11 avanços científicos que nos presentearam com um universo inteiro

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Créditos: NASA

Por Ethan Siegel
Publicado na Forbes

A visão do SDSS em infravermelho - com o APOGEE - da Via Láctea, apontada em direção ao seu centro. Há 100 anos, essa era a nossa concepção de todo o universo. (Crédito: Sloan Digital Sky Survey)
A visão do SDSS em infravermelho – com o APOGEE – da Via Láctea, apontada em direção ao seu centro. Há 100 anos, essa era a nossa concepção de todo o universo. (Crédito: Sloan Digital Sky Survey)

Nossa concepção do Universo, há 100 anos, era muito diferente do que é hoje. As estrelas dentro da Via Láctea eram conhecidas, estando a milhares de anos-luz de distância, mas nada foi pensado para irmos mais longe. Supunha-se que o Universo era estático e que as formas espirais e elípticas no céu eram objetos dentro da nossa própria galáxia. A gravidade de Newton ainda não havia dado espaço para a nova teoria de Einstein e ideias científicas como o Big Bang, matéria escura e energia escura ainda não haviam sido pensadas. Mas durante cada década, grandes avanços foram feitos até os dias atuais. Aqui está um destaque de como cada uma delas atualizaram nossa compreensão científica do Universo.

Os resultados da expedição de Eddington, em 1919, mostraram, conclusivamente, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia com êxito o desvio da luz das estrelas em torno de objetos maciços, derrubando a concepção newtoniana. (Fonte: The Illustrated London News, 1919)
Os resultados da expedição de Eddington, em 1919, mostraram, conclusivamente, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia com êxito o desvio da luz das estrelas em torno de objetos maciços, derrubando a concepção newtoniana. (Fonte: The Illustrated London News, 1919)

Década de 1910 – é confirmada a teoria de Einstein! A Relatividade Geral foi famosa por conseguir explicar o que a gravidade de Newton não conseguia: a precessão da órbita de Mercúrio ao redor do Sol. Não é suficiente para uma teoria científica explicar algo que já observamos; ela precisa fazer uma previsão sobre algo que ainda não foi observado. Embora tenha havido muitas previsões ao longo do século passado – dilatação temporal gravitacional, lentes fortes e fracas, arrasto de referenciais, desvio gravitacional para o vermelho, etc. – a primeira foi o desvio da luz das estrelas durante um eclipse solar total, observado por Eddington e seus colaboradores em 1919. As medições do desvio da luz das estrelas em torno do Sol foram consistentes com Einstein e inconsistentes com Newton. Assim, a nossa visão do Universo mudaria para sempre.

A descoberta do Hubble de uma Cefeida da galáxia Andrômeda (M31) aumentava nosso campo de visão para o Universo (Crédito na imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e equipe do Hubble Heritage)
A descoberta do Hubble de uma Cefeida da galáxia Andrômeda (M31) aumentava nosso campo de visão para o Universo (Crédito na imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e equipe do Hubble Heritage)

Década de 1920 – Ainda não sabíamos que existia um Universo além da Via Láctea, mas tudo mudou na década de 1920 com o trabalho de Edwin Hubble. Ao observar algumas nebulosas espirais no céu, ele conseguiu identificar estrelas individuais e variáveis do mesmo tipo que eram encontradas na Via Láctea. Mais havia um porém: o brilho delas era tão baixo que elas teriam que estar a milhões de anos-luz de distância, ou seja, longe da extensão da nossa galáxia. Hubble não parou por aí; mediu a velocidade de recessão e as distâncias de mais de uma dúzia de galáxias, descobrindo o Universo vasto e em expansão que conhecemos hoje.

As duas galáxias brilhantes e grandes no centro do superaglomerado de Coma, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (à direita); cada uma com mais de um milhão de anos-luz de dimensão. Mas as galáxias ao redor, que se deslocam rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. (Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona)
As duas galáxias brilhantes e grandes no centro do superaglomerado de Coma, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (à direita); cada uma com mais de um milhão de anos-luz de dimensão. Mas as galáxias ao redor, que se deslocam rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. (Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona)

Década de 1930 – Por muito tempo, os cientistas pensavam que se você pudesse medir toda a massa contida nas estrelas, e talvez adicionar o gás e a poeira, você explicaria toda a matéria no Universo. No entanto, observando as galáxias dentro de um denso aglomerado (como o Superaglomerado de Coma acima), Fritz Zwicky mostrou que as estrelas e o que conhecemos como “matéria normal” (ou seja, átomos) eram insuficientes para explicar os movimentos internos desses aglomerados. Ele apelidou dessa matéria nova de dunkle materie, ou matéria escura; uma observação que foi amplamente ignorada até a década de 1970, quando a matéria normal foi melhor compreendida, e a matéria escura mostrou existir em grande abundância em galáxias individuais e rotativas. Agora sabemos que ela supera a matéria normal em quantidade no universo numa proporção de 5/1.

A linha de tempo do nosso universo observável, onde a porção observável se expande para tamanhos maiores e maiores à medida que avançamos no tempo distante do Big Bang. (Crédito: NASA / WMAP com tradução de Caio Cavalcante)
A linha de tempo do nosso universo observável, onde a porção observável se expande para tamanhos maiores e maiores à medida que avançamos no tempo distante do Big Bang. (Crédito: NASA / WMAP com tradução de Caio Cavalcante)

Década de 1940 – Enquanto a grande maioria dos recursos experimentais e observacionais foi destinada para satélites espiões, construção e operação de foguetes e o desenvolvimento de tecnologia nuclear, os físicos teóricos ainda estavam trabalhando duro. Em 1945, George Gamow fez a extrapolação final do Universo em expansão: se o Universo está se expandindo e resfriando hoje, então deve ter sido mais quente e mais denso no passado. Voltando no tempo, deve ter havido um momento em que era tão quente e denso que os átomos neutros não poderiam se formar e, antes disso, uma época onde os núcleos atômicos não podiam se formar também. Se isso fosse verdade, então, antes que as estrelas já se formassem, a composição do jovem Universo deveria ter uma abundância de elementos mais leves e deveria haver um resto de luz viajando em todas as direções a apenas alguns graus acima do zero absoluto hoje. Este esquema é hoje conhecido como o Big Bang e foi a maior ideia originada na década de 1940.

Esta divisão mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, onde ocorre a fusão nuclear. O processo de fusão, em estrelas parecidas com o Sol, bem como seus primos mais massivos, é o que nos permite construir os elementos pesados presentes em todo o Universo hoje. (Crédito: usuário do Wikimedia Commons do Kelvinsong)
Esta divisão mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, onde ocorre a fusão nuclear. O processo de fusão, em estrelas parecidas com o Sol, bem como seus primos mais massivos, é o que nos permite construir os elementos pesados presentes em todo o Universo hoje. (Crédito: usuário do Wikimedia Commons do Kelvinsong)

Década de 1950 – Mas uma ideia concorrente para o Big Bang foi o modelo do estado estacionário, apresentado por Fred Hoyle e outros na mesma época. Surpreendentemente, os dois lados argumentaram que os elementos mais pesados ​​presentes na Terra hoje foram formados na fase inicial do Universo. O que Hoyle e seus colaboradores propuseram era que eles não surgiram num estágio inicial, quente e denso, mas sim em gerações anteriores de estrelas. Hoyle, juntamente com seus colaboradores Willie Fowler e Geoffrey e Margaret Burbidge, detalhou exatamente como os elementos que formam a tabela periódica seriam construídos por meio da fusão nuclear que ocorre nas estrelas. Mais espetacularmente, eles previam a fusão do hélio em carbono através de um processo nunca antes observado: o processo triplo-alfa, implicando na existência de um novo estado do carbono. Esse estado foi descoberto por Fowler alguns anos depois que foi proposto por Hoyle, e é hoje conhecido como o estado de Hoyle. Com isso, aprendemos que todos os elementos pesados ​​existentes na Terra hoje devem sua origem a todas as gerações anteriores de estrelas.

Se pudéssemos ver a luz das micro-ondas, o céu noturno ficaria como um oval verde a uma temperatura de 2,7 K, com o "ruído" no centro atribuído ao passado mais quente do universo. Essa radiação uniforme, com um espectro de corpo negro, é evidência do brilho restante do Big Bang: o fundo em micro-ondas cósmicas. (Créditos: equipe NASA / WMAP)
Se pudéssemos ver a luz das micro-ondas, o céu noturno ficaria como um oval verde a uma temperatura de 2,7 K, com o “ruído” no centro atribuído ao passado mais quente do universo. Essa radiação uniforme, com um espectro de corpo negro, é evidência do brilho restante do Big Bang: o fundo em micro-ondas cósmicas. (Créditos: equipe NASA / WMAP)

Década de 1960 – Após cerca de 20 anos de debate, descobriu-se a observação-chave que decidiria a história do universo: a descoberta do brilho deixado pelo Big Bang ou do fundo em micro-ondas. Esta uniformidade, um espectro com temperatura de 2,725 kelvin, foi descoberta em 1965 por Arno Penzias e Bob Wilson; sendo que nenhum deles tinha noção do que haviam descoberto no início. No entanto, ao longo dos anos, o espectro de corpo negro desta radiação e até mesmo as suas flutuações foram medidas, mostrando-nos que o Universo começou com um “estrondo”, afinal.

As primeiras etapas do Universo, antes do Big Bang, são as que configuram as condições iniciais para a evolução de tudo que vemos hoje. Esta foi a grande ideia de Alan Guth: a inflação cósmica. (Créditos: E. Siegel, com imagens da ESA/Planck e DoE/NASA/ NSF; tradução de Caio Cavalcante)
As primeiras etapas do Universo, antes do Big Bang, são as que configuram as condições iniciais para a evolução de tudo que vemos hoje. Esta foi a grande ideia de Alan Guth: a inflação cósmica. (Créditos: E. Siegel, com imagens da ESA/Planck e DoE/NASA/ NSF; tradução de Caio Cavalcante)

Década de 1970 – No final de 1979, um jovem cientista teve uma ideia valiosa. Alan Guth, procurando uma maneira de resolver alguns dos problemas inexplicados do Big Bang – “por que o Universo era tão espacialmente plano?”, “porque era a mesma temperatura em todas as direções?” e “por que não havia restos de energia ultra-alta?” – trouxe ao mundo uma ideia conhecida como inflação cósmica. Ela diz que antes que o Universo existisse em um estado quente e denso, estava em um estado de expansão exponencial, onde toda a energia estava ligada ao tecido do próprio espaço. Precisou de uma série de atualizações nas ideias iniciais de Guth para criar a teoria moderna da inflação, mas observações subsequentes – incluindo as flutuações no fundo em micro-ondas, a estrutura em larga escala do Universo e o modo em que as galáxias se agrupam e formam – reivindicaram as previsões da inflação cósmica. Não só o nosso Universo começou com um estrondo, mas houve um estado que existia antes do Big Bang ter ocorrido.

O remanescente da supernova 1987a, localizado na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos. (Créditos: Noel Carboni & NASA/ESO/ESA)
O remanescente da supernova 1987a, localizado na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos. (Créditos: Noel Carboni & NASA/ESO/ESA)

Década de 1980 – Pode não parecer muito, mas em 1987, a supernova mais próxima da Terra tinha ocorrido 100 anos atrás. Foi também a primeira supernova a ocorrer quando tivemos detectores capazes de encontrar neutrinos desses eventos! Embora tenhamos visto muitas supernovas em outras galáxias, nunca antes havia ocorrido tão perto para que o neutrinos pudessem ser observados. Esses 20 ou mais neutrinos marcaram o início da astronomia de neutrinos e os desenvolvimentos subsequentes levariam a descoberta de oscilações de neutrinos, massas de neutrinos e neutrinos de supernovas que ocorrem a mais de um milhão de anos-luz de distância. Se os detectores atuais no local ainda estiverem operacionais, a próxima supernova dentro da nossa galáxia terá mais de cem mil neutrinos detectados a partir dele.

Os quatro possíveis destinos do Universo, com o último exemplo se encaixando melhor nos dados: um Universo com energia escura. Isso foi descoberto primeiramente com a observação de supernovas distantes. (Créditos: E. Siegel / Beyond The Galaxy)
Os quatro possíveis destinos do Universo, com o último exemplo se encaixando melhor nos dados: um Universo com energia escura. Isso foi descoberto primeiramente com a observação de supernovas distantes. (Créditos: E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Década de 1990 — Se você achava que a matéria escura e o descobrimento do início do Universo foi algo importante, então você deve imaginar o quão chocante foi descobrir, em 1998, como o Universo iria acabar! Historicamente, nós imaginamos três destinos possíveis:

  • Que a expansão do Universo seria insuficiente para superar a atração gravitacional de tudo, e o Universo iria colapsar novamente em um Big Crunch.
  • Que a expansão do Universo seria grandiosa demais para a gravitação combinada de tudo, e tudo no Universo iria afastar-se, resultando em um Big Freeze.
  • Ou que estaríamos bem no limite entre esses dois casos, e a taxa de expansão tenderia ao zero mas nunca o alcançaria: um Universo Crítico.

Ao invés disso, no entanto, supernovas distantes indicaram que a expansão do Universo estava acelerando, e com o passar do tempo, galáxias distantes se distanciam umas das outras cada vez mais rápido. Não só o Universo vai congelar, como todas as galáxias que não estão interligadas eventualmente irão desaparecer além do nosso horizonte cósmico.. Além das outras galáxias em nosso grupo local, nenhuma outra galáxia jamais vai se encontrar com nossa Via Láctea, e nosso destino, de fato, vai ser frio e solitário. Em 100 bilhões de anos, nós não iremos conseguir ver nenhuma outra galáxia além da nossa.

As flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas foram medidas com precisão pela primeira vez nos anos 90 pela COBE, e então mais precisamente ainda pela WMAP nos anos 2000 e pela Planck (acima) nos anos 2010. Essa imagem contém uma quantidade enorme de informação sobre o Universo primitivo. (Créditos: ESA e a Planck Collaboration)
As flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas foram medidas com precisão pela primeira vez nos anos 90 pela COBE, e então mais precisamente ainda pela WMAP nos anos 2000 e pela Planck (acima) nos anos 2010. Essa imagem contém uma quantidade enorme de informação sobre o Universo primitivo. (Créditos: ESA e a Planck Collaboration)

Década de 2000 — A descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas não parou em 1965, e nossas medições das flutuações (ou imperfeições) no brilho restante do Big Bang nos ensinou algo fenomenal: exatamente do quê o Universo era feito. Dados da COBE foram superados pelos da WMAP, que por sua vez foram melhorados pela Planck. Além disso, dados de estruturas em larga escala obtidos de pesquisas em galáxias grandes (como a 2dF e a SDSS) e dados de supernovas foram combinados para nos dar a imagem moderna do Universo:

  • 0.01% radiação na forma de fótons,
  • 0.1% neutrinos, que contribuem um pouco para os halos gravitacionais que envolvem galáxias e aglomerados,
  • 4.9% matéria normal, que inclui tudo feito de partículas atômicas,
  • 27% matéria escura, ou as partículas misteriosas e não-interativas (exceto gravitacionalmente) que dão ao Universo a estrutura que observamos,
  • e 68% energia escura, que é inerente ao próprio espaço.
Os sistemas Kepler-186, Kepler-452 e nosso Sistema Solar. Apesar de um planeta em volta de uma estrela anã-vermelha como Kepler-186 seja interessante por si só, Kepler-452b pode ser bem mais parecido com a Terra de várias maneiras. (Créditos: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt)
Os sistemas Kepler-186, Kepler-452 e nosso Sistema Solar. Apesar de um planeta em volta de uma estrela anã-vermelha como Kepler-186 seja interessante por si só, Kepler-452b pode ser bem mais parecido com a Terra de várias maneiras. (Créditos: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt)

Década de 2010 — A década ainda não acabou, mas até agora já descobrimos nossos primeiros planetas potencialmente habitáveis parecidos com a Terra, além de outros milhares de novos exoplanetas descobertos pela missão Kepler da NASA, além de outros. Ainda assim, talvez essa nem seja a maior descoberta da década, pois a detecção direta de ondas gravitacionais pelo LIGO confirma a imagem que Einstein criou da gravidade em 1915. Mais de um século após do início da competição da teoria de Einstein com a de Newton para ver quais eram as regras gravitacionais do Universo, a Relatividade Geral passou em todos os testes que foi submetida, com sucesso até pelas maiores complexidades já medidas ou observadas.

Ilustração de dois buracos-negros unindo-se, de massa comparável ao que o LIGO viu. Espera-se que haja muito pouca obstrução no caminho do sinal eletromagnético emitido de tamanha fusão, mas a presença de matéria extremamente quente ao redor desses objetos pode mudar isso. (Créditos: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes: http://www.black-holes.org)
Ilustração de dois buracos-negros unindo-se, de massa comparável ao que o LIGO viu. Espera-se que haja muito pouca obstrução no caminho do sinal eletromagnético emitido de tamanha fusão, mas a presença de matéria extremamente quente ao redor desses objetos pode mudar isso. (Créditos: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes: http://www.black-holes.org)

A história da ciência ainda não acabou, pois ainda há muito mais no Universo a ser descoberto. Ainda assim, esses 11 passos nos levaram de um Universo de idade desconhecida, não maior que nossa própria galáxia, feito principalmente de estrelas, para um Universo em expansão e resfriando-se, constituído de matéria escura, energia escura, e nossa própria matéria normal, repleto de planetas habitáveis e com 13.8 bilhões de anos de idade, originado em um Big Bang e montado pela inflação cósmica Nós sabemos a origem do nosso Universo, seu destino, com o que ele se parece hoje, e como ele se tornou assim. Que os próximos 100 anos tragam tantos avanços científicos, revoluções e surpresas para todos nós

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