Os problemas da constante cosmológica e da coincidência cósmica

A explicação mais simples para a natureza da energia escura é que se trata da energia do vácuo, ou seja a energia intrínseca ou fundamental de um certo volume de espaço “vazio”. Esta energia corresponderia, na teoria da Relatividade Geral, ao efeito da chamada constante cosmológica, normalmente designada por Λ. As observações relativas às supernovas e que conduzem à conclusão de que o Universo estará em expansão acelerada são consistentes com uma valor muito pequeno e positivo para esta constante, da ordem de 10^-29g/cm³. 

O problema da constante cosmológica consiste no facto de que as teorias quânticas de campo prevêm um valor muito maior para esta constante, a partir do cálculo da energia do vácuo quântico. De facto, em mecânica quântica, pares de partículas e anti-partículas estão constantemente a ser criadas a partir do vácuo, e embora estes pares existam durante um intervalo de tempo extremamente curto antes de se aniquilarem mútuamente, este processo contribui para a energia do vácuo, obtendo-se um valor que, dependendo da teoria que se utiliza, pode ser 120 ordens de grandeza maior do que o valor mencionado acima e necessário para explicar as observações. Este é visto actualmente como um dos problemas fundamentais da Física e não existe de momento nenhuma solução para ele.

Outro problema relacionado com a constante cosmológica é o chamado problema da coincidência cósmica e que consiste no facto de que existe uma coincidência aproximada entre a densidade de energia do vácuo e a densidade de matéria no Universo actual. Isto é particularmente estranho atendendo a que o balanço relativo entre estas energias varia rápidamente à medida que o Universo se expande. De facto, no universo primordial a energia do vácuo era desprezável em comparação com a matéria enquanto que recentemente a situação se inverteu e é a energia do vácuo que começou a dominar. Existe então um período relativamente curto na história do Universo em que estas densidades de energia são comparáveis e parece uma coincidência estranha que esse período seja precisamente em torno do presente. Apesar da constante cosmológica ser a hipótese mais simples para a natureza da energia escura, estes problemas levaram os físicos a procurar alternativas para a natureza desta energia, assunto de que trataremos na próxima semana. 

A Mecânica Quântica descreve o vácuo como um entidade preenchida por pares partícula-antipartícula, que são contínuamente criadas e destruídas, a que corresponde uma energia global de natureza repulsiva para distâncias suficientementes grandes. 

Modelos de energia escura

A explicação mais simples para a natureza da energia escura é de que se trata da energia do vácuo quântico, caso em que seria uma entidade constante no tempo e descrita matemáticamente pela introdução da chamada constante cosmológica nas equações da Relatividade Geral. Contudo, esta hipótese conduz a problemas teóricos graves, nomeadamente os problemas da constante cosmológica e da coincidência cósmica, conforme discutimos a semana passada.

Alternativamente, a energia escura pode corresponder à existência de partículas (ou campos) ditas escalares com determinadas características, conduzindo aos chamados modelos de quinta-essência. A quinta-essência difere da constante cosmológica por ser dinâmica, isto é, variar no espaço e no tempo. Embora a existência de campos escalares seja prevista pelas teorias de unificação das interações fundamentais (TUIF) da Natureza, como a teoria das cordas quânticas, eles ainda não foram observados experimentalmente. Nalguns destes modelos o problema da coincidência cósmica é contornado surgindo, no entanto, outro tipo de problema nomeadamente estes campos devem ter uma massa muito pequena para não aglomerarem e formarem estruturas, o que não é natural no contexto da teórica quântica dos campos.

Uma outra possibilidade que tem sido bastante discutida na literatura é a de que a energia escura seja descrita por um gás exótico, com uma equação de estado negativa, o gás de Chaplygin (ou a sua versão generalizada), originalmente proposto para explicar o comportamento da matéria em situações de aerodinâmica. Um bônus muito interessante deste modelo é que este gás descreve simultaneamente a matéria e a energia escuras, unificando assim estes conceitos de uma forma bastante elegante.

Existem também modelos que não recorrem à noção de energia escura. Neste caso, a expansão acelerada do Universo seria devida à existência de correcções à teoria da Relatividade Geral que apenas afectam as grandes escalas, superiores à dimensão digamos dos superclusters. Estas correcções são previstas por algumas TUIF, como as teorias em que o espaço-tempo tem dimensões extra, como é o caso das teorias de branas. 

Neste caso, as modificações da Relatividade Geral ocorrem devido ao facto de que os gravitões (partículas elementares hipotéticas que transmitem a força gravitacional) virtuais podem escapar para as dimensões extra, o que causaria uma redução da atração gravítica (a grandes distâncias) superior à que seria de esperar com base na Relatividade Geral.

Existe portanto uma grande variedade de modelos para explicar a expansão acelerada do Universo, com diferentes méritos e problemas do ponto de vista teórico, sendo agora necessário testar as suas previsões através da observação para se estabelecer qual o mais correto.

A possível existência da energia escura leva necessariamente a uma revisão da nossa perspectiva sobre o destino do Universo.

De facto, antes da descoberta da expansão acelerada do Universo, pensava-se que o seu destino se decidia pela competição entre a expansão causada pela “explosão” inicial (o Big-Bang) e a força atrativa da gravidade, que tende a contrariar a expansão. Se o Universo fosse apenas constituído por matéria, a sua geometria determinaria completamente o seu futuro. Assim, um universo (espacialmente) aberto não teria massa suficiente para que a força da gravidade ganhasse e o universo se expandisse para sempre enquanto que um Universo fechado teria, pelo que a expansão seria cada vez mais lenta até que cessaria e se iniciaria um colapso. O caso do Universo (espacialmente) plano é um caso limite em que existe exatamente a quantidade de massa necessária para que a expansão seja cada vez mais lenta até que pára assimptoticamente; as medidas recentes das anisotropias da radiação cósmica de fundo permitem concluir que o Universo é plano, dentro da margem de erro da observação, já muito pequena, o que nos levaria à conclusão de que esse seria o destino do Universo.

O destino do Universo

No entanto, a descoberta de que a expansão do Universo está de facto a acelerar e de que a matéria corresponde apenas a cerca de 30% da composição total do universo reabre a questão do seu destino. Em particular, a geometria já não determina completamente o destino do Universo mas mantêm-se três possibilidades: se a densidade de energia escura permanecer constante, a expansão vai continuar a acelerar, os objetos celestes que hoje observamos irão ficando cada vez mais afastados e ficaremos cada vez mais isolados no Universo. Este é o caso previsto pelo modelo que explica a energia escura através da chamada constante cosmológica. Por outro lado, se a densidade de energia escura variar no tempo, a possibilidade mais espetacular é a de que ela aumente no tempo e daqui a muitos biliões de anos venha a causar a destruição de toda a matéria existente no Universo, mesmo ao nível atômico dada a rapidez da expansão. Por outro lado, se a densidade de energia escura diminuir no futuro, é possível que o universo comece a desacelerar podendo mesmo conduzir a um colapso.

Num Universo com energia escura, a variação do factor de escala do Universo com o tempo depende da forma como esta varia no tempo. Se a densidade de energia escura for constante, a expansão continuará a acelerar para sempre; se aumentar, a aceleração da expansão pode ser tão rápida que as galáxias, estrelas, planetas e mesmo os átomos. sejam completamente destruídos, o chamado “Big Rip”. Finalmente, se a densidade de energia escura diminuir com o tempo, o universo pode colapsar, o chamado “Big Crunch”. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss. 

A Energia Escura

Observações recentes indicam que a maior parte do Universo não é composto de matéria ordinária (fotões, neutrinos, protões, neutrões, etc) nem mesmo de matéria escura mas sim de uma forma de energia não luminosa que permea todo o espaço, a chamada energia escura.

A evidência de que a energia escura é predominante no Universo actual tem origem essencialmente em dois tipos de observações. Por um lado, as observação relativas às anisotropias da radiação cósmica de fundo permitem-nos concluir que o Universo é plano pelo que a sua densidade de energia será igual à chamada densidade crítica. Existe ainda um conjunto distinto de observações que indicam que a densidade da matéria ordinária e da matéria escura contribuem com apenas cerca de 30% da densidade critíca. Por outro lado, a determinação da relação distância-luminosidade nas Supernovas do tipo IA indica que o Universo está em expansão acelerada. Esta aceleração é normalmente atribuída à presença da energia escura.

Enquanto a matéria está associada a uma força gravitacional atractiva que tende a tornar a expansão do Universo mais lenta, a energia escura é repulsiva e tende a acelerar a expansão. Combinados, esses resultados sugerem que cerca de 70% do Universo é constituído por energia escura e cerca de 30% por matéria, sendo que aproximadamente 25% é matéria escura e 5% matéria ordinária.

No entanto, não se conhece qual a natureza desta energia escura. Do ponto de vista observacional é fundamental determinar se a densidade de energia escura é constante no tempo ou dinâmica, variando muito lentamente no tempo, tendo já sido propostas várias missões que se propõem levar a cabo esta tarefa. Em qualquer dos casos, existem já vários modelos teóricos que pretendem explicar a natureza e evolução da energia escura. Contudo, a sua existência dá origem a problemas técnicos difíceis do ponto de vista teórico, cuja resolução terá muito provavelmente consequências revolucionárias para a cosmologia e para a física fundamental.

Em particular, a evolução da densidade de energia escura determina o destino do Universo; se esta for constante ele continuará a expandir-se de forma acelerada, se não for ele deverá recolapsar, eventualmente até de uma forma catastrófica.

Autoria:

Maria da Conceição Bento
Dep. Física/C.F.T.P. do Instituto Superior Técnico