Novo experimento pretende captar sinais do início do tempo

Em breve um experimento aéreo sondará os restos mais antigos do Universo

(Scientific American Brasil) Quando procuramos pistas sobre a física do Universo primitivo, precisamos mirar alto – e um telescópio carregado por um balão, conhecido como Spider, que deve voar sobre a Antártica neste inverno boreal, pode ter sucesso onde um experimento terrestre amplamente divulgado fracassou.

Físicos trabalhando nesse experimento terrestre, conhecido como BICEP2, anunciaram há vários meses a descoberta de evidências de ondas gravitacionais primordiais – dobras no tecido do próprio espaço, ocorridas nos momentos iniciais do Universo. A descoberta virou manchete no mundo todo. Após análises mais detalhadas, porém, eles admitiram que seus dados eram inconclusivos. O sinal detectado poderia ter sido provocado tanto por poeira interestelar quanto pelas tão procuradas ondas gravitacionais. Cientistas trabalhando com o Spider acreditam que seus detectores podem resolver o problema. (O experimento se chama Spider por ter seis telescópios. Organizados em um círculo no projeto inicial, eles sugeriam uma criatura de muitas pernas. O projeto evoluiu, mas o nome ficou).

Assim como aconteceu com o BICEP2, os detectores a bordo do Spider medirão a radiação cósmica de fundo, ou RCF, criada quando o Universo tinha menos de 500 mil anos.

Embutido na RCF, porém, pode haver um sinal indicativo de uma época ainda mais antiga: o misterioso período da inflação cósmica, quando o Universo cresceu exponencialmente durante a primeira minúscula fração de segundo após o Big Bang.

De acordo com a teoria da relatividade geral – a teoria da gravidade de Einstein – uma imensa quantidade de ondas gravitacionais deve ter sido liberada durante esse período da inflação. Essas ondas deveriam distorcer a RCF, mudando a polarização de micro-ondas individuais (isto é, mudando a orientação de seus campos elétricos e magnéticos constituintes); os padrões resultantes de espirais sutis são chamados de “modos-B”.

Mas há um problema. Minúsculos grãos de poeira interestelar, alinhados com o campo magnético de nossa galáxia, emitem com aproximadamente a mesma frequência e podem criar um padrão semelhante de espirais de micro-ondas. A atmosfera da Terra se soma ao problema porque degrada os dois sinais ao ponto de ser difícil separá-los. O Spider, que tem mais ou menos o tamanho de uma grande caminhonete, deve superar essa dificuldade. Ele será levado às alturas, até a estratosfera, por um gigantesco balão de hélio. Realizar observações dessa altura “permite uma sensibilidade enorme”, explica Jeffrey Filippini, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia e diretor da equipe que projetou os receptores de micro-ondas. “Um dia no ar vale tanto quanto um mês no chão”.

O Spider também tem uma segunda vantagem. Enquanto o BICEP2 mediu a RCF em uma única frequência, o Spider coletará dados em duas – e a razão entre esses dois sinais, de acordo com Filippini, também pode ajudar a distinguir entre os efeitos da poeira e uma possível assinatura de ondas gravitacionais.

O Caltech está entre uma dúzia de instituições dos Estados Unidos, Reino Unido, Canadá e África do Sul colaborando no Spider, que deve alçar voo no final de dezembro. Muitos dos pesquisadores que agora trabalham no projeto, incluindo Filippini, também participam do BICEP2.

Na verdade, Spider e BICEP2 são apenas dois dos muitos experimentos, alguns em operação e alguns em estágios de planejamento, que se juntarão à caçada por ondas gravitacionais primordiais em meses futuros, incluindo o Telescópio do Polo Sul e o Telescópio Cosmológico do Atacama.

Dados da sonda Planck, que já mediu a quantidade de poeira em todo o céu, também são vitais para ajudar na calibragem de outros estudos que cobrem regiões menores do céu.

Enquanto isso, físicos usando o telescópio POLARBEAR no Chile recentemente anunciaram ter encontrado polarizações de modo-B na RCF.

Acredita-se, no entanto, que esses modos-B sejam o produto não de ondas gravitacionais, mas de outro fenômeno chamado de lentes gravitacionais – uma distorção da RCF devido à intervenção de matéria como aglomerados galácticos, cuja gravidade poderia arrastar micro-ondas em uma espiral de modo-B. O POLARBEAR pode fornecer informações valiosas sobre as primeiras estruturas que se formaram no Universo, mas ele não foi projetado para estudar a era da inflação.

A teoria da inflação cósmica, desenvolvida no início dos anos 80, é atualmente a principal teoria para explicar como minúsculas flutuações quânticas no início do tempo se desenvolveram até se tornarem as gigantescas estruturas que compõem o Universo atual.

O ruído quântico também deve estar presente nas ondas gravitacionais criadas pela inflação. Além disso, as próprias ondas devem chegar a escalas cosmológicas. Assim como podemos pensar na RCF como sendo o eco do Big Bang, essas ondas gravitacionais podem ser lidas como os ecos gravitacionais da rápida expansão provocada pela inflação.

Se o Spider detectar um sinal de ondas gravitacionais na RCF, ele será visto como uma “evidência muito forte para a teoria inflacionária”, observa Filippini. Por outro lado, a não-detecção das ondas pode não descartar a inflação, já que a teoria é muito flexível. “Teóricos são inteligentes, e independentemente do que observarmos, tenho certeza de que teremos várias interpretações”, conclui ele.

Quatro maneiras para você observar o Multiverso

Teoria dos multiversos
(Inovação Tecnológica) Os dados não confirmam e nem descartam a teoria dos multiversos, o que pode estar ajudando a proposta a ganhar força entre os físicos.

Para alguns, a pergunta se existe vida em outros universos é fácil de ser respondida, uma vez que os múltiplos universos seriam nada menos do que réplicas deste nosso universo, em cada um dos quais ocorreria uma das inúmeras possibilidades de eventos que são tão caras à mecânica quântica.

Nessa interpretação, toda vez que você faz uma escolha, você influencia uma infinidade de universos, o que inclui uma infinidade de outros "vocês" - alguns deles levando vidas muito diferentes da sua porque suas decisões "colapsaram" de forma diferente.

(continua aqui)

'Vazamento' de galáxia permite ver fenômeno da teoria do Big Bang

Em região com taxa alta de nascimento de estrelas, astrônomos flagram processo que possibilitou primeira luz estelar no universo

(Estadão) Ao identificar uma galáxia que produz novas estrelas a uma taxa excepcionalmente alta, um grupo de cientistas descobriu pistas inéditas sobre o fenômeno que possibilitou a primeira centelha de luz estelar na escuridão do universo após o Big Bang. Esse primeiro evento luminoso, conhecido como "reionização do universo", era previsto até agora apenas em modelos teóricos. O trabalho foi publicado na revista Science.

De acordo com um dos autores, Roderik Overzier, do Observatório Nacional do Rio de Janeiro, o grupo utilizou dados do telescópio espacial Hubble para detalhar o espectro de uma galáxia próxima à Via Láctea que produz novas estrelas na taxa de cerca de 50 massas solares por ano. Um "vazamento" na galáxia possibilitou a observação do fenômeno. Participaram também do estudo pesquisadores da Universidade Johns Hopkins e do Space Telescope Science Institute, ambos em Baltimore (Estados Unidos).

"O fenômeno se caracteriza pela emissão de fótons ultravioleta de alta energia. Normalmente não conseguimos observá-lo porque há massas de gás neutro que bloqueiam essas partículas. Mas ali, com tamanha intensidade de nascimento de estrelas, as fortes explosões e ventos estelares abriram brechas nesse envelope gasoso. Com isso, pudemos observar pela primeira vez a radiação ultravioleta escapando", declarou.

Segundo Overzier, os modelos teóricos indicam que o fenômeno teria acontecido na época da formação das primeiras galáxias do universo, entre 400 milhões e 950 milhões de anos depois do Big Bang. Depois da luz inicial, uma névoa de gás hidrogênio neutro preencheu o universo. Produzidos por estrelas jovens e massivas, os fótons ultravioleta de alta energia foram responsáveis por ionizar todo o gás hidrogênio que ocupa o espaço entre as galáxias. Mas até agora não se compreendia como isso pode ter acontecido, se em condições normais esses fótons não escapam das galáxias.

A galáxia com "vazamento", de acordo com Overzier, mimetiza os processos do universo primordial. "A galáxia que estudamos é muito semelhante às que existiam na fase inicial do universo. Por isso a descoberta demonstra pela primeira vez como o processo de reionização do universo pode ter acontecido. Nossa teoria é que as primeiras gerações de galáxias no universo também produziram ventos fortes e explosões que levaram à fuga dos fótons necessários para a reionização", declarou.

O pesquisador afirmou que, embora não seja possível vislumbrar a antiga energia responsável pelo fenômeno luminoso inicial, o novo estudo dá excelentes pistas para descobrir como ele aconteceu. "Conseguimos pistas muito importantes. Acredito que se o Brasil se juntar ao ESO, a organização internacional responsável pela construção e operação dos melhores observatórios astronômicos do mundo, seremos capazes de fazer muitas outras descobertas nesse campo, nos próximos anos", disse.

Parece cada vez mais plausível que vivemos em um multiverso

(Io9/Hypescience) Poderia o nosso enorme universo ser apenas um de muitos?

Cada vez mais os físicos acham que sim.

Antes cautelosos com a hipótese de multiverso, os cientistas agora estão mais inclinados a esta forma radical de pensar, em parte porque ela ajuda a explicar por que nosso universo é o único com os ingredientes físicos certos para tornar a vida possível.

Até agora, não encontramos nenhuma outra forma de vida em nenhum outro local que não a Terra. Pelo menos não no nosso universo.

A teoria do multiverso, se for verdadeira, pode sugerir que a vida é mais comum do que pensamos – ela pode existir também em outros universos.

O problema dessa hipótese, no entanto, é como testá-la.

Os defensores da ideia de multiverso devem mostrar que, entre os universos raros que sustentam a vida, o nosso é estatisticamente normal. A dose exata de energia do vácuo, a massa precisa do bóson de Higgs e outras anomalias devem ter chances altas de surgirem dentro do subgrupo de universos habitáveis.

Se as propriedades desse universo ainda parecerem atípicas mesmo no subconjunto habitável, então a explicação do multiverso é falha.

Mas o infinito sabota a análise estatística. Em um multiverso eternamente inflado, onde qualquer bolha (qualquer universo) pode se formar infinitamente, como medimos o que é “típico”?

Em um único universo, vacas nascidas com duas cabeças são mais raras do que vacas nascidas com uma cabeça. Mas, em um multiverso infinitamente ramificado, há um número infinito de vacas de duas cabeças e um número infinito de vacas com uma cabeça.

Como fica essa relação, então?

Durante anos, a incapacidade de calcular as razões de quantidades infinitas impediu a hipótese do multiverso de fazer predições testáveis sobre as propriedades deste universo múltiplo. Para a hipótese amadurecer em uma teoria da física de pleno direito, a questão da vaca de duas cabeças exige uma resposta.
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Matéria similar no R7
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E mais:
Um universo ou muitos? (Galileu)

O Universo pode ser mais velho do que parece

A estrela Matusalém mereceu os olhares do radiotelescópio ALMA já na sua inauguração.[Imagem: DSS/STScI/AURA/Palomar/Caltech/UKSTU/AAO]

Estrela mais velha que o Universo
(Inderscience/Inovação Tecnológica) Quando os astrônomos calcularam pela primeira vez a idade da estrela HD 140283, que fica a uns meros 190 anos-luz da Terra, na constelação de Libra, eles ficaram confusos.

Esta estrela rara parece ser tão antiga que foi rapidamente apelidada de estrela Matusalém.

É uma sub-gigante pobre em metais, com uma magnitude aparente de 7,223. A estrela é conhecida há cerca de um século como uma estrela de alta velocidade, mas a sua presença em nossa vizinhança solar e sua composição estavam em desacordo com as teorias.

Além disso, a HD 140283 não era apenas uma esquisitice do início do Universo, formada pouco tempo depois do Big Bang. Na verdade, ela parece ter 14,46 bilhões de anos de idade - o que a torna mais velha do que o próprio Universo, atualmente estimado em seus 13,817 bilhões de anos (idade estimada a partir da radiação cósmica de fundo de micro-ondas).

É claro que, em última análise, revelou-se que as margens de erro na estimativa da idade da estrela Matusalém são maiores do que a pesquisa original sugeriu - os astrônomos adicionaram uma margem de erro de 800 milhões de anos. As barras de erro podem torná-la muito mais jovem, o que faz com que esteja entre os objetos estelares mais antigos conhecidos no Universo, mas, certamente, dentro dos limites de tempo desde o Big Bang.

Mas, o que dizer desse igualmente possível limite superior de idade? Existe a possibilidade de que esta estrela possa de alguma forma ser tão antiga quanto as medidas originais sugeriram, mas ainda estar "deste lado do Big Bang"?

Modelo do Universo Irradiante
Birol Kilkis, da Universidade Baskent, na Turquia, acredita que sim.

Em 2004, Kilkis introduziu um novo modelo para o Universo - o Modelo do Universo Irradiante (RUM: Radiating Universe Model).

Este conceito intrigante sugere que a "exergia", a energia que está disponível para fazer o trabalho e o primeiro foco da teoria termodinâmica no século 19, flui desde o Big Bang para o que Kilkis chama de "dissipador térmico de tamanho infinito no zero absoluto" (0 Kelvin), muito, muito distante no futuro.

Usando seu modelo RUM, Kilkis calculou a idade do Universo em 14,885 ± 0,040 bilhões de anos, o que é ligeiramente mais velho do que a estimativa a partir das micro-ondas de fundo, mas acomoda facilmente a idade original da estrela HD 140283.

Curiosamente, a teoria de Kilkis dá um novo valor dinâmico para a constante de Hubble e sugere que a expansão do universo está se acelerando desde 4,4 bilhões de anos após o Big Bang, o que pode muito bem acomodar a noção de energia escura. Além disso, esse ritmo acelerado de expansão está ele próprio se desacelerando, o que pode ser explicado pela matéria escura.

Energia escura e matéria escura são, como já se discutiu amplamente, os fenômenos físicos polêmicos para os quais não temos absolutamente nenhuma explicação, mas temos indícios observacionais que sugerem que eles são reais. Além disso, a teoria RUM sugere que a constante de Planck não é uma constante pura, mas uma variável cosmológica, um ponto para o qual foi apresentado algum fundamento em 2013 por dois físicos indianos.

As chamadas "constantes fundamentais" da natureza costumam mudar de vez em quando, conforme as medições se tornam mais precisas. [Imagem: Julian Berengut/UNSW]

Para onde o Universo se expande
"A questão ainda sem resposta é para onde o Universo observável está se expandindo. Se o universo em expansão tem uma massa e um volume, qualquer que seja a sua forma, ele deve se expandir para outro meio", diz Kilkis.

Esse "meio" teria tamanho infinito e estaria no zero absoluto, agindo assim como um ralo térmico para o Universo, que seria uma fonte de radiação térmica dentro da pia.

Higgsogênese: novo modelo sobre o início do universo

(Phys.com/Hypescience) Recentemente, em função de um artigo publicado na revista “Physical Review Letters”, houve notícias sobre um novo modelo cosmológico conhecido como higgsogênese. O termo refere-se à primeira aparição das partículas de Higgs no início do universo, assim como a bariogênese se refere ao aparecimento de bárions (prótons e nêutrons) nos primeiros momentos após o Big Bang. Enquanto a bariogênese é um processo bem compreendido, a higgsogênese ainda é muito hipotética.

A Higgsogênese
Experimentalmente, nós temos observado o bóson de Higgs com uma massa cerca de 125 vezes maior do que a do próton. Atualmente, as evidências apontam para uma única partícula de Higgs, mas ainda são necessárias mais experiências para definir algumas de suas propriedades exatas.

Isto dá uma excelente abertura a teóricos. Depois de termos demonstrado a existência da partícula e conhecermos algumas das suas propriedades básicas, ainda precisamos definir outras, por isso, os teóricos podem brincar com diferentes alternativas para ver como elas afetam a cosmologia.

Neste artigo em particular, propõe-se que o Higgs tem uma antipartícula que se chama anti-Higgs. Partículas comuns como prótons e elétrons têm suas antipartículas (o antipróton e o pósitron).

Em partículas comuns, a matéria e a antimatéria aparecem em quantidades iguais. Este é realmente um grande mistério na cosmologia, porque vivemos em um universo dominado pela matéria. Não temos certeza de como essa assimetria entre matéria e antimatéria se apresentava no início do universo.

Para resolver este mistério, os autores propõem uma assimetria entre o Higgs e o anti-Higgs. Esta quebra de simetria, então, daria lugar à dominância da matéria em nosso universo atual. Eles também propõem que, conforme o universo esfriou, as partículas de Higgs poderiam ter decaído em partículas de matéria escura, dando origem à matéria escura no universo. Se esta última ideia for verdadeira, então o Higgs deve se deteriorar de maneira a indicar uma interação da matéria escura. A teoria é interessante, mas é muito especulativa.

Desde que o bóson de Higgs ganhou o prêmio Nobel no ano passado, vimos uma enxurrada de artigos na imprensa popular sobre várias teorias “revolucionárias” que o ligam à cosmologia primitiva. Todas elas ainda são especulativas e permanecerão assim por um bom tempo.

No momento, temos que explorar um monte de ideias para ver o que funciona e o que não funciona. Então, apertem seus cintos: os artigos da astrofísica de Higgs estão chegando.

É possível comprovar a aceleração do Universo?

Hipóteses não comprovadas
Depois dos questionamentos lançados sobre a inflação pós-Big Bang, agora é a vez de os astrofísicos tentarem se livrar dos incômodos ligados à aceleração cósmica.

O principal suporte observacional para a teoria da aceleração do Universo vem de dados coletados de supernovas.

Em 1998, astrônomos detectaram que algumas supernovas emitem uma luz fraca demais - portanto, estão mais distantes de nós do que seria esperado. Isso implica que o Universo está se acelerando, e não desacelerando, como as interações gravitacionais normais levavam a prever.

No entanto, esta conclusão pressupõe tanto a validade da relatividade geral de Einstein, quanto uma hipótese não comprovada - a de que o Universo seria homogêneo - a fim de derivar equações que relacionam a distância à velocidade e à luminosidade.

Três pesquisadores chineses afirmam agora que é possível escapar dessas indefinições usando radiotelescópios, que podem fornecer uma "observação mais direta" da aceleração do Universo medindo variações de velocidade em nuvens de hidrogênio intergalácticas.

Eles propõem algumas modificações na coleta de dados desses radiotelescópios, que seriam necessárias para alcançar uma medição da aceleração suficientemente precisa.

Medição direta da aceleração do Universo
(APS/Inovação Tecnológica) Hao-Ran Yu e seus colegas da Universidade Normal de Pequim e da Universidade de Toronto (Canadá), afirmam que é possível fazer uma medição direta da aceleração - se ela estiver mesmo ocorrendo - observando nuvens de hidrogênio muito densas.

Essas nuvens, situadas entre as galáxias, são detectadas porque absorvem emissões de rádio vindas de quasares situados por detrás delas em relação à Terra. A velocidade dessas nuvens pode ser então medida pela observação do desvio para o vermelho do hidrogênio em um comprimento de onda muito preciso, de 21 centímetros.

Como a linha de absorção de 21 centímetros é muito estreita em comparação com as linhas de emissão das galáxias, torna-se possível observar mudanças de velocidade muito pequenas.

Os pesquisadores lembram que rastreios já programados pelos radiotelescópios vão medir a velocidade de centenas de milhares de nuvens de hidrogênio.

Se esses rastreios receberem as adaptações propostas pelo trio, bem como tiverem um aumento na frequência observacional de cada nuvem, dizem os físicos chineses, então eles poderão detectar acelerações cosmicamente relevantes - de cerca de um milímetro por segundo por ano - em observações realizadas ao longo de uma década.

Se tudo isto for feito, e se a esperada aceleração for realmente detectada, então mais um dos fundamentos da cosmologia moderna poderá passar da incômoda classe de hipótese para a categoria dos fenômenos diretamente observados.