💇 🚴🏻 🎍 Universo escuro. Parte 2 👩‍🔬 👩🏼‍🎓 🤱

E novamente, bom dia! Este artigo é uma continuação de um artigo publicado anteriormente sobre o nosso universo "sombrio". Nesta parte, continuaremos a considerar várias características interessantes da cosmologia, que muitos cientistas estão lutando para explicar.

Em geral, tentei tornar as partes independentes uma da outra; portanto, se você não leu a primeira parte, alguns problemas de compreensão não devem surgir.

Massa negativa

Após a publicação da primeira parte, muitas questões surgiram sobre uma característica do “líquido escuro” como massa negativa . Portanto, decidi me debruçar sobre esse tópico com mais detalhes.

A. Einstein falou pela primeira vez sobre massa negativa. Em 1918, comentando a introdução da constante cosmológica em GR, ele disse:

É necessária uma modificação da teoria para que o "espaço vazio" assuma o papel de massas negativas que são distribuídas por todo o espaço interestelar

No momento, a ciência não conhece partículas que teriam uma massa negativa. Mas a partir de estudos teóricos conduzidos por cientistas, é bem possível aprender sobre algumas das propriedades esperadas de tais partículas. Por exemplo, que um corpo de massa negativa terá inércia negativa. Ou seja, o corpo sob a ação de uma força externa acelerará oposto à ação da força. A interação gravitacional de partículas com massas opostas como um todo será a seguinte:

Uma massa positiva atrai outras massas positivas e negativas.
Uma massa negativa repele outras massas negativas e massas positivas.

Com as massas positivas, tudo fica claro em princípio - elas serão atraídas. Duas massas negativas serão repelidas. Mas para as massas com sinais diferentes, existe um paradoxo interessante: por um lado, a massa positiva é repelida da massa negativa e, por outro, a massa negativa é atraída para o positivo. Portanto, dois objetos de massa igual e oposta causarão uma aceleração constante do sistema para um objeto de massa positiva - o efeito do chamado "movimento descontrolado".

Esse par de objetos acelerará sem restrições (exceto relativísticas), embora a massa total, momento e energia do sistema permaneçam iguais a zero. Esse comportamento é completamente incompatível com a nossa idéia do "universo comum" e com a interação conhecida das massas positivas, mas os cientistas mostraram que, por si só, é completamente matematicamente consistente e consistente.

Além do ceticismo devido à extrema incomum efeito do efeito, o fato mais significativo é que, se considerarmos nosso universo como uma variedade riemanniana com uma única métrica, esse efeito se tornará impossível nele. Mas os matemáticos admitem plenamente que pode haver mais de uma métrica e, no momento, já foram propostas teorias bimétricas do Universo, nas quais uma métrica adicional é introduzida e nas quais partículas com diferentes massas de sinais se repelem. Isso resolve o paradoxo descontrolado e torna completamente legal a existência de massa negativa.

Resumindo, do ponto de vista da ciência moderna, a existência de uma massa negativa parece teoricamente possível, mas atualmente não há evidências experimentais de sua existência. Pesquisas nessa direção estão em andamento - em 2017 foiUm post sobre Habré com a notícia de que os cientistas supostamente criaram uma substância com as propriedades de uma massa negativa, mas depois essa notícia foi refutada.

Dipolo repulsivo

Mas voltando ao vetor narrativo geral, na última parte do artigo, decidimos por um conceito como um repulsor dipolar .

Na década de 1970, ao estudar a radiação relíquia, foram obtidos dados que mostraram que nossa galáxia e seus vizinhos, que compõem o chamado “superaglomerado local de galáxias” (também conhecido como superaglomerado Virgo), se movem a uma velocidade de cerca de 600 km / s direção da constelação Hydra. Os cientistas levantaram a hipótese de que há um enorme acúmulo de matéria localizada a uma distância de cerca de 60 Mpc, e responsável por esse efeito gravitacional. Esse acúmulo hipotético de matéria foi chamado de Grande Atrator .

Ao mesmo tempo, um estudo direto da área em que o Grande Atrator deveria ser encontrado é complicado pelo fato de estar localizado na chamada “zona de evasão” - fechada pela observação do plano da Via Láctea com um grande número de estrelas e poeira interestelar - e, portanto, não acessível a observações diretas. No entanto, durante observações de rádio de fontes de raios-X, o acúmulo de matéria era claramente visível.

Somente no final dos anos 90, os cientistas foram capazes de detectar cerca de 600 galáxias nessa direção. Segundo o estudo, o centro do Grande Atrator está na constelação do Gon. Tem uma massa da ordem de 10 ¹⁵ Mʘ, ou cerca de 10.000 massas da nossa galáxia.

Em áreas adjacentes ao atrator, é detectado movimento maciço de galáxias em grande escala em sua direção. Embora, comparados à estrutura de larga escala do Universo, todos sejam fenômenos locais e locais, e sua existência não contradiga a validade do princípio cosmológico em larga escala.

Naquela época, os cientistas decidiram que o problema estava resolvido, mas em 2005, ao calcular as massas, descobriu-se que o Grande Atrator tinha apenas 1/10 da massa inicialmente assumida, o que não é suficiente para explicar uma força gravitacional tão poderosa que atua em nosso superaglomerado.

Mais tarde, os cientistas descobriram que nosso superaglomerado também é atraído pelo superaglomerado Perseus-Peixes , e muito mais massivo, comparado ao já mencionado superaglomerado Shapley.. Mas seu impacto gravitacional total não foi suficiente para explicar completamente o movimento da Via Láctea.

E em 2017, os cientistas apresentaram uma hipótese sobre o chamado "repulsor dipolar". Sua localização é assumida no vazio vizinho (uma área com uma densidade estelar e galáctica relativamente pequena), que literalmente empurra nosso superaglomerado em direção ao superaglomerado Shapley.

Em virtude de apenas uma descoberta recente, não há informações confiáveis sobre a natureza do repulsor dipolar, bem como evidências experimentais de sua existência, por exemplo, através do efeito em galáxias individuais próximas. Embora, como já indiquei na última parte do artigo, tanto a energia escura quanto o líquido escuro tenham um efeito repulsivo, talvez em algum lugar ocorra a chave desse fenômeno.

Fluxo escuro

Além do movimento de nosso superaglomerado para a área do Grande Atrator, são registradas evidências de uma corrente muito mais global do Universo local. Foi descoberto ao analisar a natureza dos deslocamentos da ordem de 1400 clusters. No entanto, isso é apenas parte do fluxo, estendendo-se por mais de 3 bilhões de anos-luz. Essa corrente recebeu o nome " fluxo escuro ".

A existência de tal movimento global não é consistente com o princípio cosmológico, segundo o qual o movimento de grupos de galáxias em larga escala deve ser aleatório e caótico.

No momento, os cientistas não podem esperar mais de 380.000 anos após o Big Bang, quando o Universo se tornou transparente. Isso corresponde a uma distância de cerca de 46 bilhões de anos-luz. No entanto, estudos têm mostrado que a força que causa movimento nessa direção está fora dessa faixa e possivelmente além do nosso universo.

Segundo os cientistas, uma possível causa do fluxo escuro é o efeito da massa, que atualmente está fora da parte visível do Universo. No entanto, essa explicação se depara com o já mencionado princípio cosmológico, segundo o qual o Universo também deve ser homogêneo e isotrópico em larga escala. E a teoria do Big Bang não permite a formação de massas tão grandes em tão pouco tempo.

Além disso, há explicações mais exóticas, por exemplo, que o fluxo é iniciado pela presença de um universo paralelo, com o qual, na época do Big Bang, o nosso estava vinculado no nível quântico. Mas, até agora, essas explicações e até a própria existência do “fluxo escuro” não receberam reconhecimento unânime e, no momento, são mais um assunto para discussão científica.

Grandes muralhas

Como já mencionado, de acordo com o princípio cosmológico , em uma escala muito grande de observações, o Universo deve ser homogêneo e isotrópico, ou seja, as diferenças de massa e estrutura da matéria entre diferentes regiões do Universo devem ser muito pequenas. A principal evidência disso é a observação da radiação relíquia, que geralmente é uniforme e as flutuações estatísticas nela são mínimas.

Segundo os conceitos modernos, a escala na qual a uniformidade deve se manifestar é de 250 a 300 milhões de anos-luz. E nenhuma estrutura heterogênea de tamanhos maiores deve existir. Essa hipótese é conhecida como o " fim da grandeza ".

No início do século XX, sabia-se que as estrelas são agrupadas em aglomerados de estrelas, que, por sua vez, formam galáxias. Mais tarde, foram encontrados aglomerados de galáxias e superaglomerados de galáxias. No entanto, o tamanho dos superaglomerados é muito diferente.

Em 2003, os cientistas descobriram a Grande Muralha de Sloan , que tem um tamanho de 1,37 bilhão de anos-luz, 4,5 vezes a escala prevista da uniformidade do Universo. Em seguida, um grande grupo de quasares com um tamanho de 4 bilhões de anos-luz foi descoberto , 13,5 vezes maior. E em 2013, a parede Hercules-Northern Crown foi descoberta - uma estrutura heterogênea medindo mais de 30 vezes o tamanho da escala prevista. A existência de tais estruturas em larga escala põe em dúvida o próprio princípio cosmológico.

O Muro de Hércules-Coroa do Norte está localizado a uma distância de cerca de 10 bilhões de anos-luz de nós. O que significa que estamos observando isso como há 10 bilhões de anos atrás, ou apenas 3,79 bilhões de anos após o Big Bang. Como já mencionado no momento, não há hipóteses geralmente aceitas sobre como uma estrutura tão grande poderia ter se formado em um tempo relativamente curto.

Os cientistas estão tentando explicar os superaglomerados relativamente pequenos pelo efeito da matéria escura, que atrai a matéria bariônica, que mais tarde observamos na forma de superaglomerados ou filamentos galácticos. Mas, sobre o enorme grupo de quasares ou a muralha da Coroa Hércules-Norte, os cientistas apenas dão de ombros e sugerem que talvez essas estruturas não sejam reais, mas apenas "aparentes", devido à tecnologia limitada usada.

Embora alguns estudiosos estejam considerando seriamente a suposição de que a idade do nosso Universo talvez seja muito mais do que 13,79 bilhões de anos agora aceitos. Nesse caso, torna-se possível não apenas explicar a formação de paredes tão grandes, mas também tornar mais robusta a hipótese sobre a natureza da matéria escura, sugerindo que isso se deve ao grande número de anãs negras que se formam a partir de anãs brancas quando esfriam, durando dezenas de bilhões de anos.

Eixos do mal

Outro fenômeno bastante controverso, quando diferentes grupos de cientistas, analisando os mesmos dados, chegam a conclusões opostas. Esse fenômeno está diretamente relacionado à radiação de relíquias.

A radiação da relíquia é a radiação térmica, que, de acordo com a teoria do Big Bang, se originou na época em que o nosso universo era apenas um monte de plasma. O último, por ser muito quente, emitiu um grande número de fótons de energia, que deveriam ter sido emitidos uniformemente em todas as direções.

Devido a isso, a radiação de microondas que enche o Universo tem um alto grau de isotropia (uniformidade) com uma precisão de 0,01%. Áreas com um desvio de temperatura da média são chamadas regiões de flutuação.

Estudando radiação relíquia, no início dos anos 2000, os cientistas chamaram atenção para alguma anomalia na distribuição da radiação de microondas no Universo. Descobriu-se que suas flutuações estão localizadas no Universo não aleatoriamente, como afirma a teoria do Big Bang, mas ao longo de uma certa região estendida, cuja escala é significativa em comparação com o Universo. O desenvolvimento dessa hipótese levou os cientistas ao fato de que, provavelmente, toda a estrutura do Universo é construída em torno dessa mesma linha, que foi chamada de " eixo do mal ".

Esse nome não foi dado por acaso, o fato é que sua presença contradiz a teoria do Big Bang e o princípio de Copérnico, segundo o qual nem a Terra, nem o Sol, nem qualquer outro objeto ocupa qualquer posição especial no Universo.

Um exemplo dessa anomalia é o "ponto frio de relíquia" na constelação Eridanus, uma região do espaço cuja radiação de microondas é muito menor do que o que os cientistas prevêem com base nas propriedades da radiação de relíquia.

Se a existência do eixo do mal for confirmada, é provável que isso implique uma revisão das teorias mais conhecidas, porque hoje elas não permitem a existência de tais eixos em princípio.

Cordas cósmicas

Se antes disso nos concentramos principalmente em casos que não concordam ou não concordam bem com as teorias existentes, então com as cordas cósmicas o oposto é verdadeiro - tanto a teoria quântica de campos quanto a teoria das cordas prevêem sua presença.

Uma corda cósmica é uma dobra unidimensional do espaço de tempo, um defeito topológico, quando duas estruturas ou espaços adjacentes de alguma forma "não coincidem" um com o outro, o que torna impossível uma transição suave entre eles. Em outras palavras, o círculo ao redor da parte externa da corda formará um ângulo total inferior a 360 °.

O diâmetro das cordas cósmicas é muito menor que o tamanho dos núcleos atômicos (da ordem de 10 a ²⁹ centímetros), o comprimento é de pelo menos dezenas de parsec e a gravidade específica é da ordem de 10 ²²g / cm, ou seja, apenas mil quilômetros de corda têm uma massa da Terra, o que indica sua densidade extremamente alta.

Da teoria das cordas cósmicas, segue-se que elas surgiram logo após o Big Bang e foram fechadas ou sem fim. Eles podem dobrar, se sobrepor e rasgar. As extremidades pendentes das cordas são conectadas imediatamente, formando peças fechadas. Tanto as cordas quanto seus fragmentos individuais voam pelo Universo a uma velocidade próxima à velocidade da luz.

A GTR prevê que uma corda cósmica direta não tem efeito gravitacional. O único efeito gravitacional de uma corda cósmica direta é o desvio relativo da substância (ou luz) que passa através da corda de lados opostos. Nesse caso, uma corda cósmica fechada tem o efeito gravitacional usual.

Durante a expansão do Universo, as cordas cósmicas formaram uma rede de loops, e acreditava-se anteriormente que sua gravidade poderia ser a causa do acúmulo inicial de matéria nos superaglomerados galácticos. Atualmente, porém, estima-se que sua contribuição para a formação da estrutura no universo seja inferior a 10%, o que exclui sua notável influência na formação da estrutura em larga escala do universo.

É impossível ver a corda cósmica, mas, como qualquer objeto muito massivo, cria uma "lente gravitacional": a luz das fontes localizadas atrás dela deve dobrar-se em torno dela. E, embora as publicações no mundo científico apareçam periodicamente com evidências indiretas de confirmação experimental de sua existência, no momento, nenhuma delas foi confirmada.

A descoberta experimental de cordas cósmicas terá consequências importantes, inclusive para a teoria das cordas - no momento, uma grande variedade de modelos de cordas cósmicas construídas com base em suas bases já foi proposta e, com a abertura das cordas cósmicas, será possível avançar para o lado de sua primeira confirmação experimental.

Do autor

Inicialmente, eu queria mostrar as conexões entre as conhecidas teorias da física e da cosmologia e como elas aumentaram nosso conhecimento do universo. Mas, no momento, como você pode ver, uma situação se formou na ciência quando há muito mais perguntas em pauta do que respostas para elas. Muitas conexões são mais especulativas e muitas vezes não são sustentadas por observações, e as observações muitas vezes contradizem as teorias.

Novas teorias geralmente adicionam muito mais perguntas do que cobrem manchas brancas - no momento, dezenas de teorias da gravidade, gravidade quântica, teorias de tudo foram propostas - alguém dirá que essas são tentativas impotentes de explicar sem um resultado real, alguém dirá que isso é o desenvolvimento e a criação de novas teorias é uma confirmação do fato de que a ciência não pára.

Definitivamente, podemos dizer que, com o tempo, muitas de nossas idéias provavelmente mudarão - alguns problemas serão resolvidos e novos os substituirão, mas o conhecimento e a compreensão do nosso Universo aumentarão gradualmente. Obrigado a todos, espero que este artigo seja interessante para você.

Universo escuro. Parte 2