias atuais.
A teoria do Big Bang apesar do nome não descreve como ocorreu a explosão, mas
tenta explicar o resultado da explosão. Como o Universo primitivo, quente e denso
expandiu-se e esfriou-se. Essa teoria descreve outros fenômenos com muito sucesso, como
os elementos químicos leves foram sintetizados durante esta expansão, entre outros.
Contudo se torna falha, por não descrever o que aconteceu nos primeiros instantes após a
explosão, fazendo se necessário o uso de uma outra teoria que tenta explicar o que
aconteceu nas frações de segundo seguidas do Big Bang. Esta teoria chamada de teoria da
inflação tenta explicar a explosão e será discutida a seguir.
6
3.3 TEORIA DA INFLAÇÃO
De acordo com Guth ouve uma força de repulsão cósmica antes dos primeiros e
10 −35 s quando o universo teria uma temperatura de 10 28 K . Smoot e Davidson, 1993, p.
190, comentam:
Em dezembro de 1979, Alan Guth propôs uma hipótese que era uma extensão
dramática da cosmologia do Big-Bang. Conhecida como teoria da inflação, a
idéia de Guth era a de um Big-Bang ultra-rápido e ultrabreve no interior da “sopa
quente”, ocorrido no primeiro instante da criação e que estabeleceu
essencialmente as condições para a evolução futura do cosmo.
Esta repulsão teria causado uma expansão do espaço com velocidade superior a da
luz. Esta inflação aumentou o Universo de um ponto quente e denso para um resfriamento
provocando a transição de fase da matéria.
A inflação teria ocorrido nos 10 −35 segundos, ou seja, nos primeiros instantes
depois da explosão, toda a massa e radiação estavam contidas numa região mínima de uma
triliónessima parte de um próton (cerca de 10 −25 centímetros). E que depois da grande
explosão sofreu uma expansão extremante rápida, provocando um aumento extremamente
grande em poucos segundos. Em seguida, a inflação terminou e a região que teria sofrido a
expansão continuou a aumentar de tamanho de forma mais vagarosa.
3.4 TEORIA DAS SUPER CORDAS
“A teoria das cordas ou cordas cósmicas, ou ainda superstrings ficou conhecida no
final da década de 60. Esta teoria foi desenvolvida para descrever a interação do tipo força
forte.” (SARAIVA; FILHO, 2003, p. 485). Seu principal objeto de estudo não são as
partículas, mas objetos unidimensionais denominados cordas com tamanhos tão pequenos
que se assemelham a partícula. Esta teoria descreve as partículas elementares através de
modos vibracionais no espaço-tempo.
“Atualmente a teoria das cordas se encontra unificada com a supersimetria que unem
a matéria e as forças, dando origem naturalmente à teoria unificada. Essa forma atual foi
desenvolvida por Michael B. Greene, e por John H. Schwarz, em 1998.” (SARAIVA, 2003,
p.485). A chamada supersimetria necessita de dez dimensões, sendo uma temporal e dez
espaciais, formando um total de onze dimensões. As dimensões não observáveis estariam
enroladas, com comprimentos menores que o comprimento de Plank, isso justificaria o fato
de não serem encontradas.
De forma semelhante a uma corda de um instrumento musical pode oscilar de muitas
maneiras, produzindo diferentes notas. Uma corda pode oscilar produzindo um número
7
infinito de partículas. O espectro da corda é formado por oscilações na corda. O trecho
abaixo diz:
A teoria das cordas é radicalmente diferente. É um edifício teórico inflexível e
único. Não requer nenhum insumo além de um único número, o qual estabelece
a escala de referência das medidas. Todas as propriedades do mundo
microscópio estão compreendidas em sua capacidade explicativa. Para uma
melhor compreensão desse aspecto, pensamos em cordas mais conhecidas,
como as de um violino. Cada uma delas pode experimentar uma enorme
variedade de padrões vibratórios diferentes, conhecidos como ressonâncias,
como mostra a figura. (GREENE, 2001, p.164).
O ouvido humano percebe os diferentes padrões vibratórios ressonantes como
diferentes notas musicais. Assim, as cordas apresentam características semelhantes. Ou
seja, existem padrões vibratórios ressonantes que a corda pode aceitar devido aos seus
picos e depressões que ocorrem em espaços iguais e cabem na extensão espacial.
“Assim, os diferentes padrões vibratórios de uma corda de um violino dão lugar a
notas musicais, os diferentes padrões vibratórios de uma corda elementar liberam diferentes
massas e cargas de força.” (GREENE, 2001, p. 165). Desta forma, quanto maior a amplitude
e menor o comprimento de onda, maior será sua energia, isso significa que quanto mais
frenéticos, mais energéticos, como pode ser observado nas figuras abaixo.
Figura 2: Representação dos diferentes modos vibratórios.
Fonte: GREENE, 2001, p. 164.
A inobservância direta da existência de uma supercorda fundamental, de onde
todas as partículas aparecem como modos de vibração, podendo ser justificada pelo
pequeno comprimento da corda, sendo chamado também de comprimento de Plank, da
ordem de 10 −33 cm . Assim, para detectar a existência dessas cordas são necessários
experimentos que meçam distâncias muito pequenas, ou usem energias muito grandes; mas
infelizmente esse tipo de experimento requer uma tecnologia muito avançada o que
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inviabiliza o projeto, pelo menos por enquanto, pois atualmente não se dispõe de tal
tecnologia.
3.5 ENERGIA ESCURA
A energia escura (dark energy) é uma forma de energia que estaria contida no
universo, exercendo uma pressão negativa. De acordo com a teoria da relatividade, esta
seria uma força que agiria em larga escala e contraria a força gravitacional. Esta energia
está sendo utilizada para explicar a expansão do Universo por ter uma densidade de
pressão negativa. Existem atualmente duas propostas para a energia escura: a constante
cosmológica e a quintessência, que serão discutidas posteriormente.
“O conceito de energia escura surgiu para tentar explicar algumas evidências em
observações astronômicas, que as teorias aceitas hoje, não conseguiam desvendar. Uma
dessas evidências é a questão da densidade total de matéria ser menor que a prevista para
o Universo.” (OLIVEIRA, 2004, p. 471). A matéria existente no universo de acordo com
cálculos teóricos é menor que a observada, fazendo com que se torne necessário uma outra
forma de matéria ou energia para completar a parte que falta.
Para tentar solucionar o problema da densidade faltante de matéria no Universo,
propuseram através da teoria equivalência de massa e energia, de Albert Einstein, uma
forma para complementar a densidade. Desta forma, para justificar as observações seria
necessário uma um tipo de energia escura no universo.
Algumas observações recentes indicam que a maior parte do Universo é
composta por esta forma de energia escura que não possui luminosidade, enquanto o resto
do Universo seria formado por matéria ordinária (fótons, neutrinos, prótons, nêutrons, etc) e
de matéria escura. (GREENE, 2001, p. 56). Atualmente existem duas propostas para
descrever a energia escura: quintessência e constante cosmológica. As duas possuem
características diferenciadas uma da outra, mas esses temas serão discutidos
posteriormente no decorrer do trabalho.
Existem observações que indicam que a densidade da matéria ordinária e da
matéria escura equivale a 26% da densidade crítica do universo, sendo os 74% restantes
feito de energia escura. Embora não se conheça a natureza desta energia é fundamental
determinar se a densidade é constante no tempo ou se existem variações lentas no decorrer
do tempo. Esta evolução da densidade de energia escura pode dizer o que acontecerá com
o Universo; se esta for constante ele continuará a expandir de forma acelerada, se não for
ele deverá sofrer um recolapso (big crunch) voltando ao ponto inicial.
9
A matéria está associada a uma força gravitacional de atração que tende a
tornar a expansão do Universo mais lenta, enquanto a energia escura é repulsiva e tende a
acelerar a expansão.
3.5.1 Quintessência
Uma das formas propostas para a quintessência, foi colocada por Paul
Steinhardt, da Universidade de Princeton e seus colegas (J.P. Ostriker, Rahul Dave e Robert
Caldwell, 1998). Através de escolhas de parâmetros, eles propuseram uma forma que
pudesse apresentar características necessárias para tentar explicar algumas evidências
observacionais.
Uma das alternativas para tentar explicar a energia escura seria o termo
quintessência (em inglês, quintessence), que possui um campo escalar dinâmico, e sua
densidade energética poderia variar no tempo e no espaço, possuiria uma pressão negativa,
esta pressão geraria uma força repulsiva que causa a expansão acelerada.
O termo que possui energia negativa tem sido palco de discurssões, pois não se
sabe como esta se manifestou no Universo, muito menos quando irá parar de agir, se parar.
Este tipo de pensamento foi relatado por Chown:
A quintessência, 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 à idade do universo, no qual,
voltou a tornar-se dominante, começando então a exercer a força necessária
para acelerar a expansão do universo (CHOWN, 2001, p. 04).
Desta forma, a quintessência surge como uma possível solução para a energia
escura, podendo explicar a curvatura e a aceleração do Universo. Desta forma, o Universo
teria passado por algumas fases: primeira, a fase dominada pela radiação, segunda a fase
da matéria e por último, a terceira fase dominada pela quintessência. Com esta suposta
energia escura dependente do tempo, pode-se permitir então que, a força exercida tenha
um comportamento anômalo em diferentes estágios do universo.
3.5.2 Constante Cosmológica
Ao tentar explicar o Universo, através de sua teoria relativística Albert Einstein,
propôs uma teoria baseada na relatividade geral combinada com outras hipóteses, como a
homogeneidade e a isotropia. Quando Einstein resolveu se interessar pela cosmologia ele
10
estava interessado na validade de suas equações e o que o universo iria desvendar sobre
estas.
Na busca por um Universo estático, Einstein começou a desenvolver suas
equações relativísticas: com o desenvolvimento do trabalho percebeu que não chegaria ao
resultado esperado, ou seja, um Universo estático (eterno e imutável). Com esse resultado
inesperado, Albert Einstein resolveu colocar um termo extra em suas equações com objetivo
de obter um universo imutável. O termo adicionado foi a constante cosmológica (denotada
por lambda: Λ). Como pode ser visto no trecho escrito por Kepler de Souza Oliveira Filho e
Maria de Fátima Oliveira Filho:
Um ano depois de propor a relatividade geral, em 1917, Einstein publicou seu
artigo histórico sobre cosmologia, Considerações Cosmológicas sobre a Teoria
da Relatividade, construindo um modelo esférico do universo. Como as
equações da Relatividade Geral não levavam diretamente a um Universo
estático de raio finito, mesma dificuldade encontrada com a teoria de Newton,
Einstein modificou suas equações, introduzindo a famosa constante
cosmológica, para obter um universo estático, já que não tinha, naquela época,
nenhuma razão para supor que o universo estivesse se expandindo ou
contraindo. (SARAIVA; FILHO, 2003, p. 463).
O termo extra colocado por Einstein em suas equações, agiria como força
repulsiva, impedindo o Universo de ser sugado para um único ponto pela força gravitacional.
O termo foi escrito sob a forma:
Λ=
8πG
ρ
3
(4)
onde,
Λ é a constante cosmológica,
ρ é a densidade de energia do Universo,
G é constante gravitacional.
Essa constante nasceu como uma forma de energia, responsável pela força
universal repulsiva que contrabalançaria a atração mútua dos corpos. Se não fosse por essa
força o universo correria o risco de desabar sobre si mesmo, atraído pela força gravitacional.
“O problema da equivalência entre energia repulsiva e gravitacional vem sendo
tratado desde muito tempo atrás, pois desde a antiguidade conta-se, que na China os “Qi”
se esqueciam até de comer, preocupados com o desabamento do universo, sobre suas
cabeças.” (BERGIA, 2005, p. 57). Newton também já tinha estudado sobre o problema e
havia concluído que era necessário uma força repulsiva para estabilizar o universo. Esse
termo extra responsável pela repulsão foi adicionado na equação de campo de Eienstein
sob a forma,
Rµν − 12 g µν R − Λg µν =
8πG
c
4
Tµν
(5)
11
onde,
R µν : indica que o espaço-tempo é curvo
R : indica o escalar de curvatura,
g µν : métrica plana,
µν : representam o espaço e o tempo,
Λ : representa a constante cosmológica, que possui uma densidade de energia negativa.
Tµν : representa, sob forma de matriz a distribuição de matéria e energia em cada ponto do
universo. Onde estão contidos três coordenadas espaciais e uma temporal.
Na equação 5, percebe-se a presença do sinal negativo no termo Λ (constante
cosmológica), o que implica um caráter repulsivo. Enquanto o termo Tµν depende da
distribuição, movimento das massas e do campo eletromagnético. O termo adicionado do
lado esquerdo por Einstein na equação 5 representa uma propriedade do espaço.
A constante cosmológica prevê a energia escura como uma energia constante
no tempo, associada ao espaço vazio. Isso desperta um problema conhecido como
problema da coincidência cósmica, ou seja, ela começaria a dominar a energia do universo
justamente na época atual.
Na época em que estava sendo desenvolvida a constante cosmológica não
havia dúvidas que o Universo era estático. Mas, com a descoberta da expansão do
Universo, não fazia mais sentido continuar com a constante cosmológica, já que esta tinha
sido implantada nas equações justamente para obter um Universo estático. Assim que
Einstein obteve a certeza da expansão do Universo abandonou o termo extra e o nomeou
como “o maior erro” de sua vida. Desta forma a equação ficou sem o termo Λ , adquirindo a
forma anterior ao termo.
Rµν − 12 g µν R =
8πG
c
4
Tµν
(6)
A equação 7 perdeu o termo que indicava a densidade negativa de energia
retornado a sua forma anterior à modificação, já que a mudança haiva sido implantada pelo
motivo errado.
Com o passar do tempo, várias foram as tentativas para se explicar a expansão
acelerado do Universo, até que, em meados dos anos 90, ressuscitaram a constante
cosmológica como uma das prováveis causas da aceleração do Universo.
O termo extra de Einstein foi retomado por estar relacionado com a energia, e hoje
se suspeita que 70% do Universo seja formado por energia escura. Outro motivo que
permitiu o retorno da constante cosmológica foram as medições indicarem uma expansão
acelerada do universo, o que implica a Λ um valor negativo, já que esta, além de não deixar
12
o Universo ser atraído para um único ponto é capaz de acelerar a expansão do cosmo. Isso
faz com que a constante cosmológica se torne a principal suspeita de provocar a expansão
acelerada do universo.
A retomada da constante cosmológica é um tanto diferente do apresentado por
Einstein. “Em sua versão atual, o termo constante cosmológica surge não da relatividade,
que governa a natureza em suas escalas maiores, mas da mecânica quântica, a física das
escalas menores” (BOUSSO; POLCHINSKI, 2004, p. 144). Desta forma o termo implantado
por Einstein ganha um significado diferente representando uma nova forma de densidade de
energia, que permanece constate no decorrer do tempo.
Se as suspeitas forem confirmadas pode-se dizer que Einstein cometeu um erro
dupl: o primeiro seria ao implantar a constante cosmológica para obter um Universo estável
e a segunda seria em tê-la abandonado. Ironicamente, a constante retornou à corrente
principal da cosmologia devido a medições que indicam uma expansão acelerada do
Universo, o que implica em um valor negativo de Λ , mas como disse Mário Bunge: “ A
natureza não tem culpa pelos nossos enganos”. E isso faz parte da ciência e do trabalho
cientistas, mas o importante é saber assumí-los e mudar de opinião e resultados melhores
deverão aparece.
3.6 MATÉRIA ESCURA
Outro item importante na cosmologia é a chamada matéria escura, postulada pela
primeira vez por Fritz Zwicky (1898-1974) e Walter Baade (1893-1960). Essa é a matéria
extra necessária para explicar as curvas de rotação das galáxias e as velocidades
observadas das galáxias em aglomerados, maiores que as explicáveis através da matéria
observada, chamada matéria luminosa (OLIVEIRA, 2003, p. 470). O problema da velocidade
em aglomerados é que esta deveria ser menor do que a observada. Para que estas galáxias
adquirissem a velocidade observada superior à prevista, seria necessário uma massa
aproximadamente dez vezes maior que a massa visível.
A matéria escura se diferencia da energia escura devido, a matéria provocar uma
deformação no espaço-tempo, enquanto a energia escura seria a provável responsável pela
expansão do Universo.
O nome matéria escura foi escolhido por não se dispor atualmente de tecnologia
capaz de detectá-la dificultando o seu estudo. Supõe-se que essa matéria tenha algumas
características similares a da matéria conhecida, devido a seus efeitos gravitacionais sob
corpos visíveis em larga escala. Estima-se que 22% do universo seja composto pela matéria
escura.
13
Uma medição da velocidade radial das estrelas em relação à massa estimada
das estrelas visíveis de uma galáxia revela distorções inexplicáveis. Velocidades medidas
nas proximidades do núcleo seguem os números teóricos, mas à medida que se afasta do
núcleo elas não obedecem rigorosamente às leis da mecânica, supostamente universais.
Oliveira comenta. “Um pouco mais distante do núcleo, a velocidade cai de forma previsível,
mas em seguida aumenta ligeiramente e se estabiliza de maneira muito divergente dos
valores esperados”. (OLIVEIRA, 2004, p. 470)
Esse fato pode ser explicado devido à existência de uma enorme massa não
detectada envolvendo a galáxia. Essa massa chamada de matéria escura poderia corrigir os
valores da expansão de um grupo de galáxias. Recentes observações de distorções devido
à "lentes gravitacionais" confirmam a existência de uma massa invisível. Algumas medições
da velocidade do Sol em torno do centro da própria galáxia revelaram a necessidade de
uma massa enorme, cerca de dez vezes maior que à massa estimada da Galáxia, para
corrigir estas velocidades.
Uma das explicações plausíveis para a matéria escura é que não seria formada
por átomos, como a matéria ordinária, mas por partículas elementares de características
diferentes das conhecidas, talvez até com um número de dimensões diferentes, como se
supõe a teoria das super cordas. Essa idéia também é proposta para tentar explicar os
neutrinos que atravessam a Terra sem ser percebidos pelos instrumentos.
A matéria escura não pode ser detectada por radiação eletromagnética, já que
esta não as produz, podendo ser supostamente detectada através da força gravitacional que
ela exerce sobre corpos massivos em larga escala e pela detecção de ondas gravitacionais
emitidas.
Atualmente foram descobertas evidências através da sonda espacial WMAP,
mas a natureza dessa matéria continua sendo um mistério, assim como sua distribuição no
Universo. Com o lançamento da sonda WMAP essa matéria começou a ser desvendada,
através da radiação de microondas, conforme será tratado a seguir.
3.7 WMAP
A sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), com aparência
desajeitada e o tamanho de uma minivan, foi lançada em 2001 no Cabo Canaveral.
Atualmente, está a cerca de 1,6 milhão de quilômetros da Terra, numa viagem que deve
continuar até setembro de 2009.
As observações da sonda mostram que 4% do universo é composto por matéria
comum, 22% é a chamada matéria escura que não é constituída de átomos, não emite, nem
14
absorve luz e que só é detectável em larga escala através de sua gravidade, enquanto 74%
é composto por uma energia escura, que seria responsável pela expansão do universo.
A sonda revelou um mapa do início do universo mostrando que o Universo
sofreu uma extraordinária expansão durante a primeira fração de segundo de sua
existência, revelando que a chamada hipótese da inflação pode se tornar uma teoria. Como
pode ser observado na figura abaixo.
Figura 3: Imagem do Universo obtida pelo WMAP.
Fonte: NOGUEIRA, 2006.
Na figura 3 pode-se observar a variação de cores na imagem obtida do Universo
pelo WMAP, onde o vermelho indica a parte mais quente do Universo, enquanto a cor azul
representa a parte onde a temperatura é menor. Dentro do azul pode-se observar uma parte
na cor preta, essa cor representa pode ser a própria energia ou a matéria escura. Através
desta imagem pode-se ter uma idéia da quantidade dessa matéria ou energia escura
existente no Universo, já que a sonda obtém as imagens como se fosse fazendo uma
tomografia. Ou seja, essas imagens é uma pequena parte do Universo, que a sonda
fotografou.
Através de comparação de imagens do Universo antigo e o recente pode-se
perceber uma forma de energia escura que pode ser responsável pela aceleração do
universo. Salvador Nogueira mencionou algo sobre esse assunto em seu artigo:
Pelos modelos cosmológicos tradicionais, a expansão do Universo seria única e
exclusivamente alimentada por uma explosão inicial, mas seu ritmo seria
reduzido pela atração entre as galáxias gerada pelas forças gravitacionais. Mas
o que os pesquisadores descobriram recentemente, estudando explosões de
estrelas localizadas a bilhões de anos-luz daqui, é que o cosmos na verdade
está acelerando seu ritmo de expansão o que exige alguma outra forma
energética, diferente da gravidade, para que tudo faça sentido. É aí que entra a
energia escura. Os novos resultados confirmam, por outra via, que a energia
escura deve mesmo estar lá, e que os estudiosos das explosões estelares não
estavam malucos. (NOGUEIRA, 2006, p. 02).
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Através deste resultado há uma necessidade de adequar um melhor modelo
cosmológico que consiga explicar o funcionamento dessa forma de energia até então
misteriosa.
O WMAP continuará a observar a radiação emitida pelo Universo numa fase
mais infantil por mais três anos a uma distância de 1,6 milhões de quilômetros da Terra.
Com isso, espera-se obter mais informações sobre a natureza da energia escura e sobre a
teoria da inflação.
As medidas obtidas até então para matéria comum, energia e matéria escura
são valores médios e que podem sofrer alterações no decorrer do tempo como diz o
astrônomo Walter Maciel:
Essas medidas são um passo adiante no sentido de obtermos mais precisão
sobre nosso conhecimento dos instantes iniciais do universo, mas é preciso
ressaltar que os valores encontrados não são definitivos e devem ser vistos com
cautela, já que dependem de modelos teóricos que ainda são aproximados.
(NOGUEIRA, 2006, p. 02).
4. CONCLUSÕES
O Universo observado diariamente se mostra sempre com a mesma forma, isso
quando observado sem instrumentos astronômicos ou com instrumentos com pouca
tecnologia. Com essa visão simples e filosófica do Universo foram feitos vários modelos
para explicar o cosmo, que partiu de uma concepção de que a Terra reinava soberana no
centro do universo. Com o tempo foram se aprimorando instrumentos que possibilitaram
novas descobertas e consequentemente novas hipóteses.
Através de observações nas galáxias foi descoberto que o Universo está em
expansão e com isso foi necessário um abandono das idéias e modelos existentes, já que
estes consideravam o Universo estático. Com essa nova informação surgiram novos
modelos que tentavam explicar as recentes observações.
Um desses modelos e o mais aceito é o Big Bang. Nessa teoria o fato do cosmo
estar em expansão implica que, em um passado muito remoto, ele deveria estar em uma
situação extrema, com altíssimas temperaturas e densidades, e a partir daí evoluiu até as
dimensões recentes.
Para justificar o Big Bang em um período inicial, onde o Universo teria sofrido
uma expansão ultra-rápida foi criada a teoria da inflação, que teria dominado os instantes
iniciais da grande explosão, e que depois de alguns milésimos de segundos teria acabado e
o universo teria continuado a se expandir com uma velocidade menor.
A teoria das cordas é importante na tentativa de explicar a origem das partículas
elementares. Ela tenta esclarecer através das vibrações em cordas reduzidas a tamanhos
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subatômicos o surgimento das partículas. De acordo com o modo de vibração pode surgir
uma nova partícula. Para que essa teoria seja coerente é necessário o uso de 11
dimensões.
Ao estudar aglomerados de galáxias, Fritz Zwicky descobriu que, para ter o
movimento observado, as galáxias deveriam ter uma massa muito maior que a observada.
Essa descoberta ficou conhecida como a massa faltante no Universo. Essa massa foi
chamada de matéria escura e suas propriedades são completamente diferentes da matéria
conhecida atualmente e ela seria responsável pela formação atual do Universo.
A idéia da matéria escura em sua essência, não é muito distante da idéia do éter
luminífero de Newton ou mesmo do éter Maxwell. Einstein no final de sua vida começou a
gostar da idéia do éter. Com isso percebe-se que os modelos para descrever a realidade
não estão prontos, mas estão sendo montados, e desta forma ficam sujeitos a mudanças
que podem ser buscadas no passado.
A expansão do Universo está atualmente sendo explicado por um modelo de
energia que seria desconhecida, por isso recebeu o nome de energia escura. Essa energia
teria um caráter negativo e seria responsável pela expansão do cosmo. Atualmente existem
duas hipóteses para a energia escura; a quintessência que seria variável no tempo, ou a
constante cosmológica que não sofreria modificações no decorrer do tempo.
A constante cosmológica foi proposta por Albert Einstein quando tentava
conciliar sua nova teoria da gravidade com a teoria da relatividade geral, pois naquela época
acreditava-se que o universo era estático e com o desenvolver de suas equações Einstein
percebeu que estava chegando a um resultado onde o universo estava em movimento. Com
intuito de obter um Universo que fosse de acordo com a idéia da época, resolveu implantar
um termo que contrabalanceasse com a força gravitacional, a fim de obter um universo
estático, e esse termo ficou conhecido como a constante cosmológica.
Com a descoberta da expansão do Universo não fazia mais sentido continuar
com o termo que foi implantado para obter um Universo estático, então a constante
cosmológica foi abandonada e considerada por Einstein o maior erro de sua vida.
Atualmente o termo inventado por Albert Einstein foi ressuscitado devido ao seu
caráter negativo e representa uma densidade de energia, que permanece constante mesmo
com a expansão do Universo, e cuja gravidade é uma força de repulsão, e não de atração.
Isso explicaria a expansão acelerada do cosmo.
Através da sonda espacial WMAP pretende-se fazer um mapa do Universo,
através da radiação cósmica de fundo que reflete as condições de uma época em que o
Universo era muito jovem. Esse mapeamento tem o intuito de fazer um estudo dos
diferentes componentes do Universo, e isso pode ajudar na descoberta de propriedades da
energia e da matéria escura. Através de cálculos de dados obtidos pela sonda, já foram
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descobertos indícios de uma energia e de uma matéria que possui propriedades totalmente
diferentes das até então conhecidas. Essas novas evidências podem estar relacionadas
com a energia e a matéria escura.
Desde que se começou a estudar o Universo foram feitos muitos esforços no
que diz respeito a desvendar seus enigmas, e para isso muitas vezes os cientistas acabam
explorando muitos caminhos, desenvolvendo hipóteses que serão analisadas através de
observações, e que nem sempre as explicam corretamente. Essas idéias as vezes não
levam a lugar nenhum, e acabam sendo abandonadas.
Conhecer os enigmas do universo significa uma evolução para toda a
humanidade, pois grandes esforços têm sido feitos ao longo das décadas por várias
pessoas, que dedicam ou dedicaram sua vida tentada explicar como o Universo se originou,
se expandiu e obteve sua forma atual.
5. AGRADECIMENTOS
Agradeço, em primeiro lugar, a Deus por se fazer presente em minha vida em todos
os momentos, me confortando, iluminando e fortalecendo. Agradeço também a minha
família e ao meu namorado Eduardo, que sempre me apoiaram nos momentos difíceis me
dando força e incentivo. Em especial gostaria de agradecer ao Professor Dr. Cláudio Manoel
Gomes de Sousa, que acreditou no meu trabalho permanecendo ao meu lado por mais de
um ano me orientando e incentivando. Agradeço ainda ao Professor Dr. Elio Carlos Ricardo,
pela ajuda quando precisei.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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