Big Bang

As flutuações das microondas cósmicas de fundo, ou CMB, são a impressão da estrutura do início do universo (esquerda). Os tamanhos angulares dessas flutuações dizem aos cosmologistas sobre a quantidade de matéria escura, energia escura e matéria ordinária no universo (direita).

NASA / WMAP (http://wmap.gsfc.nasa.gov/)

A existência da energia escura é indicada por várias outras medições. Por exemplo, medições do fundo de microondas cósmico indicam que o Universo é muito aproximadamente espacialmente plano e, por conseguinte, de acordo com a teoria da relatividade geral o Universo deve ter quase exatamente a densidade crítica de massa/energia. Mas a densidade de massa do Universo pode ser medida a partir de sua aglomeração gravitacional e o resultado encontrado é somente cerca de 30% da densidade crítica. 

Uma vez que a energia escura não se aglomera no modo usual ela é a melhor explicação para a densidade de energia "que falta". 

A energia escura também é exigida por duas medições geométricas da curvatura global do Universo, uma usando a freqüência de lentes gravitacionais e a outra usando o modelo característico da estrutura em larga-escala como uma "régua" cósmica. 

A pressão negativa é uma propriedade da energia do vácuo mas a natureza exata da energia escura permanece um dos grandes mistérios do Big Bang. Os possíveis candidatos a energia escura incluem a constante cosmológica e a quintessência. 

Resultados obtidos pelo grupo WMAP em 2006, que combinados com os dados obtidos provenientes da CMB e outras fontes, indicam que o Universo hoje é 74% energia escura, 22% matéria escura e 4% matéria regular.

A densidade de energia na matéria diminui com a expansão do Universo mas a densidade de energia escura permanece (aproximadamente) constante à medida que o Universo se expande. Por conseguinte a matéria constituia uma fração maior da energia total do Universo no passado do que é hoje mas sua contribuição fracional diminuirá no futuro longinquo à medida que a energia   escura se torna cada vez mais dominante. 

A Constante Cosmológica 

No modelo Lambda-CDM, o melhor modelo atual do Big Bang (incluindo a constante cosmológica Λ e a CDM (cold dark matter ou matéria escura "fria"), a energia escura é explicada pela presença de uma constante cosmológica na teoria da Relatividade Geral. Entretanto, o tamanho da constante que explica adequadamente a energia escura é surpreendentemente pequeno em relação a estimativas ingênuas baseadas em idéias sobre a gravitação quântica. 

A mais simples explicação para a existência da energia escura é que um volume de espaço tem alguma energia fundamental, intrínseca. A essa energia damos o nome de "constante cosmológica" que aparece nas equações relativísticas da gravitação representada por uma letra grega maiúscula Λ. 

A distinção entre a constante cosmológica e outras possíveis explicações de energia escura é uma área ativa de pesquisas atualmente. 

Quintessência 

Nos modelos que explicam a energia escura por meio da "quintessência" a aceleração observada do universo é causada pela energia potencial de um campo chamado "campo da quintessência". 

De modo um pouco mais elaborado, a quintessência é um campo escalar que tem uma equação de estado (equção relacionando pressão p e densidade ρ) dada por p = wρ, onde w é menor que -(1/3). 

A quintessência difere da constante cosmológica pelo fato deque ela pode variar tanto no espaço como no tempo. A quintesência é dinâmica e tem densidade e equação de estado que pode variar através do espaço e do tempo. No entanto, a constante cosmológica é estática, com uma densidade de energia fixada e w = -1.

A figura acima nos mostra o que é a quintessência. De acordo com a teoria relativística da gravitação o potencial gravitacional produzido por uma fonte isolada é proporcional a ρ + 3p, onde ρ é a densidade de energia e p é a pressão. Para a matéria não relativística a pressão é pequena demais, praticamente desprezível, enquanto que para a radiação p = (ρ/3). Por conseguinte, para o mesmo valor de densidade de energia, a radiação produz um potencial gravitacional mais profundo e mais atrativo (esquerda) do que a matéria não relativística (centro). Entretanto, se ρ + 3p é negativo, como ocorre no caso da quintessência, temos que p = (2/3) ρ e o sinal do campo gravitacional é transformado de atrativo para repulsivo. 

Não existe ainda evidencias da quintessência mas também não há argumento válido que nos obrigue a ignorá-la. Em geral a quintessência prevê uma aceleração ligeiramente mais lenta da expansão do universo do que o valor previsto pela constante cosmológica. 

O nome "quintessência" vem do "quinto elemento" puro, o éter que segundo os filósofos gregos permeava todo o Universo. 

As teorias de "Energia Fantasma" ("Phantom Energy Theories") 

Existe um casos particular de quintessência que recebeu um nome característico. Trata-se da chamada "energia fantasma", em cuja equação de estado w <-1. 

Conclusões 

Alguns físicos teóricos acham que a energia escura e a aceleração cósmica observada são apenas falhas da teoria relativística da gravitação quando tratamos com escalas muitíssimo grandes do universo, muito maiores do que aquelas que envolvem os superaglomerados de galáxias. Eles consideram que é uma extrapolação tremenda supor que a mesma lei da gravitação que rege o   comportamento dos corpos do Sistema Solar funcionariam sem qualquer tipo de correção em escalas tão imensas como as que tratamos ao considerarmos o próprio universo. 

Diversas idéias alternativas têm sido propostas como substitutas da energia escura. Elas vêm de outras teorias, também não provadas experimentalmente, tais como a teoria de cordas, a cosmologia de "branas".

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 Pierre Auger Observatory

Observatório de Raios Cósmicos Pierre Auger é a maior instalação voltada para a detecção e o estudo das partículas energéticas, os chamados raios cósmicos ultra-energéticos, que podem chegar a energias cerca de 10 milhões de vezes superior às alcançadas pelos atuais aceleradores de partículas.

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