Explicando matéria escura e energia escura para leigos

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Com meu pouco conhecimento, eu sei disso:

Matéria escura

O centro de uma galáxia controla / atrai seus objetos (estrelas, planetas, cometas etc.) para si devido à gravidade. Mas a massa do centro desta galáxia parece ser menor do que o necessário para atrair todos os objetos da galáxia. Portanto, Dark Matter está lá, o que torna possível essa atração ou controle.

Energia escura

Essa é a força que está afastando as galáxias umas das outras e, portanto, fazendo o universo se expandir. Se não temos essa força hipotética, não podemos explicar por que as distâncias entre galáxias estão aumentando.

Questão

Informe-me a que distância estou do significado / definição real desses termos? E como eu posso explicar isso para um leigo, que tem pouco ou nenhum conhecimento sobre astronomia?

Obrigado.

PS: Eu li essa pergunta aqui , que é excelente, mas não consegui ter uma idéia de como explicar a um leigo.

Farhan
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Basicamente, a versão do leigo da resposta da MBR para a matéria escura na questão vinculada é "Espera-se que a borda externa da galáxia gire mais lentamente do que a parte interna, com base na matéria que observamos, mas, em vez disso, gira aproximadamente tão rápido quanto a parte interna - nós chame o que causa essa discrepância de matéria escura, como na matéria que deve estar lá que não observamos. " Sua explicação para a energia escura está bem.
named2voyage
Você precisa de mais explicações além disso? Caso contrário, sugiro que alguém adicione uma explicação simplificada à resposta da MBR e feche-a como uma duplicata.
called2voyage
@ called2voyage: Obrigado. Se não for problema, eu apreciaria mais detalhes. Por que a borda externa deve girar mais devagar? Porque não está fisicamente "conectado"?
Farhan 28/01
@ calls2voyage: Além disso, como a adição de Dark Matter resolveria isso? Obrigado.
Farhan

Respostas:

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Matéria escura Sua compreensão da matéria escura não é ruim, mas aqui estão alguns detalhes esclarecedores. Órbitas: A velocidade da órbita de um objeto está relacionada a duas coisas: o raio de sua órbita e a massa dentro dela. No sistema solar, mais de 99% da massa está concentrada no centro, portanto o raio é o efeito dominante na velocidade orbital. Quando olhamos para os planetas mais distantes do sol, sua velocidade orbital diminui. Na galáxia, é uma história semelhante, mas com o aumento do raio orbital, você também ganha mais e mais massa dentro de sua órbita, já que a galáxia está cheia de outras estrelas. Mesmo assim, esperamos que a velocidade orbital caia à medida que você olha objetos em direção à borda da galáxia, já que as estrelas ficam mais difusas à medida que você se move e não há massa suficiente dentro da órbita para compensar o raio crescente. Em vez de,

Aqui está um exemplo de uma chamada curva de rotação da galáxia espiral NGC 3198 : insira a descrição da imagem aqui

Sem matéria escura, esperaríamos que a velocidade dos objetos em função do raio (do centro de massa) seguisse a curva denominada 'disco'. No entanto, o que vemos parece ser a soma das duas contribuições (o disco e o "halo da matéria escura" que circunda esse disco), que é sobrecarregado com dados reais.

Também temos evidências dessa massa extra das lentes gravitacionais. À medida que a luz passa por um objeto grande como um aglomerado de galáxias, seu caminho pode ser dobrado pela gravidade desse objeto. Podemos ver esse efeito quando um aglomerado de galáxias está na frente de uma galáxia ainda mais distante, a luz do objeto de fundo fica ampliada e distorcida. Podemos calcular o caminho que a luz deve ter tomado para aparecer como a vemos, e a massa necessária para dobrá-la dessa maneira não pode ser explicada apenas com as estrelas e o gás que vemos no conjunto de lentes. Isso novamente sugere que há massa extra que não podemos ver.

Aqui está uma excelente imagem do CFHT mostrando como a lente gravitacional funciona.

Energia escura Você não está muito distante dessa, com uma grande distinção: a energia escura é a 'força' que está fazendo com que o universo acelere sua expansão. Esperamos que o universo esteja se expandindo a partir do modelo de cosmologia do Big Bang, mas esperamos que esteja diminuindo à medida que a gravidade mútua de tudo no universo agiu um sobre o outro. A energia escura parece ser uma "pressão" em todas as partes do espaço para se expandir, mas é muito fraca e foi dominada pela gravidade e outros fatores ao longo da maior parte da história do universo. É apenas nos últimos bilhões de anos que começou a assumir o controle.

Funciona mais ou menos assim. Imagine que você tenha uma região 1-D do espaço-tempo com 1 unidade de comprimento (apenas por conveniência). Aqui está: | -------- | Agora, esta região tem essa 'pressão de expansão' de energia escura atuando nela. Digamos que seja 0,07 unidades por ano por unidade. Isso significa que a cada ano, essa região do espaço-tempo aumenta 7%. Em 10 anos, o comprimento será o dobro: | -------- | -------- | Agora, o problema é que cada uma dessas regiões tem a mesma pressão de expansão que a original! Então, os dois dobrarão em 10 anos, e depois dobrarão, e assim por diante. Então, o que acontece é que você obtém uma pequena expansão localmente, mas quanto mais longe algo fica mais rápido ele se acelera. O efeito real da energia escura é ordens de magnitude menores, algo como 67,15 ± 1,2 (km / s) / Mpc ( Wikipedia), mas ainda significa que as galáxias a mais de 4,5 Gigaparsecs de distância estão sendo transportadas mais rapidamente do que a velocidade da luz. (Ainda podemos vê-los agora, porque a luz que vemos foi emitida muito antes de a taxa de expansão ter chegado tão alta.) A expansão aumenta nas enormes distâncias que vemos no universo.

A energia escura não afeta coisas como planetas, sistemas solares e galáxias, porque o efeito é tão fraco em pequenas escalas que a gravidade mais do que a neutraliza. Seu efeito pode ser visto principalmente sobre as vastas extensões vazias de espaço entre os aglomerados de galáxias.

Espero que ajude!

gargoylezoo
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Isso é bom, mas há um grande equívoco que não aumenta a clareza: a afirmação de que o efeito da energia escura não é gravitacional. A energia escura tem pressão negativa e, portanto, é mais análoga a um "puxão para dentro" (por exemplo, um pistão em um recipiente com água a pressão negativa); não há necessidade de citações assustadoras sobre "pressão" porque é pressão. Mas a pressão negativa também produz gravidade repulsiva. Realmente, o que falta é: a pressão gravita, não apenas a energia, e a pressão negativa gravita repulsivamente.
Stan Liou
Obrigado pelo esclarecimento, pensei que era mais como uma pressão positiva empurrando os limites de um pedaço do espaço-tempo.
gargoylezoo
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@StanLiou está correto neste. A energia escura se manifesta na forma de pressão, que GR nos diz que participa da força gravitacional (embora com um sinal negativo na equação de estado). Quero ressaltar que sua postagem é de alta qualidade. Mantenha o bom trabalho!
Astromax
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Obrigado! Sou voluntário fazendo divulgação em um observatório local, então esse é o tipo de coisa que faço o tempo todo.
gargoylezoo
@gargoylezoo: (Eu sei que isso não está relacionado exatamente à pergunta.) Essas linhas paralelas e perpendiculares na imagem em anexo, como são chamadas? Eles representam um campo magnético ou algum outro campo, ou algo mais? Deveria haver algum efeito neles por causa da Terra?
Farhan