Ciência e Tecnologia – Algo estranho está acontecendo com o Universo: ele está se expandindo ou talvez criando um novo cosmos

A evidência de que o Universo está em expansão é esmagadora. Mas como exatamente ocorre essa expansão?

Embora os cientistas saibam há quase 100 anos que o Universo está em expansão e haja muitas evidências disso, ainda permanece a questão de como exatamente isso está acontecendo: ampliando o espaço ou criando novo espaço nas “lacunas” abertas pela energia cósmica. expansão? Escreve sobre isso Grande Pense.

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Expansão do Universo

Há quase 100 anos, os cientistas descobriram que o Universo não é estático. Uma das previsões da teoria geral da relatividade de Einstein é que qualquer universo, desde que esteja uniformemente preenchido com um ou mais tipos de matéria, radiação ou energia, não pode permanecer inalterado ao longo do tempo. Em vez disso, deve expandir-se ou contrair-se. Mas no final da década de 20 do século passado, os astrônomos descobriram que o Universo ainda estava em expansão.

Mas o que exatamente acontece com a estrutura do espaço durante esse processo? O próprio espaço está se expandindo? Ou poderia ser criado um novo espaço para preencher as “lacunas” criadas durante a expansão do Universo?

A teoria geral da relatividade conecta duas coisas importantes:

  • a quantidade, distribuição e tipos de energias, incluindo matéria, antimatéria, matéria escura, radiação, neutrinos e tudo o mais que existe no Universo;
  • a geometria subjacente ao espaço-tempo, incluindo se e como ele é curvo, e se e como o próprio espaço-tempo evoluirá.

Existem também dois critérios que são normalmente usados ??para descrever o nosso Universo e que são totalmente confirmados por observações em grande escala – isotropia e homogeneidade.

  • A isotropia diz-nos que o Universo é o mesmo em todas as direções: não importa para onde olhemos numa escala cósmica, nenhuma “direção” é particularmente diferente de outra.
  • A homogeneidade diz-nos que o Universo é o mesmo em todos os lugares: a mesma densidade, temperatura e taxa de expansão existem com uma precisão superior a 99,99% nas escalas maiores.

Ou seja, o nosso Universo em grandes escalas cósmicas é de facto isotrópico e homogéneo.

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Nosso Universo em grandes escalas cósmicas é de fato isotrópico e homogêneo

Foto: phys.org

O espaço não pode ser medido

As equações que governam a evolução do Universo são conhecidas como equações de Friedmann. A estrutura do espaço-tempo, se preenchida uniformemente com um ou mais tipos de matéria e/ou energias, deve expandir-se ou contrair-se de acordo com estas equações. Mas o que realmente significa “expansão” ou “contração” quando se trata do próprio espaço?

O espaço em si não é algo que possa ser medido diretamente. Não podemos sair do Universo e olhar para ele. Em vez disso, pode-se observar a influência do espaço na matéria, na antimatéria e na luz.

Se estamos falando da expansão do Universo, então a quantidade mais simples que pode ser observada e medida em termos da expansão do espaço é a densidade. Se o Universo não estiver vazio, mas cheio de “algo”, então, à medida que se expande, a quantidade de espaço que esse “algo” ocupa aumentará.

A matéria, no seu nível mais simples, é um número fixo de objetos massivos que existem no espaço. À medida que o Universo se expande, o número total de objetos permanece o mesmo, mas a quantidade total de espaço em que eles podem existir aumenta. Para a matéria, a densidade é simplesmente a massa dividida pelo volume e, portanto, se a massa permanecer a mesma enquanto o volume aumenta, a densidade deverá diminuir. Mas embora existam vários tipos de matéria no universo, nem tudo no universo é matéria. Também existe radiação e energia.

Taxa de expansão do universo

À medida que o Universo se expande e a luz passa através do Universo em expansão, não só o volume aumenta e o número de partículas permanece o mesmo, mas cada quantum de radiação experimenta uma mudança de comprimento de onda em direção à extremidade mais vermelha do espectro eletromagnético. Foi graças ao efeito redshift que o Universo em expansão foi descoberto pela primeira vez.

Universo

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O universo hoje está se expandindo a uma taxa em torno de 70 km/s por megaparsec

Foto: NBC News

Nosso Universo também possui energia escura, que não tem forma de partícula, mas é inerente à própria estrutura do espaço. Embora não possamos medir a energia escura diretamente, existe uma maneira de inferir o seu significado e propriedades. Isso requer observar como a luz deslocada para o vermelho de objetos distantes evolui em função da distância.

Quando você junta tudo, surge uma imagem bastante consistente. O universo hoje está se expandindo a uma taxa de cerca de 70 km/s por megaparsec, o que significa que para cada megaparsec (cerca de 3,26 milhões de anos-luz) de distância, um objeto se afasta de outro a uma velocidade de 70 km/s.

Do que é feito o universo?

Hoje o Universo consiste nas seguintes formas de energia e matéria:

  • aproximadamente 0,008% de radiação na forma de fótons ou radiação eletromagnética;
  • aproximadamente 0,1% dos neutrinos, que agora se comportam como matéria, mas inicialmente se comportavam como radiação quando sua massa era muito pequena comparada à quantidade de energia cinética que possuíam;
  • aproximadamente 4,9% de matéria comum, que inclui átomos, plasma, buracos negros e qualquer coisa que antes consistisse em prótons, nêutrons ou elétrons;
  • aproximadamente 27% de matéria escura, cuja natureza ainda é desconhecida, mas que deveria ser massiva e acumular-se como matéria;
  • aproximadamente 68% de energia escura, que se comporta como se fosse energia inerente ao próprio espaço e está acelerando a expansão do Universo.

O universo reage de maneira diferente a diferentes formas de energia e matéria. Se considerarmos que o Universo está cheio de radiação, à medida que o comprimento de onda aumenta à medida que o Universo se expande, a analogia do “alongamento” do espaço funciona muito bem.

O universo está se expandindo ou criando um novo espaço?

Por outro lado, quando algo é esticado normalmente, fica mais fino. Esta é uma boa abordagem para descrever o comportamento da luz e de outras formas de radiação, mas não para a energia escura ou qualquer forma de energia inerente à própria estrutura do espaço. À medida que o Universo se expande, o volume de energia escura aumenta, mas a densidade de energia não muda e, portanto, a energia total aumenta. Do ponto de vista da energia escura, parece que um novo espaço está a ser criado como resultado da expansão do Universo.

Toda a radiação no nosso Universo, incluindo todas as ondas gravitacionais, comporta-se como se o espaço estivesse a ser esticado, embora o próprio espaço não esteja a ficar mais fino. A energia escura dentro do Universo comporta-se como se um novo espaço estivesse a ser criado, embora não possamos medir nada para detectar isso.

Na realidade, a relatividade geral só pode nos dizer como o espaço se comporta, evolui e afeta a energia dentro dele. Não pode nos dizer o que realmente é o espaço no sentido filosófico.

Deve-se reconhecer que o espaço não é esticado ou criado, mas simplesmente existe tal como a teoria de Einstein o descreve.

Como já escrevi Foco, o Universo tem um estranho senso de humor, porque o tempo não pode parar, apenas acabar. As teorias existentes dizem-nos que a “flecha do tempo” avança sempre, mas em alguns casos são tomadas liberdades.

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