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Ecos do passado

Rookie

Abri hoje um site de notícias brasileiro, esperando ler sobre o grande evento do dia. Estadão, Folha, Uol, nenhum deles tinha nem na parte de ciência qualquer informação sobre o grande acontecimento vindo do polo sul, e dos confins do universo.  O New York Times o registra, felizmente, colocando em destaque na página principal. O destaque não é completo, a notícia está abaixo de uma análise sobre Putin e abaixo da morte da namorada do Mick Jagger. Com todo respeito à família da Sra. Scott, e com o povo na Crimeia, essas notícias não estão em proporção.

Cientistas em um observatório no polo sul anunciaram a detecção de ondas gravitacionais. Quem teve aula de relatividade geral e atravessou a aula de ondas gravitacionais lembra do amargo na voz do professor quando esse anunciava que o assunto da aula do dia nunca havia sido detectado, que aquela aula não estava tão longe de se estudar a anatomia do Pé-grande, mas essa notícia não veio apenas para confirmar, mais uma vez, a teoria de Einstein. Se fosse apenas mais uma prova de que uma teoria de 99 anos está correta, não merecia tanto espaço. O que foi feito no polo sul, no entanto, merece o Nobel.

O impacto dessa descoberta precisa de uma historinha para ser entendido, e é uma história bem antiga. Aliás, é a mais antiga: no princípio, houve uma explosão. Ninguém sabe exatamente o que aconteceu entre o segundo zero e 10^{-34} segundos, mas os astrofísicos e cosmólogos têm muitas teorias que começam a valer a parte dessa marca dos 10^{-34}s. A melhor delas é a da inflação cósmica: o espaço-tempo expandiu de forma drasticamente acelerada e em seguida diminuiu a taxa de expansão. Essa teoria surgiu para explicar muita coisa estranha nesse nosso universo, muita gente tenta ajustar nessa teoria grandes questões não-explicadas, desde problemas na formação de galáxias à grande desproporção entre matéria e antimatéria no universo. Essa inflação deve ter causado muito alvoroço no universo, mas aconteceu em um passado tão remoto que muitos achavam impossível encontrar qualquer traço direto dela hoje. Muitos achavam, mas não todos.

Existe uma boa quantidade de radiação atingindo a terra que vem de um período muito antigo no universo. Essa radiação é como um barulho de aparelho eletrônico ligado em seu quarto, muito baixa, imperceptível, vindo de todos os lados. Recebemos essa radiação porque ela ainda está “chegando à Terra”, desde aquele período. A grande descoberta vinda do polo sul é sobre a polarização dessa luz. Eu comentei um pouco sobre polarização neste post sobre a luz, mas a ideia é que uma luz polarizada está oscilando em uma direção específica. A radiação cósmica de fundo está também oscilando em uma direção específica, dependendo de onde você a observa. O mapa de “direção de oscilação” é o que revela a natureza dessa descoberta, ele é algo assim:

Esse perfil na polarização da radiação cósmica de fundo é um resquício de uma época em que as ondas gravitacionais eram fortes o suficiente para deixar marcas nesse espectro. Ainda que elas atualmente sejam fracas demais para serem detectadas pelos instrumentos que temos, como se estivessem extintas, a imagem acima é o fóssil da inflação, como um inseto preservado em seiva de árvore que vem nos contar de um tempo em que o universo era jovem e cheio de problemas.

Para ser claro, não foram detectadas exata e diretamente ondas gravitacionais, e há gente séria trabalhando nisso, assim como nunca encontramos um dinossauro. Mas os ecos dessas ondas foram descobertos, e o escrutínio da comunidade científica será intenso para confirmar se as tais ondas são de fato a única, ou a melhor, explicação para esse quadro lindo de azuis e vermelhos que observamos na imagem acima.

A manchete no jornal deveria ser: primatas em um pedaço de rocha flutuando em torno de uma estrela mediana contemplam de relance informações sobre a origem de todo o universo. Formas de vida à base de carbono, usando giz, lousa e instrumentos fabricados na rocha, são capazes de deduzir detalhes sobre explosões de escala cósmica, sobre a formação das bilhões de bilhões de estrelas, das bilhões de galáxias, revelando um pouco mais sobre nossa relação com o cosmos, nosso lugar nele, nossas origens e nosso destino.

Bolhas de Hubble

Rookie

Ano passado, publiquei um post sobre a expansão do universo. É um assunto fascinante que me impressiona duplamente: primeiro porque é interessante saber que o universo está se expandindo e que não sabemos exatamente o que acontecerá com ele, segundo porque conseguimos, flutuando em uma pedra ínfima que gira em torno de um estrela pequena isolados em um canto qualquer do universo, usando apenas a razão, sondar os mistérios da origem e fim de tudo o que existe. Temos como normal o fato de sabermos coisas como o Big Bang, ou a expansão do universo; ainda que isso seja o equivalente a uma civilização que mora em um grão de areia na Terra ser capaz de entender geopolítica e relações internacionais.

Semana passada tive o privilégio de trombar com um artigo na Physical Review Letters sobre teorias atuais da expansão do universo. Como físico, é meu trabalho estar em dia com essas coisas, ainda que estejam muito distantes de minha área. O artigo desbanca uma possível solução para o famoso problema dos 9%, encerrando uma discussão de duas décadas, abrindo caminho para, quem sabe, nova física e uma nova concepção do universo. Para entender o que aconteceu, precisamos entender esses 9%.

O universo está se expandindo, é verdade, mas resta saber quanto. Podemos medir esse valor de duas maneiras diferentes: ou perguntando aos vizinhos, ou tirando fotos de vários cantos do universo e tirando a média dessas fotos. O primeiro método consiste em medir a expansão de objetos em torno da terra (em torno eu digo perto de nossa galáxia, não Marte ou Júpiter), você observa, vê o quanto eles estão se afastando, e tira um valor disso. O segundo consiste em estudar a radiação cósmica de fundo, que são ondas eletromagnéticas chegando de todos os cantos do universo e atingem a Terra. Isso seria o equivalente a tirar uma foto em baixa resolução de todo o universo, com isso podemos obter a média da expansão. Eis o problema, esses métodos produzem valores bem diferentes.

O que medimos não é a aceleração propriamente dita. Por razões relativísticas, falar de aceleração de algo em metros por segundo ao quadrado não faz tanto sentido quanto você gostaria. Medimos o chamado parâmetro de Hubble, um H_0, que tudo tem a ver com o \Omega de meu post anterior. Esse H_0 define a expansão do universo. No primeiro método, temos que H_0=73,8\pm 2,4 km/(s.Mpc), essa é a unidade do H_0. No segundo método, temos H_0=67,80\pm 0,77 km/(s.Mpc). É fácil ver que esses valores são incompatíveis, e isso é um problema.

Um leitor pode argumentar que essa diferença nem é tão grande, apenas 9%, afinal, estamos falando de cosmologia, erros de 20% são quase certeza absoluta. Com um pouco mais de integridade intelectual, podemos nos convencer de que esse é um problema grave; se a constante de Hubble valesse, por exemplo, R$3,00, a diferença seria de mais de vinte centavos. Mas a questão está longe de ser vinte centavos, é algo mais profundo, algo acontece para causar essa diferença e não sabemos o que é.

A teoria mais interessante para explicar essa diferença era a chamada Hubble Bubble, a bolha de Hubble. Ela começava se perguntando: por que nosso parâmetro de Hubble H_0 haveria de ser igual ao da média do universo? E se estivermos em uma região particularmente pouco densa, como que por acaso caímos nela na criação do universo, o que isso teria de estranho? Não que ocupemos uma posição privilegiada no universo, mas um fruto do acaso e das flutuações estatísticas pode ter feito com que tenhamos surgido em uma região pouco densa do universo. Isso seria tão estranho quanto alguém nascido em Cândido Mota achar que a geografia está errada porque a média de tamanho de cidades em São Paulo é muito maior que o da sua cidade.

Uma Hubble Bubble seria uma região do universo com uma densidade não convencional. A seguir, fotos de duas Hubble Bubbles:

Hubble_Bubble_2

O artigo da semana passada, no entanto, derruba a teoria. Ele prova que as alterações típicas de densidade do universo são capazes de explicar no máximo 3% na diferença do valor, sendo uma variação de 9% algo extremamente raro, que nos colocaria de fato em uma posição privilegiada no universo.

A cosmologia sempre fica mais interessante quando teorias caem e não sabemos o que está acontecendo. Se a bolha de Hubble não é capaz de explicar a variação na aceleração do universo, fica aberta a porta da nova física, do inesperado, para salvar nosso modelo, ou para destruí-lo completamente com uma descoberta revolucionária. Ou teremos variações de densidades não previstas pela teoria atual da cosmologia, ou descobriremos defeitos fundamentais na medição de grandezas astronômicas, ou algo muito, muito estranho está acontecendo nessa galáxia.

Uma resposta expansiva

Rookie

Em algum momento do ano passado, recebi um email extremamente curioso. Um amigo de infância, que não via havia quase oito anos, mandou-me uma mensagem perguntando como eu estava, o que fazia, disse que havia terminado sua faculdade e, com a devida introdução, perguntou-me se o universo estava se expandindo ou se contraindo. Fascinado com a pergunta, por ser uma das mais interessantes da cosmologia, teci uma resposta, que reproduzo no post de hoje.

“Você me fez uma pergunta difícil, não espere uma resposta simples. Também não espere uma aula ou livro texto, essa não é minha especialidade e eu vou escrever as coisas divertidas que sei de cabeça sobre esse assunto. Você me perguntou um tema polêmico de astrofísica, e deu sorte, porque ele nem é tão especulativo assim. Há muita viagem sobre muita coisa na astrofísica e na cosmologia, essa não é uma dos piores, é, inclusive, uma das mais legais. E para você entender o que vou tentar explicar, preciso te contar um pouco sobre alguns assuntos necessários para entender o debate na física sobre a teoria do multiverso, big crunch, entre outras.

A astrofísica e a cosmologia têm uma grande questão em debate: a curvatura do espaço-tempo. Esse tema é menos viagem do que parece, é um termo matemático bem preciso e pode ser medido na nossa realidade. Vou dar um exemplo do que estou falando. Imagine-se uma formiga vivendo na terra. Você é muito pequeno, não tem a menor noção do que é a dimensão “altura”, para você existe apenas norte, sul, leste e oeste. Nesse seu universo, toda a geometria que você aprendeu no colégio funciona: duas paralelas não se encontram, a soma dos ângulos de um triângulo é sempre 180°, o quadrado da hipotenusa é a soma dos quadrados dos catetos, tudo funciona direitinho. Mas um dia, você estando no equador, decide viajar ao polo norte. Você vai, alcança-o e, lá chegando, decide virar 90°. Você desce e, em um momento, chega ao equador novamente. Nele, decide virar novamente 90°, seguindo a linha até atingir seu ponto inicial. Suponha que você tenha feito isso com um lápis nos pés, desenhando uma linha conforme andava. Você virou duas vezes e atingiu seu ponto de partida, isso implica que você, com o lápis, desenhou uma figura de três lados: um triângulo. No entanto, você nota que seu ângulo de chegada é de 90°, e você fez duas outras curvas de 90°, ora, a soma dos ângulos internos desse triângulo é de 270°! Coloquei uma figura para facilitar sua vida nessa viagem pelo planeta com o lápis.

O que há de errado, afinal? Estaria sua geometria errada? Não, a geometria que você conhece funciona muito bem para suas duas dimensões planas, mas você começa a notar os efeitos de o que chamamos de distorção na geometria. Note que não estamos falando da terceira dimensão, porque a formiga nem consegue imaginar o que é isso e ainda assim consegue medir os efeitos da distorção da sua geometria. Ela não mora em um plano, mas em um espaço que possui o que definimos, na matemática, como curvatura positiva. Uma curvatura negativa seria se ela morasse em um grande vale, nesse caso seus triângulos teriam a soma dos ângulos internos menor que 180°.

A física descobriu que esse pensamento todo não é uma frescura matemática. A presença de um corpo de grande massa, como uma estrela, é capaz de alterar a curvatura do espaço a sua volta, a presença de matéria afeta o espaço e até a maneira como o tempo passa a sua volta, é bem impressionante e matematicamente preciso, podemos calcular com exatidão o quanto o espaço é curvo e o quanto os relógios passam mais devagar perto de um corpo de grande massa. Na verdade, se o que queremos é precisão, até a massa da terra afeta os relógios. Não por menos, o GPS precisa fazer correções pela distorção do espaço tempo pela massa da terra para manter uma precisão razoável, sem elas ele erraria cinco metros a cada segundo.

E nós podemos pensar no que é chamada de curvatura global do universo. Já descobrimos que o universo está se expandindo, ou seja, que as galáxias estão se afastando mais e mais umas das outras. Sabemos também que essa expansão é acelerada, conseguimos até dizer o quanto (ainda que seja um mistério o que está causando essa aceleração). No entanto, não sabemos se essa aceleração está aumentando ou diminuindo, se o universo vai se expandir indefinidamente ou se a aceleração está diminuindo para dar espaço a uma contração que faria o universo voltar pouco a pouco ao que era antes, colapsando em um inverso do Big Bang. O que poderia nos dizer isso? A curvatura do espaço.

Há uma relação íntima entre a taxa de aceleração do universo e essa curvatura dele. Se descobríssemos se a curvatura é positiva ou negativa, saberíamos o futuro do universo; pois o mesmo mecanismo que causa a expansão do universo causa sua curvatura e, medindo um, poderíamos pedir o outro. O problema é que não conseguimos medir isso com exatidão. Aliás, até conseguimos, mas o valor que obtemos para a curvatura não é conclusivo. Há um parâmetro chamado \Omega que, se maior que 1, teríamos um universo de curvatura positiva, se menor que 1, teríamos um de curvatura negativa. O valor que medimos atualmente (da última vez que vi esse valor, deve ter mudado agora) é \Omega = 1,0002\pm 0,0003, ou seja, tanto um valor maior que 1 quanto um valor menor que 1 estão dentro do erro experimental da medida. Não conseguimos decidir, e isso nos incomoda bastante!

Coloquei um gráfico que parece difícil, mas não é. Ele mostra como seria o destino dos possíveis universos segundo a curvatura deles. Note que quando a curvatura é positiva, o \Omega é maior que 1, então a distância entre as galáxias, depois de um tempo, começaria a diminuir e, invariavelmente, tudo voltaria ao ponto central do Big Bang. Se a curvatura é positiva, a expansão seria indefinidamente acelerada.

E se \Omega = 1? Para entender o motivo de isso não ser tão razoável, precisamos entender o que é esse valor. Não apenas ele mede a curvatura do espaço, ele é também um indicador da densidade do espaço. Existe um valor, chamado densidade crítica, que define o comportamento do futuro do universo: se nosso universo é mais denso que essa densidade crítica, então  \Omega >1, se é menos, \Omega <1. Ora, dizer que é exatamente igual a 1 é dizer que a densidade do universo é ajustada como que por mágica para ser exatamente essa densidade crítica, isso não é razoável.

E sabemos que, por mais perto de 1 que esse \Omega esteja, se ele for maior que 1, no longo prazo isso levaria a uma desaceleração da expansão e a uma contração. Ainda, por outras evidências, a melhor hipótese é a da expansão ilimitada.

Então, como resposta, tenho isso: não sabemos completamente. Inferimos, medidos e ficamos maravilhados com essa relação entre geometria, futuro e densidade do universo, mas ainda não podemos determinar com exatidão seu futuro. E essa é nossa missão como físicos: descobrir o destino último do universo, tendo apenas um planeta, nossos sentidos e nossa razão.”