Dark energy / Energia escura

A composite image of the galaxy cluster Abell 85, located about 740 million light years from Earth.

The same mystery force that is speeding up the expansion of the universe is also stunting the growth of the objects inside it, astronomers said on Tuesday.

After bulking up rapidly in the first 10 billion years of cosmic time, clusters of galaxies, the cloudlike swarms that are the largest conglomerations of matter in the universe, have grown anemically or not at all during the last five billion years, like sullen teenagers who suddenly refuse to eat.

“This result could be explained as arrested development of the universe,” said Alexey Vikhlinin of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, who led a multinational team using NASA’s Chandra X-ray Observatory to weigh galaxy clusters from far across space. The group reported the results in two papers that will appear in the Astrophysical Journal.

The culprit, he said, appears to be an antigravitational force that astronomers have labeled “dark energy.” It was discovered 10 years ago by astronomers who were using exploding stars called supernovas as distance markers to chart the expansion of the universe. In a puzzle that is still reverberating, they found that instead of slowing down because of cosmic gravity, as common sense would suggest, the expansion of the universe was actually speeding up, with galaxies zooming apart faster and faster.

Dr. Vikhlinin’s results dovetail eerily with the supernova results, suggesting that dark energy emerged as a dominant force in the universe about seven billion to five billion years ago. Clusters grow by gravity, according to cosmological theory, starting as small dimples in the heat and fizz of the Big Bang and then drawing in surrounding material over the eons. Dark energy would work against gravity and try to push the matter falling in back out, stalling growth.

Together with earlier observations of supernovas and other effects, Dr. Vikhlinin said, the new data strengthen the suspicion — but do not prove — that dark energy is the result of a weird antigravity called the cosmological constant that was hypothesized and then abandoned by Albert Einstein as a “blunder” almost a century ago.

Many other theories are still in contention, but some that involve modifying Einstein’s general theory of relativity, which has been the last work on gravity for almost a century, might be on the verge of extinction, astronomers said.

“If this was a fox hunt and dark energy was the fox, I think they have closed off another escape route. But there is still a lot of terrain left for the fox, and we’ve seen little more than a glimmer of fur,” said Adam Riess, of Johns Hopkins and the Space Telescope Science Institute, and one of the original discoverers of dark energy.

Other astronomers hailed the work as opening a new avenue in the investigation of what is happening and will happen to the cosmos.

“To date, only one technique — supernovae — has detected dark energy without folding in other observations,” said Michael Turner of the University of Chicago. “This would be the second, stand-alone, detection of dark energy and the validation of an important technique for probing dark energy.”

To explain why the universe was stable and did not collapse under the collective gravity of its contents, Einstein speculated that empty space, what physicists call the vacuum, was imbued with an antigravitational energy — his cosmological constant. Einstein’s constant did not even work mathematically, and later it was discovered that the universe was not stable — it was expanding.

Modern quantum mechanics predicts that empty space should indeed be imbued with this strange energy, but the possibility that the dark energy might actually be Einstein’s cosmological constant has thrown physics into philosophical turmoil. “The discovery of dark energy has greatly changed how we think about the laws of nature,” Edward Witten, a theorist at the Institute for Advanced Study in Princeton, N.J., said recently.

According to the calculations, the cosmological constant should be 1060 times bigger than what astronomers have measured; in such a universe, stars, planets and of course ourselves could not exist. The only way out, some physicists and cosmologists have argued, is to presume that our own universe is only one of as many as 10500 parallel universes, in which the laws of physics happen to be conducive to our existence. But many others bitterly disagree.

As a result, many astronomers and physicists are desperate for evidence of another explanation. Dr. Riess said of the cosmological constant, “The biggest thing we could learn is by ruling that out.”

Last month, NASA and the Department of Energy signed a memorandum of agreement to build a dark energy observatory satellite that would be launched in the next decade.

Clusters of galaxies are the largest conglomerations of matter in the universe, and so, next to the universe itself, they are a perfect laboratory for studying gravity and its enemy, dark energy, on a grand scale. They are also easy to find. They are filled with gas so scorchingly hot that it emits X-rays, which can be seen by satellite observatories like Chandra and Rosat, which was built in Germany and launched by NASA, from billions of light-years away.

Starting in 2005, Dr. Vikhlinin and his colleagues used Chandra to observe 86 clusters that had previously been found in a survey by Rosat. One was a set of 37 about five billion light-years away, while 49 others were about half a billion light-years or closer. Their masses, determined from the extent of the X-ray images and their spectra, ranged from 100 trillion Suns to a quintillion Suns.

The span between the two sets amounts to about a third of the age of the universe. Dr. Vikhlinin and his colleagues used theoretical models to calculate how the numbers of clusters with different masses would change during that span under different conditions, including no dark energy.

The models without dark energy would not fit, they concluded. The most massive clusters, they found, are only about a fifth as plentiful today as they would be in a universe without dark energy, Dr. Vikhlinin said. The clusters, he said, “are still growing, but very slowly.”

A mesma força misteriosa que está acelerando a expansão do universo também é o que tem impedido o crescimento de objetos em seu interior, dizem astrônomos.

Após um crescimento veloz nos últimos dez bilhões de anos de tempo cósmico, aglomerados de galáxias, os aglomerados assemelhados a nuvens, que são as maiores concentrações de matéria do universo crescem de maneira anêmica, ou ficam mesmo estagnados durante os últimos cinco bilhões de anos, como adolescentes anoréxicos, que se recusam a comer.

“Este resultado poderia ser explicado como desenvolvimento estancado do universe, diz Alexei Vikhlinin”, do Centro de Astrofísica Smithsoniano de Harvard, que lidera uma equipe multinacional usando o Observatório Chandra de Raios-X da NASA para pesar aglomerados galácticos de locais remotos do espaço.

A causa, diz, parece ser uma força antigravitacional que os astrônomos denominaram “energia escura”, descoberta há 10 anos durante a observação de supernovas como marcadores de distância para medir a expansão do universo.

Em um quebra-cabeça que ainda não foi resolvido, eles descobriram que, ao invés de desacelerar por causa da gravidade, como sugeriria o senso comum, a expansão do universo estava, na verdade, aumentando, com as galáxias afastando-se cada vez mais rápido.

Os resultados do dr. Vikhlinin encaixam-se assustadoramente com os da supernova, sugerindo que a energia escura emergiu como uma força dominante no universo há cerca de sete bilhões de anos.

Aglomerados crescem em função da gravidade, conforme a teoria cosmológica, começando como pequenas ondulações no calor e efervescência do Big Bang e então acumulando matéria circundante pelos eões (longos períodos de tempo). A energia escura atuaria contra a gravidade e tentaria empurrar para fora a matéria que tende a se concentrar, estancando o crescimento.

Juntamente a observações mais recentes de supernovas e outros efeitos, o dr. Vikhlinin disse, novos dados reforçam a suspeita – mas não a provam – que a enregia escura é o resultado de uma estranha antigravidade chamada “Constante Cosmológica”, uma hipótese aventada por Einstein, de pois abandonada com a observação de que auqle fora o maior erro de sua vida, há quase um século.

“Se isto fosse uma caça à raposa, e a energia escura fosse a raposa, acho que os cientistas lhe fecharam mais uma rota de fuga. Mas ainda há muito terreno para a raposa percorrer, e nós vimos só um pedaço de seu pelo”, disse Adam Riess, da Johns Hopkins e do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, e um dos descobridores da energia escura.

Para explicar por que o universo era estável e não entrou em colapso sob a gravidade da matéria que contém, Einstein especulou que o espaço vazio, que os cientistas chamam de “o vácuo” (uma imprecisão semântica), estaria sob a ação de uma energia antigravitacional – sua “constante cosmológica”. Mas a constante de Einstein não funcionava nem mesmo matematicamente, e depois se descobriu que o universo não era estável, mas se expandia.

A mecânica quântica moderna prevê que o espaço vazio deveria, na verdade, estar preenchido por esta estranha energia, mas a possibilidade de que a energia escura possa ser, na verdade, a constante cosmológica de Einstein jogou a física em um tufão filosófico.

“A descoberta da energia escura mudou radicalmente a maneira como pensamos a respeito das leis da Natureza”, disse Edward Witten, físico teórico do Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, EUA.

De acordo com os cálculos, a constante cosmológica deveria ser 1060 vezes maior do que os astrônomos mediram; em um universo assim, estrelas, planetas e tudo o mais não poderiam existir.

A única saída, disseram alguns físicos e cosmologistas, é presumir que nosso universo é um entre 10.500 universos paralelos (os multiversos), nos quais as leis da física determinariam nossas existências. Muita gente discorda veementemente.

Assim, muitos cientistas estão desesperados por evidências que levem a outra explicação.

Mês passado, a NASA e o Departamento de Energia dos EUA assinaram um memorando de acordo para a construção de um satélite para observar a energia escura, que seria lançado na próxima década.

Os aglomerados de galáxias são as maiores concentrações de matéria do universo, e, assim, são quase o universo em si, o laboratório perfeito para o estudo da gravidade e sua inimiga, a energia escura, em grande escala. Além disso, são fáceis de encontrar.

São preenchidas com gás tão absurdamente quente que emitem raios-X (quanto mais alta a energia, mais alta a freqüência de emissão de ondas eletromagnéticas), e podem ser vistos por observatórios em satélites, como o Chandra de Raios-x e o Rosat, este construído na Alemanha e lançado pela NASA, desde bilhões de anos-luz de distância.

A partir de 2005, o dr. Vikhlinin e colegas usaram o Chandra para observar 86 aglomerados, previamente detectados pelo Rosat. Um deles foi um conjunto de 37, a cerca de cinco bilhões de anos-luz daqui, enquanto 49 outros estavam a cerca de meio bilhão de anos-luz, ou menos. Suas massas, determinadas pela extensão das imagens de raios-x e por seus espectros, variavam entre 100 trilhões e um quintilhão de sóis.

O intervalo entre os dois aglomerados é de cerca de um terço da idade do universo. Vikhilinin e colegas usaram modelos teóricos para calcular como os números de aglomerados de diferentes massas variariam durante aquele intervalo sob diferentes condições, inclusive sem energia escura.

Aqui vem o final, e a melhor parte:

Os modelos sem energia escura não batem, foi a conclusão; não se encaixam. Os aglomerados mais massivos, concluíram, são somente têm somente um quinto da abundância hoje do que teriam em um universo sem energia escura. Os aglomerados, disseram, ainda estão crescendo, mas muito lentamente.