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Expansão do universo: há necessidade de matéria/energia escura?

Sobre a expansão do universo, sempre vejo a necessidade de matéria/energia escura para resolver esse problema. A expansão do universo não poderia ser somente ainda impulso da expansão do Big Bang? Por quê?

Respondido por: Prof. Alan Alves Brito (IF-UFRGS) - Departamento de Astronomia do IFUFRGS e Diretor do Observatório Astronômico da UFRGS

Atualmente temos evidências científicas teóricas e observacionais fortes para afirmar que o Universo “nasceu” cerca de 14 bilhões de anos atrás e tem se expandido desde sempre. O início, Big Bang, quando matéria, energia e tempo se formam, é altamente quente e denso e, à medida que o Universo evolui (expande-se) sua densidade e temperatura baixam. Nesta evolução térmica, cerca de 1-2 bilhões de anos depois de sua formação, algumas regiões do Universo se aglutinam de maneira que a densidade local é alta o suficiente para que a gravidade (que é atrativa) faça o trabalho dela, ou seja, aglutine matéria localmente para que galáxias se formem e, dentro destas galáxias, as estrelas, que são as “fábricas” dos elementos químicos da Tabela Periódica. 
 
A soma total de massa no Universo, devido somente à contribuição dos elementos químicos da Tabela Periódica, o que denominamos de matéria luminosa ou matéria bariônica, corresponde a aproximadamente 5% do que observamos, o que implica dizer que 95% do Universo é ainda ignorância. Estes 95% de massa “faltante” no Universo (e é relativamente fácil fazer a conta, usando as equações que descrevem o tecido do Universo, ou seja, o espaço e o tempo) representam o maior mistério da Astrofísica e da Física contemporânea. 
 
Sabemos por métodos indiretos de observação, por exemplo, que há algo a mais na gravidade que dá origem às galáxias, já que a massa combinada de estrelas e gás é insuficiente para explicar a intensidade da gravidade (massa) que conseguimos medir em diferentes ambientes astrofísicos. Desta forma, uma grande quantidade de matéria deve estar sob a forma de uma componente escura (matéria escura) que não é perceptível ou medida diretamente (ainda). Dos 95% da matéria faltante no Universo, cerca de 27% estaria sob a forma desta componente (ou matéria) escura. 
 
A ideia de uma segunda componente faltante surge a partir da medida da taxa de expansão do Universo, a qual é medida por astrofísicos usando diferentes métodos. A taxa de expansão pode ser medida, por exemplo, analisando a relação entre redshift (velocidade) e distância das galáxias ao longo do tempo. 
 
Como a gravidade é uma força atrativa, os astrofísicos esperavam que, em algum momento, com o tempo, a gravidade (que tende para o centro) iria parar a expansão (que atua contra a gravidade) do Universo. No entanto, observações atuais, acumuladas em pelo menos duas décadas de observação, e que, inclusive, levaram a que dois grupos de pesquisadores independentes dividissem o Prêmio Nobel de Física 2011, mostram que a gravidade sozinha não está parando a expansão do Universo. Há, portanto, uma componente mais forte, contrária à gravidade, e que nem sempre esteve aí, que está fazendo com que a expansão se acelere. Esta componente é o que se denomina “energia escura”.  Esta seria, assim, uma força contrária à gravidade e que não tem a mesma natureza das quatro forças conhecidas no Universo (a força fraca, a força forte, a força gravitacional e a força eletromagnética).  Há evidências (ajustes de modelos teóricos às observações) de que esta expansão acelerada do Universo não começou imediatamente após o Big Bang, mas alguns bilhões de anos depois, o que indica que, inicialmente, a gravidade foi forte o suficiente para desacelerar a expansão do Universo até que, finalmente, a energia escura (seja lá o que for esta força) passasse a dominar, acelerando a taxa de expansão e contribuindo, hoje, com cerca de 68% da matéria do Universo. 
 
Em resumo: As condições iniciais do Universo determinam a criação de matéria, energia e do espaço-tempo. Embora a teoria do Big Bang descreva relativamente bem vários dos vínculos observacionais atuais, falta ainda entender alguns detalhes da teoria. Há várias perguntas esperando por respostas. Qual é, por exemplo, a conexão entre a relatividade geral (gravidade) e a mecânica quântica (física de partículas) nos primeiros segundos de “vida” do Universo? Qual é o papel da inflação (esta é uma outra história)? Qual é o papel da matéria escura na formação das galáxias? De que é feita a matéria escura? E o que é a energia escura? Somente quando tivermos respostas para algumas destas perguntas é que finalmente poderemos entender, em mais detalhes, a história térmica (expansão com o tempo) do Universo.
Visualizações entre 27 de maio de 2013 e novembro de 2017: 963.

2 comentários em “Expansão do universo: há necessidade de matéria/energia escura?

  1. ola pessoal, tambem estou estudando mesmo que pelo impossivel, entender a materia negra ou energia escura, gostaria de mais detalhes do significam estas materias ou energias disponiveis e ainda desconhecidas do universo, pelo que vejo ate no canal univesp pelo depto de astronomia, o professor responsavel tambem esta questionando o que seriam estas forças, obrigado e abraços a todos, valmir.

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