1304: Telescópio Espacial James Webb vai descobrir as riquezas do Universo primitivo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta imagem com quase 10.000 galáxias é chamada HUDF (Hubble Ultra Deep Field). Inclui galáxias de várias idades, tamanhos, formas, e cores. As galáxias mais pequenas, mais vermelhas, cerca de 100, podem estar entre as mais distantes conhecidas, existentes quando o universo tinha apenas 800 milhões de anos. As galáxias mais próximas – as maiores, mais brilhantes, espirais bem definidas e elípticas – prosperaram há cerca de mil milhões de anos, quando o cosmos tinha 13 mil milhões de anos de idade.
A imagem exigiu 800 exposições realizadas ao longo de 400 órbitas do Hubble em torno da Terra. O tempo total de exposição foi de 11,3 dias, obtido entre 24 de Setembro de 2003 e 16 de Janeiro de 2004.
Crédito: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) e equipa HUDF

Durante décadas, os telescópios têm-nos ajudado a captar a luz das galáxias que se formaram até 400 milhões de anos após o Big Bang – incrivelmente cedo no contexto da história de 13,8 mil milhões de anos do Universo. Mas como eram as galáxias que existiam ainda antes, quando o Universo era semitransparente, no início de um período conhecido como a Época da Reionização?

O Telescópio Espacial James Webb da NASA está prestes a acrescentar novas riquezas ao nosso tesouro de conhecimento, não só capturando imagens de galáxias que existiam já nas primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang, mas também nos fornecendo dados detalhados conhecidos como espectros. Com as observações do Webb, os investigadores vão poder dizer-nos, pela primeira vez, mais sobre a composição de galáxias individuais no Universo primitivo.

O levantamento NGDEEP (Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public), co-liderado por Steven L. Finkelstein, professor associado da Universidade do Texas em Austin, EUA, terá como alvo as mesmas duas regiões que compõem o HUDF (Hubble Ultra Deep Field) – locais na direcção da constelação de Fornalha onde o Hubble passou mais de 11 dias a obter exposições profundas.

Para produzir as suas observações, o Telescópio Espacial Hubble visou áreas próximas do céu simultaneamente com dois instrumentos – ligeiramente afastadas uma da outra – conhecidas como campo primário e campo paralelo. “Temos a mesma vantagem com o Webb,” explicou Finkelstein.

“Estamos a utilizar dois instrumentos científicos ao mesmo tempo, e eles vão observar continuamente”. Vão apontar o NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) do Webb para o campo primário HUDF e o NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb para o campo paralelo, obtendo o dobro do retorno de dados com o mesmo tempo de telescópio.

Para obter imagens com o NIRCam, vão observar durante mais de 125 horas. A cada minuto que passa, vão obter cada vez mais informações do Universo cada vez mais profundo. O que é que procuram? Algumas das primeiras galáxias formadas.

“Temos indicações muito boas, graças ao Hubble, de que existem galáxias 400 milhões de anos após o Big bang,” disse Finkelstein. “As que vemos com o Hubble são bastante grandes e muito brilhantes. É muito provável que existam galáxias mais pequenas e mais ténues que se formaram ainda antes e que estão à espera de serem encontradas.”

Este programa vai utilizar apenas cerca de um-terço do tempo que o Hubble passou, até à data, em investigações semelhantes. Porquê? Em parte, isto deve-se ao facto de os instrumentos do Webb terem sido concebidos para capturar radiação infravermelha. À medida que a luz viaja pelo espaço na nossa direcção, estica-se em comprimentos de onda mais longos e avermelhados devido à expansão do Universo.

“O Webb vai ajudar-nos a ultrapassar todos os limites,” disse Jennifer Lotz, coinvestigadora da proposta e directora do Observatório Gemini, parte do NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) da NSF (National Science Foundation). “E vamos divulgar os dados imediatamente para benefício de todos os investigadores.”

Estes investigadores também vão focar-se na identificação do conteúdo metálico em cada galáxia, especialmente em galáxias mais pequenas e mais fracas que ainda não tenham sido completamente examinadas – especificamente com os espectros que o instrumento NIRISS do Webb fornece.

“Uma das formas fundamentais de traçarmos a evolução através do tempo cósmico é pela quantidade de metais que estão numa galáxia,” explicou Danielle Berg, professora assistente na Universidade do Texas em Austin e co-investigadora da proposta.

Quando o Universo começou, havia apenas hidrogénio e hélio. Novos elementos foram formados por sucessivas gerações de estrelas. Ao catalogar o conteúdo de cada galáxia, os investigadores serão capazes de traçar exactamente quando vários elementos já existiam e actualizar modelos que projectam como as galáxias evoluíram no Universo primitivo.

Revelando novas camadas

Outro programa, liderado por Michael Maseda, professor assistente na Universidade de Wisconsin-Madison, vai examinar o campo primário HUDF usando a rede de obturadores do NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb.

Este instrumento fornece espectros para objectos específicos, dependendo de quais os obturadores em miniatura os investigadores abrem. “Estas galáxias existiram durante os primeiros mil milhões de anos da história do Universo, sobre os quais temos muito pouca informação até à data,” explicou Maseda. “O Webb vai fornecer a primeira grande amostra que nos dará a oportunidade de as compreender em detalhe.”

Sabemos que estas galáxias existem devido a extensas observações que esta equipa fez – juntamente com uma equipa internacional de investigação – com o instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) do VLT (Very Large Telescope). Embora o MUSE seja o “batedor”, identificando galáxias mais pequenas e mais fracas neste campo profundo, o Webb será o primeiro telescópio a caracterizar totalmente as suas composições químicas.

Estas galáxias extremamente distantes têm implicações importantes para a nossa compreensão de como as galáxias se formaram no Universo primitivo. “O Webb vai abrir um novo espaço para a descoberta,” explicou Anna Feltre, do INAF (Instituto Nacional de Astrofísica) na Itália e co-investigadora. “Os seus dados vão ajudar-nos a aprender precisamente o que acontece à medida que uma galáxia se forma, incluindo quais os metais que contêm, quão rapidamente crescem e se já têm buracos negros.”

Esta investigação será realizada como parte dos programas GO (General Observer) do Webb, que são seleccionados competitivamente usando uma revisão duplamente anónima, o mesmo sistema que é usado para atribuir tempo de observação com o Telescópio Espacial Hubble.

Astronomia On-line
28 de Junho de 2022


 

1213: Descoberto um número inédito de anãs castanhas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista de uma anã castanha.
Crédito: The Open University

As anãs castanhas, objectos misteriosos situados na linha entre estrelas e planetas, são essenciais para a nossa compreensão tanto das populações estelares como das populações planetárias.

Contudo, em quase três décadas de buscas, apenas 40 anãs castanhas puderam ser observadas. Uma equipa internacional liderada por investigadoras da The Open University e da Universidade de Berna observou directamente quatro novas anãs castanhas graças a um novo e inovador método de busca.

As anãs castanhas são objectos situados, em termos de massa, entre as estrelas mais leves e os planetas mais massivos, com uma mistura de características estelares e planetárias. Devido a esta natureza híbrida, estes objectos enigmáticos são cruciais para melhorar a nossa compreensão tanto das estrelas como dos planetas gigantes.

As anãs castanhas que orbitam uma estrela mãe suficientemente longe são particularmente valiosas, pois podem ser fotografadas directamente – ao contrário das que estão demasiado próximas da sua estrela e que, por isso, se escondem no seu brilho. Isto proporciona aos cientistas uma oportunidade única de estudar os detalhes das atmosferas frias e semelhantes a planetas das anãs castanhas.

No entanto, apesar dos esforços notáveis no desenvolvimento de novas tecnologias de observação e técnicas de processamento de imagem, as detecções directas destas anãs castanhas, companheiras de estrelas, têm permanecido bastante esparsas, com apenas cerca de 40 sistemas observados em quase três décadas de investigações. Investigadores liderados por Mariangela Bonavita da Open University e Clémence Fontanive do Centro para o Espaço e Habitabilidade do NCCR PlanetS da Universidade de Berna observaram directamente quatro novas anãs castanhas que divulgam num novo estudo publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Esta é a primeira vez que múltiplos novos sistemas com anãs castanhas como companheiras, em separações amplas, são anunciados ao mesmo tempo.

Método inovador de pesquisa

“As anãs castanhas companheiras, com órbitas largas, são já de si raras, e a sua detecção coloca directamente enormes desafios técnicos, uma vez que as estrelas anfitriãs cegam completamente os nossos telescópios”, diz Mariangela Bonavita. A maioria dos levantamentos realizados até agora têm visado indeliberadamente estrelas aleatórias em jovens enxames.

“Uma abordagem alternativa para aumentar o número de detecções é apenas observar estrelas que mostram indícios de um objecto adicional no sistema,” explica Clémence Fontanive. “Por exemplo, a forma como uma estrela se move sob a atracção gravitacional de uma companheira pode ser um indicador da existência dessa companheira, quer seja uma estrela, um planeta ou algo no meio.

“Nós desenvolvemos a ferramenta COPAINS que prevê os tipos de companheiras que podem ser responsáveis pelas anomalias observadas em movimentos estelares,” continua Clémence Fontanive. Aplicando a ferramenta COPAINS, a equipa de investigação seleccionou cuidadosamente 25 estrelas próximas que pareciam promissoras para a detecção directa de companheiras escondidas, de baixa massa, com base em dados do observatório espacial Gaia da ESA.

Usando o instrumento SPHERE no VLT (Very Large Telescope) no Chile para observar estas estrelas, detectaram com sucesso dez novas companheiras com órbitas que vão desde a de Júpiter até para lá da de Plutão, incluindo cinco estrelas de baixa massa, uma anã branca (um denso remanescente estelar) e as quatro novas anãs castanhas.

Grande impulso no ritmo de detecção

“Estas descobertas avançam significativamente o número de anãs castanhas conhecidas que orbitam estrelas a grandes distâncias, com um grande impulso no ritmo de detecção em comparação com qualquer levantamento anterior,” explica Mariangela Bonavita.

Embora por agora esta abordagem se limite principalmente a assinaturas de anãs castanhas e companheiras estelares, as fases futuras da missão Gaia vão empurrar estes métodos para massas inferiores e permitir a descoberta de novos exoplanetas gigantes. Clémence Fontanive acrescenta: “Para além de termos tantas descobertas de uma só vez, o nosso programa também demonstra o poder destas estratégias de busca.”

“Este resultado só foi possível porque pensámos que, ao combinarmos instalações espaciais e terrestres para a imagem directa de exoplanetas, o todo é maior que a soma das suas partes. Esperamos que este seja o início de uma nova era de sinergia entre diferentes instrumentos e métodos de detecção”, conclui Mariangela Bonavita.

Astronomia On-line
14 de Junho de 2022


 

1209: Mapa mais preciso da Via Láctea revela dado surpreendente: existem sismos estelares

CIÊNCIA/UNIVERSO/VIA LÁCTEA

A Agência Espacial Europeia (ESA) lançou uma missão, chamada Gaia, em 2013 para chegar ao segundo ponto de Lagrange, um local privilegiado de observação a 1,5 milhão de quilómetros da Terra. De lá, observou 1.800 milhões de estrelas para mapear grande parte da galáxia que abriga o Sistema Solar e outros 100.000 milhões de estrelas, muitas delas também com planetas no meio. Nisto tudo, muitas revelações estão a deixar a comunidade científica extasiada.

Conforme foi revelado no mapa mais preciso da Via Láctea, existem galáxias canibalizadas e sismos estelares.

O que é e para que serve a missão Gaia?

Gaia é uma missão da ESA concebida para mapear a Via Láctea com o máximo de detalhes possível. Segundo os planos da agência espacial europeia, o mapa incluirá dados como a posição, velocidade, direcção do movimento, luminosidade, temperatura e composição de quase 2 mil milhões de objectos na nossa galáxia.

O projecto foi anunciado em 2013 e os conjuntos de dados foram publicados em 2016 e 2018. Agora a terceira vaga de dados está a ser publicada e estas informações são de tal ordem complexas que o “material” mais recente a ser analisado foi recolhido entre 25 de Julho de 2014 e 28 de Maio de 2017.

Portanto, é um conjunto de dados que exige uma compreensão aprofundada e um tempo para se perceber em detalhe o que os investigadores têm em mãos.

Terramotos estelares na Via Láctea?

Para além das melhorias técnicas e de uma série de novos dados, a parte mais interessante da terceira versão de dados Gaia são os sismos estelares. Estes são pequenos movimentos registados na superfície de uma estrela que mudam a sua forma.

De facto, Gaia já tinha encontrado oscilações estelares que fizeram com que estes corpos celestes aumentassem e diminuíssem periodicamente de tamanho. O que há de especial nestas oscilações é que elas são radiais e por isso mantêm a forma esférica da estrela. Os novos terramotos (quase tsunamis em grande escala) não são radiais, ou seja, alteram a forma geral da estrela e são, portanto, muito mais subtis.

Importa referir que este novo lote de dados completa a nossa visão geral do enorme disco galáctico, com 170.000 anos-luz de diâmetro, mas apenas 1.000 anos-luz de espessura. A grande maioria das estrelas da galáxia está aglomerada nesta superfície caracterizada por dois grandes braços espirais. O sistema solar está perto de um deles, Orion.

O que está a surpreender os investigadores?

Gaia encontrou em milhares de estrelas estes sismos. No entanto, perante as informações disponíveis, estas estrelas não deveriam registar quaisquer terramotos (de qualquer tipo). Pelo menos se nos cingirmos às teorias actuais que temos sobre estas estrelas.

É por isso que, como explicou Conny Aerts de Ku Leuven na Bélgica, “os terramotos estelares dão-nos muita informação sobre as estrelas, especialmente sobre o seu funcionamento interior”. Tanto assim que a sismologia estelar das estrelas maciças está prestes a tornar-se um dos tópicos da década.

Por último, Gaia percebeu que a composição das estrelas pode dar-nos informações sobre o seu local de nascimento e subsequente trajectória. Funciona, se prestarmos atenção, como se fosse uma espécie de ADN e, nesse sentido, Gaia (o maior mapa químico da Galáxia) é também uma história muito longa da diversidade, das andanças e do futuro da Via Láctea.

Pplware
Autor: Vítor M
13 Jun 2022


 

1208: Há um novo mapa aponta observação de estrelas desconhecidas na Via Láctea

CIÊNCIA/UNIVERSO/VIA LÁCTEA

O novo mapa vem acrescentar informações sobre a composição química, temperatura, cor, massa, idade e velocidade com que as estrelas se aproximam ou afastam, sendo possível concluir que algumas estrelas contêm matéria enriquecida por várias gerações.

© twitter ESA

A última versão do catálogo de Gaia, uma missão da Agência Espacial Europeia (ESA), apresenta novas informações sobre quase 2.000 milhões de astros da Via Láctea, bem como a observação de novas estrelas.

Em conferência de imprensa, o director-geral da ESA, Josef Aschbacher, considerou que esta segunda-feira “é um dia muito importante”, que se esperava “há muito tempo”, destacando que este mapa “vai abrir portas a uma nova ciência na Via Láctea”.

Gaia é uma missão da ESA, lançada em 2013, que tem por objectivo criar um mapa multidimensional da Via Láctea, que ajudará os astrónomos a reconstruir a evolução da galáxia.

O novo mapa vem acrescentar informações sobre a composição química, temperatura, cor, massa, idade e velocidade com que as estrelas se aproximam ou afastam.

A informação foi recolhida com recurso à espectroscopia, uma técnica que decompõe a luz das estrelas e revela o seu DNA.

Tendo por base essa mesma composição química, é possível concluir, por exemplo, que algumas estrelas, como o Sol, contêm matéria enriquecida por várias gerações de estrelas e que os astros mais próximos do centro da Via Láctea são mais ricos em metais do que os que estão mais distantes.

O catálogo também identificou estrelas que, inicialmente, pertenciam a outras galáxias e apresentou a evolução de mais de 800.000 sistemas binários e o estudo de 156.000 asteróides, bem como dados sobre 10 milhões de estrelas variáveis e macro-moléculas entre estrelas.

Os dados em causa foram recolhidos entre 25 de Julho de 2014 e 28 de maio de 2017.

Juntamente com estes dados, são publicados cinquenta artigos científicos, dedicando-se nove deles a explicar o potencial das informações recolhidas pelo Gaia.

Esta missão conta com uma câmara de 1.000 milhões de pixeis, dois telescópios ópticos e um espectrómetro, entre outros equipamentos.

Com duração prevista inicialmente até 2019, este projecto, que conta com mais de 450 cientistas e engenheiros, foi prolongado até 2023.

Diário de Notícias
DN/Lusa
13 Junho 2022 — 13:09


 

1181: Pondo em prática a teoria da relatividade especial, através da contagem de galáxias

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta imagem feita a partir de uma composição de exposições captadas entre Setembro de 2003 e Janeiro de 2004 pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA mostra quase 10.000 galáxias na mais profunda imagem de luz visível do cosmos, atravessando milhares de milhões de anos-luz.
Crédito: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), Equipa HUDF

Os cientistas que estudam o cosmos têm uma filosofia favorita conhecida como o “princípio da mediocridade”, o que, na sua essência, sugere que a Terra não é realmente nada especial, nem o Sol, nem a nossa Via Láctea, em comparação com o resto do Universo.

Agora, uma nova investigação realizada na Universidade do Colorado, em Boulder, EUA, acrescentou mais uma evidência ao caso da mediocridade: as galáxias estão, em média, em repouso em relação ao Universo primitivo. Jeremy Darling, professor de astrofísica na mesma universidade, publicou recentemente esta descoberta cosmológica na revista The Astrophysical Journal Letters.

“O que esta investigação nos diz é que temos um movimento engraçado, mas esse movimento engraçado é consistente com tudo o que sabemos sobre o Universo – não há nada de especial a acontecer aqui,” disse Darling. “Não somos especiais como uma galáxia ou como observadores.”

Há cerca de 35 anos, os cientistas descobriram o fundo cósmico de micro-ondas, que é a radiação electromagnética deixada pela formação do Universo durante o Big Bang. O fundo cósmico de micro-ondas parece mais quente na direcção do nosso movimento e mais frio para longe da direcção do nosso movimento.

A partir deste brilho do Universo primitivo, os cientistas podem inferir que o Sol – e a Terra em órbita – está a mover-se numa determinada direcção, a uma certa velocidade. Os investigadores descobrem que a nossa velocidade inferida é uma fracção de um por cento da velocidade da luz – pequena, mas não zero.

Os cientistas podem testar independentemente esta inferência contando as galáxias que são visíveis da Terra ou somando o seu brilho. Podem fazê-lo em grande parte graças à teoria da relatividade especial de Albert Einstein de 1905, que explica como a velocidade afecta o tempo e o espaço.

Nesta aplicação, uma pessoa na Terra olhando para o Universo numa direcção – a mesma direcção em que o Sol e a Terra se estão a mover – deveria ver galáxias mais brilhantes, mais azuis e mais concentradas. Da mesma forma, ao olhar na direcção contrária, a pessoa deveria ver galáxias mais escuras, avermelhadas e mais espaçadas.

Mas quando os investigadores têm tentado contar galáxias nos últimos anos – um processo que é difícil de fazer com precisão – eles chegaram a números que sugerem que o Sol está a mover-se muito mais depressa do que se pensava anteriormente, o que está em desacordo com a cosmologia padrão.

“É difícil contar galáxias em todo o céu – normalmente está-se preso a um hemisfério ou menos,” disse Darling. “E, além disso, a nossa própria Galáxia incomoda a contagem. Tem poeira que faz com que contemos menos galáxias e fá-las parecer mais fracas.”

Darling ficou intrigado e perplexo com este puzzle cosmológico, por isso decidiu investigar por si próprio. Ele também sabia da existência de dois levantamentos recentemente divulgados que poderiam ajudar a melhorar a exactidão de uma contagem de galáxias – e a esclarecer o mistério da velocidade: o VLASS (Very Large Array Sky Survey) no estado norte-americano do Novo México, e o RACS (Rapid Australian Square Kilometer Array Pathfinder Continuum Survey) na Austrália

Juntos, estes levantamentos permitiram a Darling estudar todo o céu juntando vistas dos hemisférios norte e sul. Os novos levantamentos também utilizaram ondas de rádio, o que tornou mais fácil “ver” através da poeira da Via Láctea, melhorando assim a visão do Universo.

Quando Darling analisou os levantamentos, descobriu que o número de galáxias e o seu brilho estava em perfeito acordo com a velocidade que os investigadores tinham anteriormente inferido a partir do fundo cósmico de micro-ondas.

“Encontramos uma direcção brilhante e uma direcção ténue – encontramos uma direcção onde há mais galáxias e uma direcção onde há menos galáxias,” disse. “A grande diferença é que se alinha com o Universo primitivo do fundo cósmico de micro-ondas e tem a velocidade certa. A nossa cosmologia está saudável.”

Dado que as descobertas de Darling diferem de resultados passados, o seu trabalho irá provavelmente suscitar alguns estudos de seguimento para confirmar ou contestar os seus resultados.

Mas para além de impulsionar o campo da cosmologia, os resultados são um bom exemplo, no mundo real, da teoria especial da relatividade de Einstein – e demonstram como os investigadores ainda estão a pôr a teoria em prática, mais de 100 anos após o famoso físico a ter proposto pela primeira vez.

“Adoro a ideia de que este princípio básico de que Einstein nos falou há muito tempo é algo que se pode ver,” disse Darling. “É uma coisa realmente esotérica que parece super-estranha, mas se sairmos e contarmos galáxias, podemos ver este efeito giro. Não é tão esotérico ou estranho como se possa pensar.”

Astronomia On-line
7 de Junho de 2022


 

1158: Telescópios ajudam a explicar porque Úrano e Neptuno têm cores diferentes

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esquerda: imagem, pelo Hubble, a 25 de Outubro de 2021, de Úrano que mostra o brilhante “capô” polar no norte do planeta.
Direita: imagem Hubble, obtida dia 7 de Setembro de 2021, de Neptuno que apresenta a mancha escura do planeta e o hemisfério norte escurecido.
Crédito: NASA, ESA, A. Simon (Centro de Voo Espacial Goddard) e M. H. Wong (Universidade da Califórnia, Berkeley) e equipa OPAL

Os astrónomos pensam agora saber porque é que Úrano e Neptuno têm cores diferentes. Usando observações do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, bem como do telescópio Gemini North e do IRTF (Infrared Telescope Facility) da NASA, os investigadores desenvolveram um modelo atmosférico único que corresponde às observações de ambos os planetas. O modelo revela que o excesso de neblina em Úrano acumula-se na atmosfera estagnada e “preguiçosa” e faz com que pareça ter um tom mais leve do que Neptuno.

Neptuno e Úrano têm muito em comum – têm massas, tamanhos e composições atmosféricas semelhantes – mas as suas aparências são notavelmente diferentes. Em comprimentos de onda visíveis, Neptuno tem um tom azul rico e profundo, enquanto Úrano tem um tom ciano nitidamente pálido. Os astrónomos têm agora uma explicação para o facto de os dois planetas terem cores diferentes.

Novas investigações sugerem que uma camada de neblina concentrada, presente em ambos os planetas, é mais espessa em Úrano do que em Neptuno e, portanto, “branqueia” a aparência de Úrano mais do que a de Neptuno. Se não houvesse névoa nas atmosferas de Neptuno e Úrano, ambos seriam quase igualmente azuis como resultado da luz azul espalhada nas suas atmosferas (as cores vermelhas da luz do Sol, espalhadas pela neblina e pelas moléculas de ar, são mais absorvidas pelas moléculas de metano nas atmosferas dos planetas.

Este processo – conhecido como dispersão de Rayleigh – é o que torna o céu azul aqui na Terra, embora na nossa atmosfera a luz solar seja na sua maioria dispersa por moléculas de azoto em vez de moléculas de hidrogénio. A dispersão de Rayleigh ocorre predominantemente em comprimentos de onda mais curtos e azuis).

Esta conclusão provém de um modelo que uma equipa internacional liderada por Patrick Irwin, professor de física planetária na Universidade de Oxford, desenvolveu para descrever as camadas de aerossol nas atmosferas de Neptuno e Úrano. Investigações anteriores das atmosferas superiores destes planetas focaram-se na aparência da atmosfera apenas em comprimentos de onda específicos.

No entanto, este novo modelo consiste em múltiplas camadas atmosféricas e corresponde a observações de ambos os planetas através de uma vasta gama de comprimentos de onda. O novo modelo também inclui partículas de neblina dentro de camadas mais profundas que anteriormente se pensava conterem apenas nuvens geladas de metano e sulfureto de hidrogénio.

“Este é o primeiro modelo a encaixar simultaneamente observações da luz solar reflectida em comprimentos de onda que vão desde o ultravioleta ao infravermelho próximo,” explicou Irwin, que é o autor principal de um artigo que apresenta este resultado na revista Journal of Geophysical Research: Planets. “É também o primeiro a explicar a diferença visível de cor entre Úrano e Neptuno.”

O modelo da equipa consiste em três camadas de aerossóis a diferentes alturas. A camada chave que afecta as cores é a camada intermédia, que é uma camada de partículas de névoa (referida no artigo como a camada Aerosol-2) que é mais espessa em Úrano do que em Neptuno.

A equipa suspeita que, em ambos os planetas, o metano gelado condensa-se nas partículas desta camada, puxando as partículas mais para dentro da atmosfera numa chuva de neve de metano.

Dado que Neptuno tem uma atmosfera mais activa e turbulenta do que Úrano, a equipa pensa que a atmosfera de Neptuno é mais eficiente a agitar as partículas de metano para a camada de neblina e a produzir esta neve. Isto remove mais da névoa e mantém a camada de névoa de Neptuno mais fina do que em Úrano, com o resultado de que a cor azul de Neptuno parece mais forte.

“Nós esperávamos que o desenvolvimento deste modelo nos ajudasse a compreender as nuvens e névoas nas atmosferas dos gigantes gelados,” comentou Mike Wong, astrónomo na Universidade da Califórnia, Berkeley e membro da equipa que está por detrás deste resultado. “A explicação da diferença de cor entre Úrano e Neptuno foi um bónus inesperado!”

Para criar este modelo, a equipa de Irwin analisou dados de arquivo do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA abrangendo vários anos. Estes dados espectrográficos foram obtidos com o STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) do Hubble, cobrindo uma vasta gama de comprimentos de onda desde o ultravioleta até ao visível e infravermelho (0,3-1,0 micrómetros).

Foram complementados com dados de telescópios terrestres: um conjunto de novas observações pelo Telescópio Gemini North e dados de arquivo do IRTF (Infrared Telescope Facility) da NASA, ambos localizados no Hawaii.

A equipa não só examinou os espectros dos planetas, como também fez uso de algumas das muitas imagens que o Hubble obteve dos dois planetas com o seu instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3). O Hubble fornece excelentes vistas das distintas tempestades atmosféricas partilhadas pelos dois planetas conhecidas como “manchas escuras”, que os astrónomos conhecem há muitos anos.

Não se sabia exactamente que camadas atmosféricas eram perturbadas pelas manchas escuras para as tornar visíveis ao Hubble. O modelo produzido pela equipa explica o que dá uma aparência escura às manchas e porque são mais facilmente detectáveis em Úrano em comparação com Neptuno.

Os autores pensavam que um escurecimento dos aerossóis na camada mais profunda do seu modelo produziria manchas escuras semelhantes às vistas em Neptuno e talvez em Úrano. Com as imagens detalhadas do Hubble, puderam verificar e confirmar as suas hipóteses.

De facto, as imagens simuladas baseadas neste modelo combinam de perto com as imagens WFC3 de ambos os planetas, produzindo manchas escuras visíveis nos mesmos comprimentos de onda. Pensa-se que a mesma neblina espessa na camada de Aerossol-2 em Úrano, que provoca a sua cor azul mais clara, também obscurece estas manchas escuras com mais frequência do que em Neptuno.

Astronomia On-line
3 de Junho de 2022


 

1104: ‘Mundo-espelho’ fantasma pode explicar mistério cósmico

CIÊNCIA/COSMOLOGIA/UNIVERSO

Novas pesquisas sugerem que um “mundo-espelho” invisível de partículas que interagem com o nosso mundo apenas por meio da gravidade pode ser a chave para resolver um grande quebra-cabeça na cosmologia actual: o problema da constante de Hubble.

© Crédito: Stefan Keller/KELLEPICS/Pixabay
‘Mundo-espelho’ fantasma pode explicar mistério cósmico

A constante de Hubble é a taxa de expansão do universo hoje. As previsões para essa taxa – do modelo padrão da cosmologia – são significativamente mais lentas do que a taxa encontrada por nossas medições locais mais precisas. Essa discrepância é uma que muitos cosmólogos têm tentado resolver mudando nosso modelo cosmológico atual. O desafio é fazer isso sem arruinar o acordo entre as previsões do modelo padrão e muitos outros fenómenos cosmológicos, como o fundo cósmico de micro-ondas.

Determinar se tal cenário cosmológico existe é a questão que pesquisadores, incluindo Francis-Yan Cyr-Racine, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Novo México, e Fei Ge e Lloyd Knox, da Universidade da Califórnia em Davis (ambas nos EUA), vêm tentando responder. Sua recente pesquisa sobre o tema foi publicada na revista Physical Review Letters.

Do nascimento à morte do universo

Segundo a NASA, cosmologia é o estudo científico das propriedades em larga escala do universo como um todo. Os cosmólogos estudam conceitos como matéria escura e energia escura e se existe um universo ou muitos, às vezes chamados de multiverso. A cosmologia envolve todo o universo, desde o nascimento até a morte, com mistérios e intrigas a cada passo.

Cyr-Racine, Ge e Knox descobriram uma propriedade matemática anteriormente despercebida dos modelos cosmológicos que poderia, em princípio, permitir uma taxa de expansão mais rápida, enquanto dificilmente alterava as outras previsões testadas com mais precisão do modelo cosmológico padrão. Eles descobriram que uma escala uniforme das taxas de queda livre gravitacional e taxa de dispersão de fóton-eléctron deixa a maioria dos factores observáveis ​​cosmológicos adimensionais quase constantes.

“Basicamente, apontamos que muitas das observações que fazemos em cosmologia têm uma simetria inerente ao redimensionar o universo como um todo. Isso pode fornecer uma maneira de entender por que parece haver uma discrepância entre as diferentes medições da taxa de expansão do universo.”

Este resultado abre uma nova abordagem para reconciliar observações de fundo cósmico em micro-ondas e estruturas em larga escala com altos valores da constante de Hubble: encontre um modelo cosmológico no qual a transformação de escala possa ser realizada sem violar quaisquer medidas de quantidades não protegidas pela simetria. Esse trabalho abriu um novo caminho para resolver o que provou ser um problema desafiador. A construção de modelos adicionais pode trazer consistência com as duas restrições ainda não satisfeitas: as abundâncias primordiais inferidas de deutério (forma mais pesada do hidrogénio) e hélio.

Impacto gravitacional

Se o universo está de alguma forma explorando essa simetria, os pesquisadores são levados a uma conclusão extremamente interessante: que existe um universo-espelho muito semelhante ao nosso, mas invisível para nós, excepto pelo impacto gravitacional em nosso mundo. Esse sector escuro do “mundo-espelho” permitiria uma escala efectiva das taxas de queda livre gravitacional, respeitando a densidade média de fótons medida com precisão hoje.

“Na prática, essa simetria de escala só poderia ser realizada incluindo um mundo-espelho no modelo – um universo paralelo com novas partículas que são todas cópias de partículas conhecidas”, disse Cyr-Racine. “A ideia do mundo-espelho surgiu pela primeira vez na década de 1990, mas não foi reconhecida anteriormente como uma solução potencial para o problema da constante de Hubble.

“Isso pode parecer loucura, mas esses mundos-espelho têm uma grande literatura na física em um contexto completamente diferente, pois podem ajudar a resolver problemas importantes na física de partículas”, prosseguiu Cyr-Racine. “Nosso trabalho nos permite vincular, pela primeira vez, essa grande literatura a um importante problema em cosmologia.”

Erros de medição

Além de procurarem ingredientes ausentes em nosso modelo cosmológico atual, os pesquisadores também estão se perguntando se essa discrepância da constante de Hubble pode ser causada em parte por erros de medição. Embora isso continue a ser uma possibilidade, é importante notar que a discrepância se tornou cada vez mais significativa à medida que dados de maior qualidade foram incluídos nas análises, sugerindo que os dados podem não estar errados.

“[A discrepância] Passou de 2,5 Sigma para 3 e de 3,5 para 4 Sigma. Até agora, estamos praticamente no nível 5 Sigma”, disse Cyr-Racine. “Esse é o número-chave que torna isso um problema real porque você tem duas medidas da mesma coisa – se você tem uma imagem consistente do universo ela deveria ser completamente consistente uma com a outra, mas elas diferem em uma quantidade muito significativa estatisticamente.”

“Essa é a premissa aqui e estamos pensando sobre o que poderia estar causando isso e por que essas medidas são discrepantes? Então, esse é um grande problema para a cosmologia. Nós simplesmente não parecemos entender o que o universo está fazendo hoje.”

MSN Notícias
25.05.2022 às 11:59


 

Astrónomos encontram estrela “padrão de ouro” na Via Láctea

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/VIA LÁCTEA

HD 222925 é uma estrela de magnitude 9 localizada na direcção da constelação do hemisfério sul de Tucano.
Crédito: STScI Digitized Sky Survey

No nosso bairro solar da Via Láctea, está uma estrela relativamente brilhante, e nela, os astrónomos têm sido capazes de identificar a mais vasta gama de elementos até agora encontrados numa estrela para lá do Sistema Solar.

O estudo, liderado pelo astrónomo Ian Roederer da Universidade de Michigan, identificou 65 elementos na estrela HD 222925. Quarenta e dois dos elementos identificados são elementos pesados que estão listados ao longo da parte inferior da tabela periódica de elementos.

A identificação destes elementos numa única estrela vai ajudar os astrónomos a compreender o que se chama de “processo rápido de captura de neutrões”, ou uma das principais formas pelas quais os elementos pesados do Universo foram criados. Os seus resultados foram publicados no site arXiv e foram aceites para publicação na revista The Astrophysical Journal Supplement Series.

“Tanto quanto sei, é um recorde para qualquer objecto para lá do nosso Sistema Solar. E o que torna esta estrela tão única é que tem uma proporção relativa muito elevada dos elementos listados ao longo dos dois-terços inferiores da tabela periódica. Até detectámos ouro,” disse Roederer. “Estes elementos foram feitos através do processo rápido de captura de neutrões. É o que estamos realmente a tentar estudar: a física na compreensão de como, onde e quando esses elementos foram feitos.”

O processo, também chamado “processo r”, começa com a presença de elementos mais leves, como o ferro. Depois, rapidamente – na ordem de um segundo – neutrões são adicionados aos núcleos dos elementos mais leves. Isto cria elementos mais pesados tais como selénio, prata, telúrio, platina, ouro e tório, do tipo encontrado em HD 222925, e todos eles raramente são detectados em estrelas, segundo os astrónomos.

“São necessários muitos neutrões que sejam livres e um conjunto de condições muito energéticas para os libertar e adicioná-los aos núcleos de átomos,” disse Roederer. “Não há muitos ambientes em que isso possa acontecer – dois, talvez.”

Um destes ambientes foi confirmado: a fusão de estrelas de neutrões. As estrelas de neutrões são os núcleos colapsados de estrelas super-gigantes e são os objectos celestes mais pequenos e mais densos conhecidos. A colisão de pares de estrelas de neutrões provoca ondas gravitacionais e, em 2017, os astrónomos detectaram pela primeira vez ondas gravitacionais da fusão de estrelas de neutrões. Outra forma de o processo r poder ocorrer é após a morte explosiva de estrelas massivas.

“Este é um importante passo em frente: reconhecer onde o processo r pode ocorrer. Mas é um passo muito maior dizer, “O que é que esse evento realmente fez? O que foi produzido lá?” disse Roederer. “É aí que entra o nosso estudo.”

Os elementos que Roederer e a sua equipa identificaram em HD 222925 foram produzidos ou numa super-nova massiva ou numa fusão entre estrelas de neutrões muito cedo no Universo. O material foi ejectado e atirado de volta para o espaço, onde mais tarde foi reformado para a estrela que Roederer está hoje a estudar.

Esta estrela pode então ser usada como um substituto para o que um desses eventos teria produzido. Qualquer modelo desenvolvido no futuro que demonstre como o processo r ou a natureza produz elementos nos dois-terços inferiores da tabela periódica deve ter a mesma assinatura que HD 222925, explica Roederer.

Crucialmente, os astrónomos utilizaram um instrumento no Telescópio Espacial Hubble que pode recolher espectros ultravioletas. Este instrumento foi fundamental para permitir aos astrónomos recolher luz na secção ultravioleta do espectro – luz que é fraca, proveniente de uma estrela fria como HD 222925.

Os astrónomos também utilizaram um dos telescópios Magellan – um consórcio do qual a Universidade de Michigan é parceira – no Observatório Las Campanas no Chile para recolher a luz de HD 222925 na parte óptica do espectro de luz.

Estes espectros codificam a “impressão digital química” de elementos dentro das estrelas e a leitura destes espectros permite aos astrónomos não só identificar os elementos contidos na estrela, mas também a quantidade de um elemento que a estrela contém.

Anna Frebel é co-autora do estudo e professora de física no MIT (Massachusetts Institute of Technology). Ela ajudou na interpretação geral do padrão de abundância de elementos de HD 222925 e na forma como este informa a nossa compreensão da origem dos elementos no cosmos.

“Conhecemos agora a produção detalhada, elemento a elemento, de algum evento de processo r que aconteceu no início do Universo,” disse Frebel. “Qualquer modelo que tente compreender o que se passa com o processo r tem de ser capaz de reproduzir isso.”

Muitos dos co-autores do estudo fazem parte de um grupo chamado “R-Process Alliance”, um grupo de astrofísicos dedicados a resolver as grandes questões do processo r. Este projecto marca um dos principais objectivos da equipa: a identificação de quais os elementos, e em que quantidades, foram produzidos no processo e com um nível de detalhe sem precedentes.

Astronomia On-line
13 de Maio de 2022


Pelas vítimas do genocídio praticado
pela União Soviética de Putin, na Ucrânia
For the victims of the genocide practiced
by the Soviet Union of Putin, in Ukraine


1028: Hubble revela estrela companheira sobrevivente no rescaldo de uma super-nova

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/HUBBLE

Esta ilustração mostra a super-nova 2013ge, com a sua estrela companheira na parte inferior direita. A estrela companheira é impactada pela onda de explosão da super-nova, mas não destruída. Ao longo do tempo os astrónomos observaram a luz ultravioleta (UV) da super-nova a desaparecer, revelando uma segunda fonte de luz UV próxima que mantinha o brilho. A teoria é que as duas estrelas massivas evoluíram juntas como um par binário, e que a sobrevivente actual se desviou do invólucro exterior de hidrogénio gasoso da sua parceira antes de esta explodir. Eventualmente, a estrela companheira também explodirá como uma super-nova.
Crédito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

O Telescópio Espacial Hubble da NASA descobriu uma testemunha no local da morte explosiva de uma estrela: uma estrela companheira anteriormente escondida no brilho da super-nova da sua parceira. A descoberta é a primeira para um tipo particular de super-nova – uma em que à estrela foi retirado todo o seu invólucro exterior de gás antes de explodir.

A descoberta fornece uma visão crucial da natureza binária das estrelas massivas, bem como a potencial prequela para a fusão final das estrelas companheiras, que se “agitariam” através do Universo sob a forma de ondas gravitacionais, ondulações no próprio tecido do espaço-tempo.

Os astrónomos detectam a assinatura de vários elementos em explosões de super-nova. Estes elementos estão estratificados como uma cebola na fase pré-super-nova. O hidrogénio encontra-se na camada mais exterior de uma estrela e, se não for detectado hidrogénio no rescaldo da super-nova, isso significa que foi removido antes da explosão ter ocorrido.

A causa da perda de hidrogénio tem sido um mistério e os astrónomos têm vindo a usar o Hubble para procurar pistas e testar teorias que expliquem estas super-novas despojadas de hidrogénio. As novas observações pelo Hubble fornecem as melhores evidências, até agora, que apoiam a teoria de que uma estrela companheira invisível desvia o invólucro gasoso da sua estrela companheira antes desta explodir.

“Este foi o momento por que esperávamos, finalmente ver evidências de um sistema binário progenitor de uma super-nova totalmente despojada,” disse Ori Fox do STScI (Space Telescope Science Institute) em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland, investigador principal do programa Hubble. “O objectivo é mover esta área de estudo da teoria para o trabalho com dados e ver como estes sistemas realmente são.”

A equipa de Fox usou o instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble para estudar a região da super-nova (SN) 2013ge no ultravioleta, bem como observações anteriores pelo Hubble do MAST (Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes). Os astrónomos viram a luz da super-nova a desaparecer ao longo do tempo entre 2016 e 2020 – mas outra fonte próxima de luz ultravioleta na mesma posição manteve o seu brilho. Esta fonte subjacente de emissão ultravioleta é o que a equipa propõe ser a companheira binária sobrevivente de SN 2013ge.

Duas a duas?

Anteriormente, os cientistas teorizavam que os ventos fortes de uma estrela progenitora massiva podiam fazer explodir o seu invólucro de hidrogénio gasoso, mas as evidências observacionais não corroboravam isso. Para explicar a desconexão, os astrónomos desenvolveram teorias e modelos em que uma companheira binária desviava o hidrogénio.

“Nos últimos anos, muitas linhas diferentes de evidência disseram-nos que as super-novas despojadas são provavelmente formadas em binários, mas ainda não tínhamos visto realmente a companheira. Tanto do estudo de explosões cósmicas é parecido com a ciência forense – procurar pistas e ver que teorias coincidem. Graças ao Hubble, podemos ver isto directamente,” disse Maria Drout da Universidade de Toronto, membro da equipa de investigação do Hubble.

Em observações anteriores de SN 2013ge, o Hubble viu dois picos na radiação ultravioleta, em vez de apenas o tipicamente visto na maioria das super-novas. Fox disse que uma explicação para este aumento duplo de brilho era que o segundo pico mostrava quando a onda de choque atingia uma estrela companheira, uma possibilidade que agora parece muito mais provável. As observações mais recentes do Hubble indicam que embora a estrela companheira tenha sido significativamente “sacudida”, incluindo o hidrogénio que desviou da sua companheira estelar, não foi destruída. Fox compara o efeito a agitar uma gelatina, que eventualmente termina o seu movimento e volta à sua forma original.

Embora seja necessário encontrar confirmações adicionais e descobertas semelhantes de suporte, Fox disse que as implicações da descoberta ainda são substanciais, dando apoio a teorias de que a maioria das estrelas massivas se formam e evoluem como sistemas binários.

Uma a observar

Ao contrário das super-novas que têm uma concha inchada de gás para iluminar, as progenitoras de super-novas totalmente despojadas do seu invólucro estelar exterior revelaram-se difíceis de identificar nas imagens pré-explosão. Agora que os astrónomos tiveram a sorte de identificar a estrela companheira sobrevivente, podem utilizá-la para trabalhar para trás e determinar as características da estrela que explodiu, bem como a oportunidade sem precedentes de assistir ao rescaldo com a sobrevivente.

Também ela uma estrela massiva, a companheira de SN 2013ge está destinada a explodir como super-nova. A sua antiga parceira é agora provavelmente um objecto compacto, como uma estrela de neutrões ou um buraco negro, e a companheira irá provavelmente também por esse caminho.

A proximidade das estrelas companheiras originais determina se permanecem juntas após a fase super-nova. Se a distância for demasiado grande, a companheira será atirada para fora do sistema para vaguear sozinha pela galáxia hospedeira, um destino que poderá explicar muitas super-novas aparentemente solitárias.

Contudo, se as estrelas estiverem suficientemente próximas uma da outra durante a fase pré-super-nova, vão continuar a orbitar-se uma à outra como buracos negros ou estrelas de neutrões. Nesse caso, acabariam por espiralar e fundir-se, criando ondas gravitacionais no processo.

Esta é uma perspectiva emocionante para os astrónomos, pois as ondas gravitacionais são um ramo da astrofísica que apenas recentemente começou a ser explorado. São ondas ou ondulações no próprio tecido do espaço-tempo, previsto por Albert Einstein no início do século XX. As ondas gravitacionais foram observadas pela primeira vez pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

“Com a companheira sobrevivente de SN 2013ge, poderíamos estar potencialmente a ver a prequela de um evento de ondas gravitacionais, embora tal evento só vá ocorrer daqui a mil milhões de anos,” disse Fox.

Fox e colaboradores vão trabalhar com o Hubble para construir uma amostra maior de estrelas companheiras sobreviventes para outras super-novas, em efeito dando a SN 2013ge novamente alguma companhia.

“Há um grande potencial para além da simples compreensão da própria super-nova. Uma vez que sabemos agora que a maioria das estrelas massivas do Universo se formam aos pares, são necessárias observações das estrelas companheiras sobreviventes para ajudar a compreender os detalhes por detrás da formação binária, troca de material e desenvolvimento co-evolucionário. É uma época emocionante para estudar as estrelas,” disse Fox.

“A compreensão do ciclo de vida das estrelas massivas é particularmente importante para nós porque todos os elementos pesados são forjados nos seus núcleos e através das suas super-novas. Esses elementos constituem grande parte do Universo observável, incluindo a vida tal como a conhecemos,” acrescentou o co-autor Alex Filippenko, da Universidade da Califórnia em Berkeley.

Os resultados foram publicados na revista The Astrophysical Journal Letters.

Astronomia On-line
10 de Maio de 2022


Pelas vítimas do genocídio praticado
pela União Soviética de Putin, na Ucrânia
For the victims of the genocide practiced
by the Soviet Union of Putin, in Ukraine


 

The universe could stop expanding ‘remarkably soon’, study suggests

SCIENCE/UNIVERSE

In just 100 million years, the universe could start to shrink, new research suggests.

An artist’s impression of star formation in the early universe, a few hundred million years after the Big Bang. (Image credit: NASA)

After nearly 13.8 billion years of nonstop expansion, the universe could soon grind to a standstill, then slowly start to contract, new research published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences suggests.

In the new paper, three scientists attempt to model the nature of dark energy — a mysterious force that seems to be causing the universe to expand ever faster — based on past observations of cosmic expansion. In the team’s model, dark energy is not a constant force of nature, but an entity called quintessence, which can decay over time.

The researchers found that, even though the expansion of the universe has been accelerating for billions of years, the repellent force of dark energy may be weakening. According to their model, the acceleration of the universe could rapidly end within the next 65 million years — then, within 100 million years, the universe could stop expanding altogether, and instead it could enter an era of slow contraction that ends billions of years from now with the death — or perhaps the rebirth — of time and space.

And this could all happen “remarkably” quickly, said study co-author Paul Steinhardt, Director of the Princeton Center for Theoretical Science at Princeton University in New Jersey.

“Going back in time 65 million years, that’s when the Chicxulub asteroid hit the Earth and eliminated the dinosaurs,” Steinhardt told Live Science. “On a cosmic scale, 65 million years is remarkably short.”

Nothing about this theory is controversial or implausible, Gary Hinshaw, a professor of physics and astronomy at the University of British Columbia who was not involved in the study, told Live Science. However, because the model hinges on past observations of expansion alone — and because the present nature of dark energy in the universe is such a mystery — the predictions in this paper are currently impossible to test. For now, they can only remain theories.

Energy of the void

Since the 1990s, scientists have understood that the expansion of the universe is speeding up; the space between galaxies is widening faster now than it was billions of years ago. Scientists named the mysterious source of this acceleration dark energy — an invisible entity that seems to work contrary to gravity, pushing the universe’s most massive objects farther apart rather than drawing them together.

Though dark energy makes up approximately 70% of the total mass-energy of the universe, its properties remain a total mystery. A popular theory, introduced by Albert Einstein, is that dark energy is a cosmological constant — an unchanging form of energy that’s woven into the fabric of space-time. If that’s the case, and the force exerted by dark energy can never change, then the universe should continue expanding (and accelerating) forever.

However, a competing theory suggests that dark energy doesn’t need to be constant in order to fit with observations of past cosmic expansion. Rather, dark energy may be something called quintessence — a dynamic field that changes over time. (Steinhardt was one of three scientists who introduced the idea in a 1998 paper in the journal Physical Review Letters.)

Unlike the cosmological constant, quintessence can be either repulsive or attractive, depending on the ratio of its kinetic and potential energy at a given time. Over the last 14 billions years, quintessence was repulsive.  For most of that period, though, it contributed insignificantly compared to radiation and matter to the expansion of the universe. That changed about five billion years when quintessence became the dominant component and its gravitational repulsion effect caused the expansion of the universe to speed up.

“The question we’re raising in this paper is, ‘Does this acceleration have to last forever?'” Steinhardt said. “And if not, what are the alternatives, and how soon could things change?”

The death of dark energy

In their study, Steinhardt and his colleagues, Anna Ijjas of New York University and Cosmin Andrei of Princeton, predicted how the properties of quintessence could change over the next several billion years. To do this, the team created a physical model of quintessence, showing its repellent and attractive power over time, to fit with past observations of the universe’s expansion. Once the team’s model could reliably reproduce the universe’s expansion history, they extended their predictions into the future.

“To their surprise, dark energy in their model can decay with time,” Hinshaw said. “Its strength can weaken. And if it does so in a certain way, then eventually the antigravitational property of dark energy goes away and it transitions back into something that’s more like ordinary matter.”

According to the team’s model, the repellent force of dark energy could be in the midst of a rapid decline that potentially began billions of years ago.

In this scenario, the accelerated expansion of the universe is already slowing down today. Soon, perhaps within about 65 million years, that acceleration could stop altogether — then, within as few as 100 million years from now, dark energy could become attractive, causing the entire universe to start contracting. In other words, after nearly 14 billion years of growth, space could start to shrink.

“This would be a very special kind of contraction that we call slow contraction,” Steinhardt said. “Instead of expanding, space contracts very, very slowly.”

Initially, the contraction of the universe would be so slow that any hypothetical humans still alive on Earth wouldn’t even notice a change, Steinhardt said. According to the team’s model, it would take a few billion years of slow contraction for the universe to reach about half the size it is today.

The end of the universe?

From there, one of two things could happen, Steinhardt said. Either the universe contracts until it collapses in on itself in a big “crunch,” ending space-time as we know it — or, the universe contracts just enough to return to a state similar to its original conditions, and another Big Bang — or a big “bounce” — occurs, creating a new universe from the ashes of the old one.

In that second scenario (which Steinhardt and another colleague described in a 2019 paper in the journal Physics Letters B), the universe follows a cyclical pattern of expansion and contraction, crunches and bounces, that constantly collapse and remake it. If that’s true, then our current universe may not be the first or only universe, but just the latest in an infinite series of universes that have expanded and contracted before ours, Steinhardt said. And it all hinges on the changeable nature of dark energy.

How plausible is all this? Hinshaw said the new paper’s interpretation of quintessence is a “perfectly reasonable supposition for what the dark energy is.” Because all of our observations of cosmic expansion come from objects that are millions to billions of light-years away from Earth, current data can only inform scientists about the universe’s past, not its present or future, he added. So, the universe could very well be barreling toward a crunch, and we’d have no way of knowing until long after the contraction phase began.

“I think it really just boils down to how compelling do you find this theory to be and, more importantly, how testable do you find it to be?” Hinshaw added.

Unfortunately, there is no good way to test whether quintessence is real, or whether cosmic expansion has started to slow, Steinhardt admitted. For now, it’s just a matter of fitting the theory with past observations — and the authors do that capably in their new paper. Whether a future of endless growth or rapid decay awaits our universe, only time will tell.

Originally published on Live Science
By Brandon Specktor
02.05.2022


Pelas vítimas do genocídio praticado
pela União Soviética de Putin, na Ucrânia
For the victims of the genocide practiced
by the Soviet Union of Putin, in Ukraine