Energia Escura

1. Energia Escura Rosana de Oliveira Gomes COSMOLOGIA E RELATIVIDADE (FIS2012) IF UFRGS

2. 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

3. A Constante CosmológicaL • 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

4. 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

5. 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.

6. Curvas de Luz • Fotometria: subtração das imagens; • Curva de luz: luminosidade em função do tempo; • Ajuste para diagrama: magnitude em função log(z)

8. 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.

9. 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 ???

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Destino do Universo

14. 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

15. 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.

16. FIM ?