Aula 190 — Energia Escura e o Futuro Acelerado do Universo

O professor pergunta: "a gravidade de toda a matéria do Universo deveria estar freando a expansão iniciada no Big Bang, certo? O que você acharia se cientistas descobrissem exatamente o oposto?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: se toda a matéria do Universo se atrai gravitacionalmente, o que poderia fazer a expansão do espaço ACELERAR, em vez de desacelerar com o tempo? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que, como toda matéria se atrai gravitacionalmente, a expansão do Universo só poderia estar desacelerando — a descoberta observacional de 1998 mostrou exatamente o contrário, exigindo um novo ingrediente com efeito repulsivo em larga escala.

Apresentação dos slides 2 a 9: supernovas do tipo Ia (explosões de anãs brancas que atingem uma massa crítica, Módulo 13, Aula 182) têm uma luminosidade máxima extremamente previsível, funcionando como "velas padrão": conhecendo sua magnitude absoluta (Aula 179), astrônomos calculam a distância a galáxias muito distantes onde essas supernovas ocorrem, e comparam essa distância ao desvio para o vermelho observado (Aula 188). Em 1998, duas equipes independentes de astrônomos, estudando supernovas Ia extremamente distantes, descobriram algo inesperado: elas estavam mais fracas (portanto, mais distantes) do que o esperado se a expansão do Universo estivesse desacelerando pela gravidade da matéria — a conclusão foi que a expansão do Universo está, na verdade, ACELERANDO — isso resolve o obstáculo do Momento 2, e essa descoberta rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2011. A causa dessa aceleração ainda não é totalmente compreendida, sendo atribuída a um componente chamado energia escura, que age como uma espécie de pressão repulsiva em larga escala, representada nas equações da Relatividade Geral (Aula 184) pela constante cosmológica (Λ), que o próprio Einstein havia originalmente introduzido (por outro motivo, que depois abandonou) e hoje se mostra fisicamente relevante. Segundo as melhores estimativas atuais, a energia escura corresponde a cerca de 68% de todo o conteúdo de energia do Universo, a matéria escura (Aula 187) a cerca de 27%, e a matéria comum (estrelas, planetas, tudo que vemos e tocamos) a apenas cerca de 5%. Se a energia escura continuar dominando, o Universo deve continuar se expandindo, de forma acelerada, indefinidamente.

Resolução guiada: discutir coletivamente, de forma qualitativa, como uma "vela padrão" (magnitude absoluta conhecida, Aula 179) permite calcular a distância a uma supernova extremamente distante, e por que comparar essa distância com o desvio para o vermelho observado (Aula 188) revelou a aceleração inesperada. Em duplas: discutir, a partir da proporção 68%/27%/5%, por que se diz que "a matéria comum, da qual somos feitos, é apenas uma pequena fração do conteúdo total do Universo".

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: em vez de desacelerar pela gravidade da matéria, a expansão do Universo está acelerando — um efeito atribuído à energia escura, cuja natureza física ainda é um dos maiores mistérios em aberto na cosmologia atual.