Energia EscuraEnergia Escura
Rosana de Oliveira Gomes Rosana de Oliveira Gomes
COSMOLOGIA E RELATIVIDADE (FIS2012) COSMOLOGIA E RELATIVIDADE (FIS2012)
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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 LL
• 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.
1. Fotometria: subtração das imagens;
2. Curva de luz: luminosidade em função do tempo;
3. Ajuste para diagrama: magnitude em função log(z)
Curvas de Luz
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 Pressão-Energia;
• 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 ?