Como medimos o universo sem réguas intergalácticas?

(Vimeo/Hypescience) Medir distâncias de forma indireta é uma arte em si, e começou muito provavelmente com os egípcios, antes dos gregos terem uma geometria decente: como medir a largura de um rio intransponível, ou a distância entre dois picos de montanhas que não podem ser alcançadas?

Distâncias como da Terra à lua são medidas com precisão de milímetros, usando raios laser e os espelhos deixados pelos astronautas em missões espaciais. Outros corpos do sistema solar tiveram a distância medida usando técnicas de radar.

E para medir a distância em que se encontram as estrelas e galáxias? Os astrônomos tem a seu dispor vários métodos de medição de distância, e que podem ser resumidos em três principais: a paralaxe, a lâmpada padrão, e o desvio para o vermelho.

Paralaxe
A paralaxe é o “erro” de posição que acontece quando você olha dois objetos que estão em linha, a partir de dois pontos de vista diferentes. Por exemplo, estique o braço e feche um olho. Alinhe o dedão com algum objeto: um vaso, um poste, uma árvore. Daí, sem mover o braço e sem sair do lugar, espie com o outro olho: o dedo não vai estar mais alinhado com o objeto. Esta diferença de posição que você percebeu é a paralaxe, e sabendo a distância do olho ao dedão, e a diferença de posição, você poderia usar isto para calcular a distância a que se encontra o objeto que você estava mirando.

Este é o método usado pelos astrônomos para medir as distâncias das estrelas mais próximas, que estão a cerca de um parsec de distância, até algumas centenas de parsecs (um parsec equivale a aproximadamente 3,26 anos-luz ou cerca de 30,85 trilhões de quilômetros).

Lâmpada Padrão
O método da lâmpada padrão funciona assim: se você conhece o brilho de uma certa lâmpada a uma certa distância, pode medir o brilho dela a outras distâncias e calcular esta distância, relacionando os brilhos: o brilho é inversamente proporcional ao quadrado da distância.

Só que os astrônomos não usam lâmpadas, eles usam estrelas cefeidas. Estas estrelas tem o brilho variável, cada uma pulsando em um determinado ritmo. O que os astrônomos descobriram é que medindo o ritmo do pulsar da estrela, eles podem calcular o valor do brilho absoluto dela, como se ela estivesse em uma distância padrão. Comparando o brilho padrão com o brilho medido, dá para calcular a distância em que se encontra a estrela.

Até onde dá para esticar esta régua? Até onde a gente conseguir ver estrelas cefeidas individuais. O telescópio Hubble conseguiu encontrar estrelas cefeidas até 108 milhões de anos-luz de distância.

Desvio para o vermelho
O desvio para o vermelho é o método usado para distâncias enormes, tipo “muito, muito, muito longe” até “o fim do universo”. Ele está associado com a expansão do universo, e basicamente funciona assim: quando a luz viaja pelo espaço que está em expansão, suas ondas são “esticadas”. Quanto mais ela viaja pelo espaço em expansão, mais as ondas são “esticadas”.

Este “esticamento” significa comprimentos de onda maiores, e significa que as cores são deslocadas em direção ao vermelho. A medida do deslocamento para o vermelho, ou “redshift”, pode ser relacionada diretamente à distância em que se encontra o objeto em questão.

Os três métodos de medição estão amarrados: a régua que usa o redshift foi feita usando a régua das estrelas cefeidas. A régua das estrelas cefeidas foi feita usando a régua da paralaxe. E a régua da paralaxe? Ela é feita em cima da lei do seno, da matemática, e do conhecimento do diâmetro da Terra e da órbita da Terra. Cada degrau da Escada de Distâncias Cósmicas está amarrado no degrau anterior.

A Refundação da Física

(Scientific American Brasil) No século 17 os astrônomos (Ticho Brahe, Kepler, Galileu) realizaram uma mudança profunda na arte de representar racionalmente a Natureza, dando origem a um modo novo de produzir conhecimento científico e fundando a física moderna. Quando observamos o céu, para mais uma vez produzir uma história científica do Universo, estamos seguindo os mesmos caminhos e a mesma tarefa. O papel da cosmologia, hoje, como há quatro séculos, é elaborar a refundação da física, como veremos.

O Universo está em um processo acelerado?
A observação do comportamento irregular de estrelas supernovas levou à hipótese de que o Universo estaria dotado de expansão acelerada. Isso significa que a taxa de crescimento do volume global do espaço estaria aumentando com o tempo (contrariamente ao que se poderia esperar devido ao caráter atrativo da gravitação). Segundo a teoria da relatividade geral isso implicaria a existência de uma fonte de expansão com propriedades pouco convencionais e exigiria a presença de incompreensível pressão altamente negativa. Se essa fosse a interpretação correta dos dados astronômicos, teríamos de aceitar a existência em alguma região cósmica de novas formas de matéria com propriedades inusitadas. Ou então, a simetria que levou os cosmólogos a eleger o modelo geométrico de Friedmann deveria ser alterada. Isso eliminaria a necessidade de examinar inúmeras tentativas recentes e de postular a presença de formas de matéria desconhecidas com características esdrúxulas.

Qual a origem do Universo?
Desde 1979 conhecemos soluções exatas das equações da relatividade geral que descrevem a geometria do Universo sem singularidade, isto é, como um processo oscilante, que anteriormente à atual fase de expansão passou por uma fase de contração gravitacional. Há até pouco tempo a opção entre uma teoria do universo singular (tipo Big Bang) ou um universo eterno se sustentava apenas por argumentos formais. Mas, ao compararem observações envolvendo a formação de estruturas como galáxias e aglomerados galácticos, os cosmólogos estão no limiar de poder decidir sobre a característica mais fundamental do Universo, correspondendo ao seu tempo de existência, para finalmente responder à questão: o Universo teve começo há uns poucos bilhões de anos ou ele é muito mais antigo, possivelmente eterno?

As leis da física são universais?
Desde o início da ciência moderna o pensamento científico foi dominado por uma visão rígida, com o pressuposto de que as leis físicas descobertas a partir de experiências realizadas em laboratórios terrestres ou em nossa vizinhança no Sistema Solar eram verdades eternas, sem evolução e válidas em todo o Universo. Embora no primeiro momento essa extrapolação exagerada servisse como uma prática de trabalho adequada, nos últimos anos ela tem sido criticada e dado lugar a um intenso trabalho relacionando os mecanismos de formação das leis físicas com a evolução do Universo (inibindo a visão idealista de que são precisamente essas leis físicas absolutas, acima de qualquer compreensão ulterior, que determinam a evolução cósmica).

Mensagens do Universo primitivo

Brilhantes e breves, erupções de raios-γ carregam pistas sobre a história cósmica

(Scientific American Brasil) Distantes e poderosos, os breves flashes de radiação de alta energia conhecidos como erupções de raios-γ (ERG), já foram um dos mistérios mais profundos da astronomia. Agora estão se tornando uma poderosa ferramenta: com observatórios orbitais como o Fermi e o Swift, que rotineiramente investigam as erupções, astrônomos planejam usar as ERGs como lâmpadas de flash para investigar minuciosamente os detalhes dos primórdios do Universo.

Observadas quase diariamente e vindas de todas as direções do espaço, acredita-se que as ERGs marquem o colapso do núcleo de uma estrela massiva em um buraco negro – evento que produz uma explosão cataclísmica. Sua luz intensa pode se espalhar por todo o universo visível, testemunhando os primeiros capítulos de sua história de aproximadamente 13 bilhões de anos. O entendimento dos teóricos sobre esses flashes ainda está incompleto, mas na conferência Fermi/Swift de ERGs de 2012, na semana passada em Munique, Alemanha, astrônomos discutiram como poderiam usar as ERGs para mapear a evolução química do Cosmos conforme sua luz é filtrada pelo gás das galáxias em que residem.

Volker Bromm, astrônomo da University of Texas, em Austin, explica que as ERGs são “pedras de Roseta cósmicas” que podem até mesmo carregar informações sobre a composição das primeiras estrelas do Universo, poucas centenas de milhões de anos após o Big Bang: “Elas têm um apelo quase metafísico. Queremos chegar à aurora do Universo”.

Assim como algumas galáxias e quasares – os núcleos luminosos de galáxias jovens com buracos negros supermassivos em seus centros –, os objetos que emitem ERGs estão entre os mais distantes do Cosmos. No papel de mensageiros do universo primitivo, as ERGs têm vantagens sobre os outros dois, aponta Nial Tanvir, astrônomo da University of Leicester, no Reino Unido. Elas são muito mais luminosas que galáxias distantes, o que significa que um espectrógrafo consegue mais informações ao dividir sua luz nos comprimentos de onda constituintes, para revelar linhas de absorção química. E apesar de os quasares brilharem muito, sua luz pode ser mais errática que a das ERGs e seus espectros mais complicados, o que torna difícil extrair informações sobre o material que atravessaram.

O desafio está no fato de as ERGs serem imprevisíveis e breves – normalmente durando apenas alguns segundos nas energias mais altas. Seus flashes efêmeros são seguidos por longas persistências luminosas (afterglows) que podem ser medidas em comprimentos de onda mais longos, mas os observatórios terrestres precisam reagir rapidamente se quiserem captar essas persistências no momento em que uma sonda detecta uma erupção. Mas isso é possível: uma erupção, detectada pelo Swift em setembro de 2005, foi tão intensa que o telescópio Subaru, de 8 m, no Havaí, detectou sua persistência e obteve um espectro mais de três dias depois. Com um desvio para o vermelho de 6,3, estima-se que essa erupção tenha ocorrido quando o Universo tinha menos de 7% de sua idade atual. O espectro, rico em detalhes, revelou que a re-ionização do hidrogênio – um momento decisivo da história cósmica após o Universo resfriar e escurecer, após o Big Bang – foi praticamente completa.

Mas os astrônomos querem voltar ainda mais profundamente no tempo. As ERGs têm ocorrido desde antes da formação das primeiras estrelas, que provavelmente eram massivas, brilhantes e de vida curta. Quando as estrelas expiravam violentamente na forma de ERGs, a luz delas ofereceria uma cobiçada impressão digital química do gás circundante, o material primordial do universo primitivo.

Analisando as ERGs em galáxias de épocas diferentes, os astrônomos podem ser capazes de descobrir como a composição do universo primitivo evoluiu à medida que as primeiras gerações de estrelas “queimavam” hidrogênio e hélio, convertendo-os em elementos mais pesados, os “metais”. “Quando essas estrelas começaram a produzi-los? Quando elas se acenderam?”, pergunta Neil Gehrels, astrônomo do Goddard Space Flight Center em Greenbelt, em Maryland, e principal pesquisador do Swift.

Para ajudar nas observações de ERGs primitivas, Jochen Greiner, astrônomo do Instituto Max Planck para Física Extraterrestre em Garching, na Alemanha, e sua equipe construíram o Detector Óptico/Quase-Infravermelho de Erupções de Raios Gama (Grond, na sigla em inglês) e o adicionaram a um telescópio de 2,2 m de diâmetro operado pelo Observatório Europeu do Sul (ESO), em La Silla, no Chile. O Grond responde aos alertas do Swift e assume o controle do telescópio do ESO. O sistema automatizado pode fazer uma rápida estimativa da distância de uma erupção; se o candidato for distante, Greiner e seus colegas convocam os astrônomos do Very Large Telescope, que têm instrumentos capazes de fazer medições espectroscópicas finas. Mas às vezes Greiner não consegue convencê-los a interromper seus trabalhos. “Eles não percebem que temos que reagir em minutos”, lamenta-se.

Greiner se preocupa também com o fato de o Swift, apesar de ainda funcionar bem, ter sido projetado para durar apenas dois anos. Já Gehrels está otimista: com mais espectrógrafos nos telescópios terrestres os astrônomos seriam capazes de extrair o máximo das descobertas do Swift. O pesquisador acredita que é apenas questão de tempo até que uma explosão que nos leve ainda mais perto do Big Bang seja detectada: “Só precisamos de uma, mas ainda não tivemos essa sorte”.

Enigmas da expansão cósmica

(Ulisses Capozzoli - Scientific American Brasil) Entre 5 e 7 bilhões de anos a expansão do Universo foi reduzida pela frenagem gravitacional devido à massa do próprio Cosmos.

Mas então, o que agora é conhecido como energia escura, manifestou-se para não apenas dar sequência à expansão, mas acelerar esse movimento como se constatou numa observação realizada em 1998, envolvendo estrelas do tipo supernova em galáxias muito distantes.

A observação de 1998, considerada a notícia científica daquele ano, rendeu o prêmio Nobel de física em 2011.

A datação dessa pausa da expansão e sua continuidade foram obtidas pela medida mais precisa feita até agora de galáxias situadas a enormes distâncias pelo Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) que integra o terceiro Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III).

Apesar de a energia escura − uma espécie de gravitação repulsiva, ou antigravidade – ser frequentemente responsabilizada pela aceleração da expansão do Universo ela não passa de uma prótese, ou seja, algo que deve preencher uma falta.

Há quem aposte todas suas moedas na possibilidade, por exemplo, de a teoria geral da relatividade (uma teoria da gravitação) elaborada por Einstein em 1915/6 tornar-se repulsiva em vez de atrativa, a enormes distâncias.

Para tentar identificar o que ocorre nas bordas do universo visível, e acelera sua expansão, os cosmólogos dependem de medidas precisas e é exatamente isso que está sendo feito agora com o uso de um novo espectrógrafo do telescópio SDSS de 2,5 metros de diâmetro. Esse equipamento está instalado num instrumento do Apache Point Observatory, no Novo México, nos Estados Unidos.

As observações devem somar mais de 1 milhão de galáxias remotas ao longo de seis anos de trabalho.

A datação das variações observadas entre 5 a 7 bilhões de anos foi obtida a partir do registro que envolveu mais de 250 mil galáxias, resultado do primeiro ano de atividade com metade dos registros do BOSS.

As galáxias estão tão distantes da Via Láctea que, para a luz emitida por elas chegar a Terra, foi necessária uma viagem de mais de 6 bilhões de anos pela vastidão cósmica.

Desde o final dos anos 20 sabe-se que as galáxias estão se afastando umas das outras como pontos na superfície de um balão de aniversário sendo inflado.

A descoberta da expansão cósmica, ou a “fuga das galáxias” foi fundamental para integrar a cosmologia ao corpo da ciência.

Antes disso, ela não passava de especulação filosófica.

Questões como a expansão do Universo com frequência confundem as pessoas e uma das dúvidas é: mas para onde o Cosmos se expande?

E a resposta é: para um espaço sem realidade física.

Outra questão é: mas se as galáxias estão se afastando uma das outras, porque algumas delas se aproximam e entram em choque, como deverá ocorrer no futuro remoto com a Via Láctea, a galáxia que abriga o Sistema Solar e a galáxia de Andrômeda, nossa vizinha cósmica mais próxima?

Para entender essa questão considere dois trilhos de uma linha térrea que, por efeito de perspectiva, parecem fundir-se no horizonte.

Ou seja, tanto a Via Láctea como Andrômeda estão submetidas à expansão, mas vão se chocar “lá na frente”.

A expansão das galáxias inicialmente foi atribuída a uma explosão primordial, que acabou conhecida como “Big Bang” e a discussão que se seguiu foi se o Universo se expandiria para sempre ou, como resultado de sua própria massa/energia, e sob efeito de um campo gravitacional próprio o Cosmos se deteria, como um elástico que atinge sua máxima distensão.

Agora, no entanto, como contribuição da teoria de cordas (proposição de que cordas infinitamente pequenas vibram e produzem partículas elementares que compõem a matéria) considera-se que o Big Bang pode ter sido apenas a explosão cósmica mais recente e não a que originou o Universo.

Isso, no entanto, abre espaço para a concepção de um universo eterno, em lugar de uma concepção com início e fim, como supôs num primeiro momento a teoria clássica do Big Bang.

Fred Hoyle, cosmólogo e matemático inglês que ao longo de sua vida se bateu pela versão de um universo eterno, ao propor sua teoria do Estado Estacionário, pode estar comemorando em algum lugar, se é que isso é possível.

Pouco antes de morrer e nada convencional Fred Hoyle disse que não esperava o reconhecimento de suas teorias ainda em vida.

A História do Universo em 10 minutos

DEUS mostra como o Universo evoluiu desde sua criação

Embora a idade do Universo seja calculada em 13,7 bilhões de anos, a luz pode ter viajado muito mais do que isso desde o Big Bang, dependendo do modelo utilizado: o mais radical prevê um Universo com 45 bilhões de anos-luz. [Imagem: Deus Consortium]

Energia escura do Universo
(Inovação Tecnológica) Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Universo e Teorias, da Universidade Paris Diderot, na França, concluiu a primeira etapa da simulação do Universo inteiro.

Ou, pelo menos, do Universo observável.

O objetivo é simular em computador o desenvolvimento de todo o Universo, do Big Bang até os nossos dias.

Esta é a primeira de três "rodadas" do projeto DEUS (Dark Energy Universe Simulation, simulação da energia escura do universo, em tradução livre).

O projeto, que ocupa um supercomputador em tempo integral, conseguiu seguir a evolução de 550 bilhões de partículas nessa primeira rodada.

Teorias sobre Energia Escura
Enquanto a matéria escura fica cada vez mais obscura e os raios cósmicos cada vez mais misteriosos, os cientistas esperam ter melhores resultados com a energia escura.

A simulação foi programada com base em três teorias sobre a energia escura.

A primeira é a do modelo padrão de formação do universo com uma constante cosmológica, aquela que Einstein se arrependeu de ter tirado de suas equações, uma vez que ela permitiria que ele tivesse previsto a expansão do Universo - "Foi o maior erro da minha vida," teria dito o cientista.

A equipe pretende rodar novas simulações com outros dois modelos.

O segundo será caracterizado por um componente de energia escura dinâmico, que preencheria todo o Universo.

O terceiro modelo pressupõe uma modificação na lei da gravidade em grandes escalas, levando em conta os efeitos de um componente em aceleração, chamado "energia escura fantasma".

De zoom em zoom, os cientistas franceses já conseguiram simular 550 bilhões de partículas. [Imagem: Deus Consortium]

Confirmações das teorias
Se alguma das teorias estiver corretas, será possível estabelecer seus efeitos sobre a formação da estrutura do Universo e, desta forma, estabelecer alvos para novas observações astronômicas.

Na prática o caminho será o inverso: a partir das previsões de cada teoria, as simulações permitirão estabelecer alvos em busca de uma eventual confirmação.

Graças ao seu supercomputador Curie, com 92.000 CPUs, os cientistas esperam ter todos os resultados até Maio deste ano.

Prova matemática de que o universo teve um começo

(TechnologyReview / Hypescience) Em um novo estudo, cosmólogos usaram as propriedades matemáticas da eternidade para mostrar que, apesar do universo poder durar para sempre, ele deve ter tido um começo.

O Big Bang tornou-se parte da cultura popular desde que a expressão foi cunhada pelo físico Fred Hoyle, nos anos 1940, e representaria o nascimento de tudo.

No entanto, o próprio Hoyle preferia muito mais um modelo diferente do cosmos: um universo de estado estacionário, sem começo nem fim, que se estende infinitamente para o passado e para o futuro.

Essa ideia, entretanto, nunca vingou. Mas nos últimos anos, os cosmólogos começaram a estudar uma série de novas ideias com propriedades semelhantes. Curiosamente, essas ideias não entram necessariamente em conflito com a noção de um Big Bang.

Por exemplo, uma ideia é que o universo é cíclico, com big bangs seguidos de “big crunches” (crises) seguido de big bangs em um ciclo infinito.

Outra é a noção de inflação eterna, em que as diferentes partes do universo se expandem e contraem em taxas diferentes. Estas regiões podem ser pensadas como universos diferentes em um multiverso gigante.

Assim, embora pareça que vivemos em um cosmos que se expande, outros universos podem ser muito diferentes. E enquanto o nosso universo pode parecer que tem um começo, o multiverso não precisa ter um começo.

Por fim, há a ideia de um universo emergente que existe como uma espécie de semente para a eternidade e, de repente, se expande.

Essas teorias cosmológicas modernas sugerem que a evidência observacional de um universo em expansão (como o nosso) é consistente com um cosmo sem começo nem fim. Mas não é bem assim.

Audrey Mithani e Alexander Vilenkin, da Universidade Tufts em Massachusetts, EUA, dizem que todos os modelos propostos são matematicamente incompatíveis com um passado eterno.

A análise dos pesquisadores sugere que estes três modelos do universo devem ter tido um começo.

Seu argumento centra-se sobre as propriedades matemáticas da eternidade – um universo sem começo e sem fim. Tal universo deve conter trajetórias que se estendem infinitamente no passado.

No entanto, Mithani e Vilenkin lembram que este tipo de trajetória do passado não pode ser infinita se for parte de um universo que se expande de uma maneira específica.

Universos cíclicos e universos de inflação eterna se expandem dessa forma específica. Então, esses tipos de universo não podem ser eternos no passado, e devem, portanto, ter tido um começo.

“Embora a expansão possa ser eterna no futuro, não pode ser estendida indefinidamente para o passado”, dizem eles.

Esses modelos podem parecer estáveis do ponto de vista clássico, mas são instáveis do ponto de vista da mecânica quântica. A conclusão é inevitável. “Nenhum desses cenários pode realmente ser eterno no passado”, diz Mithani e Vilenkin.

Como a evidência observacional é que o nosso universo está se expandindo, então ele também deve ter nascido em algum ponto no passado. Não adianta fugir dele… Voltamos para o Big Bang.