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Misterioso universo-fantasma

O mistério é resultado da possível existência da matéria escura e da energia escura no universo


Raul Abramo e Rogério Rosenfeld
Ciência Hoje

27/07/2009 | 07:00


A época atual é fascinante para a cosmologia. Se por um lado há informações detalhadas e precisas sobre a evolução do universo, por outro, 95% de sua composição é desconhecida dos físicos e astrônomos. O mistério é resultado da possível existência da matéria escura e da energia escura, necessária para explicar várias observações realizadas nos últimos anos. ambas impossíveis de serem detectadas diretamente mesmo pelos equipamentos mais modernos. Desvendar esse universo-fantasma é hoje um grande desafios para pesquisadores de todo o mundo.

Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953) demonstrou que o universo está em expansão. Poucos anos depois, outro astrônomo, o suíço Fritz Zwicky (1898-1974), notou que a quantidade de matéria observada em um aglomerado de galáxias era cerca de 400 vezes menor que aquela necessária para explicar a variação da velocidade com que essas galáxias se moviam. Zwicky concluiu que havia matéria que não brilhava e que, portanto, não era visível.

Observações posteriores confirmaram os estudos de Zwicky e mostraram que a velocidade de rotação das galáxias permanecia praticamente constante em todos os seus pontos, contrariando a teoria da gravitação (que diz que a velocidade de rotação de uma galáxia deve aumentar com seu raio para depois, com o afastamento de seu centro, decrescer acentuadamente) e indicando a presença de algum tipo de matéria formando um halo invisível ao redor delas.

A primeira hipótese levantada foi a de que esse halo seria formado pela mesma matéria que compõe o resto do universo, mas cujos átomos seriam frios e escuros, e por isso não emitiriam luz. Essa explicação está errada por duas razões. A primeira é simples: mesmo átomos frios podem absorver e reemitir luz e, portanto, não seriam totalmente escuros. Já a segunda esbarra em um fascinante capítulo da cosmologia.

Matéria escura - Uma das consequências do Big Bang (teoria que diz que o universo se formou em uma grande explosão) é que, em uma época muito remota, quando o universo tinha menos de um minuto de vida, a temperatura era tão alta que havia apenas uma sopa quentíssima de partículas como prótons e elétrons. À medida em que tudo foi se resfriando, os primeiros núcleos de átomos, principalmente de hidrogênio e hélio, puderam se formar. As quantidades de cada elemento produzido dependeriam de quanta matéria normal havia no momento em que seus núcleos se formaram.

O problema é que a teoria indica que só existia matéria suficiente para formar cerca de 4% do universo que vemos hoje. Dessa forma, a hipótese mais plausível passa a ser a de que todas as estruturas do universo são compostas por uma parte visível (estrelas, planetas e gás - cerca de 20% da massa total) e por outra parte invisível, composta de uma matéria escura (cerca de 80% da massa total) que não é feita de átomos normais, mas de alguma outra partícula elementar desconhecida.

Essa noção gerou décadas de controvérsias. Porém, em 2006, um grupo liderado por Douglas Clowe, do Observatório Steward, no Arizona (Estados Unidos), fez uma série de observações que praticamente enterrou todas as outras teorias.

O grupo observou o chamado aglomerado da Bala, resultado da lenta fusão de dois aglomerados de galáxias, e viu algo surpreendente. Enquanto a maior parte da matéria visível dos dois aglomerados ficou no meio do caminho, marcando o lugar da primeira colisão entre eles, a maior parte de suas massas originais (incluindo aquela formada pela matéria escura) foi detectada separada em duas partes, uma para cada lado do local da colisão. Essa conclusão foi possível porque os astrônomos mapearam a luz que passa através do conjunto dessas galáxias. Pelo desvio sofrido pelos raios luminosos, foi possível dizer exatamente onde estava a massa do aglomerado e quanto ela valia. Assim, puderam comprovar que a matéria escura está mesmo lá.

Energia escura - Como se um mistério apenas não bastasse, em 1998 astrônomos norte-americanos obtiveram um resultado curioso a partir de observações das chamadas supernovas do tipo Ia. 1A. O estudo dessas explosões estelares estrelas mostrou que há cerca de 5 bilhões de anos o universo começou a se expandir cada vez mais rápido, quando o esperado seria que ele estivesse desacelerando como resultado da atração gravitacional da matéria.

A resposta para esse novo enigma veio da teoria da relatividade geral, que prevê que uma substância com pressão negativa - sim, pressão negativa! - pode ter exatamente esse efeito repulsivo: a energia escura. Essa forma de energia, completamente desconhecida pela ciência, constitui 70% do universo e seu único efeito observado até hoje é a aceleração da expansão do universo.

Assim, a receita que temos para o universo até agora diz que ele é composto de 4% de átomos normais; 26% de uma partícula elementar ainda não descoberta (responsável pela matéria escura) e cerca de 70% de a energia escura, de origem ignorada. Instrumentos astronômicos, planejados ou já em atividade, testarão novos modelos da física para tentar resolver essa equação. Em particular, o Dark Energy Survey, que conta com a participação de cientistas brasileiros, entrará em operação até o final de 2011. Também deve-se mencionar que LHC, que deve começar a funcionar até o final desse ano no CERN, poderá produzir diretamente partículas de matéria escura. Uma revolução está em curso. E é certo que dela resultará um novo paradigma para as futuras gerações.

Raul Abramo, Universidade de São Paulo
Rogério Rosenfeld, Universidade Estadual Paulista Julio Mesquita Filho



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Misterioso universo-fantasma

O mistério é resultado da possível existência da matéria escura e da energia escura no universo

Raul Abramo e Rogério Rosenfeld
Ciência Hoje

27/07/2009 | 07:00


A época atual é fascinante para a cosmologia. Se por um lado há informações detalhadas e precisas sobre a evolução do universo, por outro, 95% de sua composição é desconhecida dos físicos e astrônomos. O mistério é resultado da possível existência da matéria escura e da energia escura, necessária para explicar várias observações realizadas nos últimos anos. ambas impossíveis de serem detectadas diretamente mesmo pelos equipamentos mais modernos. Desvendar esse universo-fantasma é hoje um grande desafios para pesquisadores de todo o mundo.

Em 1929, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953) demonstrou que o universo está em expansão. Poucos anos depois, outro astrônomo, o suíço Fritz Zwicky (1898-1974), notou que a quantidade de matéria observada em um aglomerado de galáxias era cerca de 400 vezes menor que aquela necessária para explicar a variação da velocidade com que essas galáxias se moviam. Zwicky concluiu que havia matéria que não brilhava e que, portanto, não era visível.

Observações posteriores confirmaram os estudos de Zwicky e mostraram que a velocidade de rotação das galáxias permanecia praticamente constante em todos os seus pontos, contrariando a teoria da gravitação (que diz que a velocidade de rotação de uma galáxia deve aumentar com seu raio para depois, com o afastamento de seu centro, decrescer acentuadamente) e indicando a presença de algum tipo de matéria formando um halo invisível ao redor delas.

A primeira hipótese levantada foi a de que esse halo seria formado pela mesma matéria que compõe o resto do universo, mas cujos átomos seriam frios e escuros, e por isso não emitiriam luz. Essa explicação está errada por duas razões. A primeira é simples: mesmo átomos frios podem absorver e reemitir luz e, portanto, não seriam totalmente escuros. Já a segunda esbarra em um fascinante capítulo da cosmologia.

Matéria escura - Uma das consequências do Big Bang (teoria que diz que o universo se formou em uma grande explosão) é que, em uma época muito remota, quando o universo tinha menos de um minuto de vida, a temperatura era tão alta que havia apenas uma sopa quentíssima de partículas como prótons e elétrons. À medida em que tudo foi se resfriando, os primeiros núcleos de átomos, principalmente de hidrogênio e hélio, puderam se formar. As quantidades de cada elemento produzido dependeriam de quanta matéria normal havia no momento em que seus núcleos se formaram.

O problema é que a teoria indica que só existia matéria suficiente para formar cerca de 4% do universo que vemos hoje. Dessa forma, a hipótese mais plausível passa a ser a de que todas as estruturas do universo são compostas por uma parte visível (estrelas, planetas e gás - cerca de 20% da massa total) e por outra parte invisível, composta de uma matéria escura (cerca de 80% da massa total) que não é feita de átomos normais, mas de alguma outra partícula elementar desconhecida.

Essa noção gerou décadas de controvérsias. Porém, em 2006, um grupo liderado por Douglas Clowe, do Observatório Steward, no Arizona (Estados Unidos), fez uma série de observações que praticamente enterrou todas as outras teorias.

O grupo observou o chamado aglomerado da Bala, resultado da lenta fusão de dois aglomerados de galáxias, e viu algo surpreendente. Enquanto a maior parte da matéria visível dos dois aglomerados ficou no meio do caminho, marcando o lugar da primeira colisão entre eles, a maior parte de suas massas originais (incluindo aquela formada pela matéria escura) foi detectada separada em duas partes, uma para cada lado do local da colisão. Essa conclusão foi possível porque os astrônomos mapearam a luz que passa através do conjunto dessas galáxias. Pelo desvio sofrido pelos raios luminosos, foi possível dizer exatamente onde estava a massa do aglomerado e quanto ela valia. Assim, puderam comprovar que a matéria escura está mesmo lá.

Energia escura - Como se um mistério apenas não bastasse, em 1998 astrônomos norte-americanos obtiveram um resultado curioso a partir de observações das chamadas supernovas do tipo Ia. 1A. O estudo dessas explosões estelares estrelas mostrou que há cerca de 5 bilhões de anos o universo começou a se expandir cada vez mais rápido, quando o esperado seria que ele estivesse desacelerando como resultado da atração gravitacional da matéria.

A resposta para esse novo enigma veio da teoria da relatividade geral, que prevê que uma substância com pressão negativa - sim, pressão negativa! - pode ter exatamente esse efeito repulsivo: a energia escura. Essa forma de energia, completamente desconhecida pela ciência, constitui 70% do universo e seu único efeito observado até hoje é a aceleração da expansão do universo.

Assim, a receita que temos para o universo até agora diz que ele é composto de 4% de átomos normais; 26% de uma partícula elementar ainda não descoberta (responsável pela matéria escura) e cerca de 70% de a energia escura, de origem ignorada. Instrumentos astronômicos, planejados ou já em atividade, testarão novos modelos da física para tentar resolver essa equação. Em particular, o Dark Energy Survey, que conta com a participação de cientistas brasileiros, entrará em operação até o final de 2011. Também deve-se mencionar que LHC, que deve começar a funcionar até o final desse ano no CERN, poderá produzir diretamente partículas de matéria escura. Uma revolução está em curso. E é certo que dela resultará um novo paradigma para as futuras gerações.

Raul Abramo, Universidade de São Paulo
Rogério Rosenfeld, Universidade Estadual Paulista Julio Mesquita Filho

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