A Energia Escura é uma forma hipotética de energia que exerce uma pressão negativa e repulsiva, comportando-se como o oposto da gravidade. Foi feita a hipótese de se ter em conta as propriedades observacionais das supernovas do tipo distante Ia, que mostram o universo a atravessar um período acelerado de expansão. Como a Matéria Escura, a Energia Escura não é diretamente observada, mas inferida a partir de observações de interações gravitacionais entre objetos astronômicos.
Crédito: Swinburne
Energia Escura representa 72% da densidade total de massa-energia do Universo. O outro contribuinte dominante é a Matéria Escura, e uma pequena quantidade é devida a átomos ou matéria bariónica.
Em 1998 duas equipas de astrónomos anunciaram que as supernovas tipo Ia distantes, z~1, eram ligeiramente mais fracas do que as previsões do modelo de um universo em expansão (ainda que lento). Para serem mais fracas, as supernovas devem estar mais distantes e isto requer que a expansão do Universo tenha sido mais lenta no passado. Ambas as equipas concordaram que o Universo está a passar por uma fase de expansão acelerada. A Energia Escura foi invocada para impulsionar esta aceleração.
No início do século XX Albert Einstein tinha invocado uma ‘constante cosmológica’, (normalmente simbolizada pela letra grega lambda, Λ). Era uma energia de vácuo de espaço vazio, que mantinha o universo (previsto por suas equações de campo da Teoria Geral da Relatividade) estático, em vez de se contrair ou expandir. Ela proporcionava uma forma de equilibrar a contração gravitacional causada pela matéria. Uma vez observado que o Universo estava em expansão Einstein removeu precipitadamente a sua constante cosmológica. Contudo se a energia escura é descrita por algo semelhante à constante cosmológica de Einstein, ela não apenas equilibra a gravidade para manter um universo estático, mas tem uma pressão negativa para acelerar a expansão.
Outros tipos de energia escura foram propostos, incluindo um campo cósmico associado à inflação e um campo diferente, de baixa energia, chamado de “quintessência”.
Pensa-se que o universo muito cedo também passou por um período de rápida expansão, chamado de inflação. A inflação, que ocorreu cerca de 10-36 segundos após o Big Bang, agiu para suavizar o universo e torná-lo geometricamente plano. Se a densidade do Universo for exatamente igual à densidade crítica, então a geometria do Universo é plana como uma folha de papel. Para um Universo dominado por matéria, a densidade crítica (equivalente a cerca de 6 protões por m3) situa-se exactamente entre a densidade necessária para um Universo pesado que eventualmente irá colapsar, e uma densidade necessária para um Universo leve que irá expandir-se para sempre. Quando os astrônomos medem a quantidade de matéria e energia no Universo hoje em dia, eles só conseguem obter cerca de ~30% do que é necessário para tornar o Universo plano. A adição de Energia Escura ao orçamento de energia em massa torna o Universo plano. A versão mais simples da inflação, prevê que a densidade do Universo é muito próxima da densidade crítica.
A nave espacial WMAP mediu a geometria do Universo. Se o Universo fosse plano, as flutuações de fundo cósmicas mais brilhantes (ou “manchas”) seriam de cerca de 1 grau de largura. WMAP confirmou o tamanho deste ponto com uma precisão muito elevada. Agora sabemos que o Universo é plano com apenas 2% de margem de erro.
Crédito: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) e o Highz Supernova Search Team e NASA
Quintessence é dos antigos gregos que usavam o termo para descrever um misterioso ‘quinto elemento’ – além de ar, terra, fogo e água. Enquanto a constante cosmológica é uma forma específica de energia, uma energia de vácuo, a quintessência é dinâmica, evolutiva no tempo e uma forma de energia espacialmente dependente. É um campo quântico com energia cinética e potencial.
Dependente da relação das duas energias e da pressão que exercem, a quintessência pode tanto atrair como repelir. Tem uma equação de estado (relacionando sua pressão p e densidade ρ) de p = wρ, onde w é igual à equação de estado da componente energética que domina o universo. Se w sofre uma transição para menos de -1/3 isso inicia uma expansão acelerada. Em contraste, uma constante cosmológica é estática, com uma densidade de energia fixa e w = -1.
Existem vários programas em curso que visam descobrir mais sobre a Energia Escura. Um desses estudos envolve a medição das Oscilações Acústicas Bariáticas (BAO).
Alternativas à Energia Escura têm sido propostas. Alguns cientistas propuseram que nossa Galáxia se situe dentro de uma região de baixa densidade causada pela passagem de uma onda de densidade. O Big Bang pode ter criado esta onda de grande escala no espaço-tempo. Como esta onda primordial se moveu através do universo, ela deixou para trás uma onda de baixa densidade de várias dezenas de milhões de anos-luz através da qual a Galáxia agora reside. Embora possível, esta diferença nas propriedades do espaço-tempo violaria o princípio Copérnico que afirma que o universo, em grande escala, é homogêneo.