Nas últimas décadas, os cientistas descobriram que há muito mais no universo do que aparenta: o cosmos parece estar cheio não apenas de um, mas de dois constituintes invisíveis - matéria escura e energia escura - cuja existência foi proposta baseado unicamente em seus efeitos gravitacionais na matéria e energia comuns.
Agora, o físico teórico Robert J. Scherrer apresentou um modelo que poderia reduzir o mistério pela metade, explicando a matéria escura e a energia escura como dois aspectos de uma única força desconhecida. Seu modelo é descrito em um artigo intitulado “Puramente Kinetic k Essence como matéria escura unificada”, publicado on-line pela Physical Review Letters em 30 de junho e disponível on-line em http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Uma maneira de pensar sobre isso é que o universo está cheio de um fluido invisível que exerce pressão sobre a matéria comum e muda a maneira como o universo se expande", diz Scherrer, professor de física da Universidade Vanderbilt.
Segundo Scherrer, seu modelo é extremamente simples e evita os principais problemas que caracterizaram os esforços anteriores para unificar a matéria escura e a energia escura.
Na década de 1970, os astrofísicos postularam a existência de partículas invisíveis chamadas matéria escura para explicar o movimento das galáxias. Com base nessas observações, eles estimam que deve haver cerca de 10 vezes mais matéria escura no universo do que a matéria comum. Uma explicação possível para a matéria escura é que ela é composta de um novo tipo de partícula (apelidada de partículas maciças de interação fraca ou WIMPs) que não emitem luz e mal interagem com a matéria comum. Uma série de experimentos estão procurando evidências dessas partículas.
Como se isso não bastasse, nos anos 90 surgiu a energia escura, que produz uma força repulsiva que parece estar destruindo o universo. Os cientistas invocaram a energia escura para explicar a surpresa descoberta de que a taxa na qual o universo está se expandindo não está diminuindo, como pensavam muitos cosmólogos, mas está se acelerando. De acordo com as estimativas mais recentes, a energia escura representa 75% do universo e a matéria escura representa outros 23%, deixando a matéria e a energia comuns com um papel distintamente minoritário de apenas 2%.
A ideia unificadora de Scherrer é uma forma exótica de energia com propriedades bem definidas, mas complicadas, denominadas campo escalar. Nesse contexto, um campo é uma quantidade física que possui energia e pressão que se espalham pelo espaço. Os cosmólogos invocaram primeiro campos escalares para explicar a inflação cósmica, um período logo após o Big Bang, quando o universo parece ter passado por um episódio de hiperexpansão, inflando bilhões e bilhões de vezes em menos de um segundo.
Scherrer usa especificamente um campo escalar de segunda geração, conhecido como k-essence, em seu modelo. Os campos da essência K foram avançados por Paul Steinhardt na Universidade de Princeton e outros como uma explicação para a energia escura, mas Scherrer é o primeiro a apontar que um tipo simples de campo da essência k também pode produzir os efeitos atribuídos à matéria escura.
Os cientistas diferenciam matéria escura e energia escura porque eles parecem se comportar de maneira diferente. A matéria escura parece ter massa e formar aglomerados gigantes. De fato, os cosmologistas calculam que a atração gravitacional desses aglomerados desempenhou um papel fundamental ao fazer com que a matéria comum forme galáxias. A energia escura, ao contrário, parece estar sem massa e se espalha uniformemente pelo espaço, onde atua como uma espécie de antigravidade, uma força repulsiva que está afastando o universo.
Os campos da essência K podem mudar seu comportamento ao longo do tempo. Ao investigar um tipo muito simples de campo de essência k - um em que a energia potencial é uma constante - Scherrer descobriu que, à medida que o campo evolui, ele passa por uma fase em que pode agrupar e imitar o efeito de partículas invisíveis seguidas por uma fase quando ele se espalha uniformemente pelo espaço e assume as características da energia escura.
"O modelo evolui naturalmente para um estado em que parece matéria escura por um tempo e depois parece energia escura", diz Scherrer. "Quando percebi isso, pensei: 'Isso é atraente, vamos ver o que podemos fazer com isso'."
Quando ele examinou o modelo com mais detalhes, Scherrer descobriu que ele evita muitos dos problemas que atormentaram as teorias anteriores que tentam unificar a matéria escura e a energia escura.
O modelo mais antigo de energia escura foi criado modificando a teoria geral da relatividade para incluir um termo chamado constante cosmológica. Este foi um termo que Einstein originalmente incluiu para equilibrar a força da gravidade, a fim de formar um universo estático. Mas ele alegremente abandonou a constante quando as observações astronômicas do dia descobriram que não era necessário. Modelos recentes que reintroduzem a constante cosmológica fazem um bom trabalho em reproduzir os efeitos da energia escura, mas não explicam a matéria escura.
Uma tentativa de unificar matéria escura e energia escura, chamada modelo de gás Chaplygin, é baseada no trabalho de um físico russo na década de 1930. Produz um estágio inicial semelhante à matéria escura, seguido de uma evolução semelhante à energia escura, mas tem problemas para explicar o processo de formação de galáxias.
A formulação de Scherrer tem algumas semelhanças com uma teoria unificada proposta por Nima Arkani-Hamed, da Universidade de Harvard e seus colegas, que tentam explicar a matéria escura e a energia escura como decorrentes do comportamento de um fluido invisível e onipresente que eles chamam de " condensado fantasma. ”
Embora o modelo de Scherrer tenha várias características positivas, ele também tem algumas desvantagens. Por um lado, requer um ajuste extremo para funcionar. O físico também adverte que mais estudos serão necessários para determinar se o comportamento do modelo é consistente com outras observações. Além disso, ele não pode responder ao problema da coincidência: por que vivemos no único momento na história do universo quando as densidades calculadas para a matéria escura e a energia escura são comparáveis. Os cientistas suspeitam disso porque sugere que há algo de especial na era atual.
Fonte original: Comunicado de imprensa da Universidade Vanderbilt
