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

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 L 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.

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

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 ?