Destino do Universo

Eventos previsíveis como colisões de galáxias dominarão o futuro próximo. Mas o destino final do Universo, dependerá se a energia escura continuará a acelerar a expansão cósmica. Num cenário amplo, quatro destinos são possíveis:

• A aceleração cessa e o Universo se expande eternamente: as últimas estrelas morrem.

• A aceleração continua: a aceleração cósmica empurrará todas as outras galáxias para fora do nosso campo de visão; todas as evidências do Big Bang serão perdidas.

• A aceleração se intensifica: o Big Rip - a energia escura vai rasgar todas as estruturas, desde os aglomerados de galáxias até os átomos.

• A aceleração se altera para uma rápida desaceleração e colapsa: o Big Crunch - talvez seja seguido por um novo Big Bang, em um eterno ciclo.

Referências Bibliográficas:

TURNER, M. S. Origem do Universo, Scientific American, São Paulo, Ano 8, nº89, p. 28, Outubro, 2009

O Que Havia Antes do Big Bang?

Os cosmólogos não sabem ainda como o Universo começou, mas essa questão agora tornou-se de vital importância para a Ciência, com vários cenários especulativos sendo discutidos.

• Sem eras anteriores: matéria, energia, espaço e tempo começam abruptamente com o Big Bang.

• Emergência quântica: o espaço e o tempo normais desenvolveram-se a partir de um estado primordial, descrito pela teoria da gravidade quântica.

• Multiverso: nosso Universo e outros surgiram do espaço eterno.

• Universo cíclico: O Big Bang é o último estágio de um eterno ciclo de expansão, colapso e nova expansão.

Referências Bibliográficas:

TURNER, M. S. Origem do Universo, Scientific American, São Paulo, Ano 8, nº89, p. 25, Outubro, 2009

Energia Escura

As medições da relação magnitude-redshift de supernovas do tipo Ia, mostraram que o Universo está em expansão acelerada. Para explicar isso, a teoria da Relatividade Geral exige que grande parte da energia no Universo seja uma componente que se comportaria como uma "antigravidade": a energia escura.

A energia escura possui como propriedade a pressão negativa, mas sua natureza exata permanece desconhecida. Os principais candidatos incluem: a constante cosmológica e a quintessência.

A constante cosmológica foi introduzida inicialmente por Einstein, em suas equações relativísticas, para que sua teoria fosse compatível com a ideia de um universo estacionário. Mas, depois, descobriu-se que estava em expansão, e ele considerou o maior erro de sua vida. No entanto, os físicos resgataram esse conceito como proposta de energia escura.

A quintessência faz uma referência ao quinto elemento, o éter, que segundo os filósofos gregos estaria em todo o Universo. A diferença entre a constante cosmológica e a quintessência é que a constante cosmológica, como o próprio nome já diz, funcionaria como uma constante e a quintessência seria um campo que poderia variar tanto no espaço como no tempo.

Referências Bibliográficas:

VEIGA, C. H. Cosmologia: da Origem ao Fim do Universo, Módulo 9, Observatório Nacional, 2015

ZABOT, A. M. Astrofísica Geral, Módulo 5, Tema 23: Questões Cosmológicas e Tema 24: Cosmologia Observacional, Universidade Federal de Santa Catarina, 2018

STEINER, J. E. Astronomia: Uma Visão Geral II, Aula 21 - Energia Escura, Universidade de São Paulo, 2013

Matéria Escura

Os astrônomos, ao constatarem que a força gravitacional que mantém os corpos celestes unidos é bem maior do que a gerada pela matéria visível, postularam a existência da matéria escura.

Na verdade, a matéria comum que deu origem às estrelas, planetas e ao gás interestelar é apenas uma pequena fração de toda a matéria existente no Universo. O restante é composto de matéria escura.

Os cientistas ainda não sabem do que isso é feito mas, seja o que for, deve interagir fracamente com a matéria comum e, por isso, seja difícil de detectar.

Como candidatas a matéria escura, pode-se citar a matéria escura fria e a matéria escura quente.

A matéria escura fria seria formada por objetos massivos que, consequentemente, viajariam a velocidades muito inferiores à da luz, como os WIMPs (Partículas Massivas que Interagem Fracamente) e os MACHOs (matéria escura bariônica).

A matéria escura quente seria formada por partículas relativísticas, ou seja, que possuiriam velocidades próximas à da luz, como o neutrino.

Referências Bibliográficas:

VEIGA, C. H. Cosmologia: da Origem ao Fim do Universo, Módulo 3, Observatório Nacional, 2015

ZABOT, A. M. Astrofísica Geral, Módulo 5, Tema 23: Questões Cosmológicas e Tema 24: Cosmologia Observacional, Universidade Federal de Santa Catarina, 2018

STEINER, J. E. Astronomia: Uma Visão Geral II, Aula 14 - Matéria Escura, Universidade de São Paulo, 2013 

Buracos de Minhoca

Os buracos de minhoca, ou pontes de Einstein-Rosen, são considerados possíveis com base nas soluções das equações de campo de Einstein da Teoria da Relatividade Geral.

Esses objetos hipotéticos seriam responsáveis por ligar diferentes locais do universo ou até mesmo de universos diferentes através da conexão entre suas 4 dimensões espaço-temporais.

Teoricamente, um buraco de minhoca poderia transportar o conteúdo absorvido por um buraco negro para um buraco branco, uma região onde nada pode entrar.

Outra propriedade é que, se forem descobertos, isso talvez nos permitiria que viajássemos tanto para o passado como para o futuro. 

Referências Bibliográficas:

VON RÜCKERT, E. Colapso Gravitacional - Buracos Negros. Rio de Janeiro, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, 1980

Buracos Negros

Buracos negros são restos mortais de uma estrela de massa muito elevada. Toda a estrela é comprimida até dar origem a uma singularidade no espaço-tempo cercada por um horizonte de eventos.

Por definição, singularidade é um ponto de tamanho zero e densidade infinita. Quanto mais denso for um corpo, maior deverá ser a sua velocidade de escape. No caso dos buracos negros, essa velocidade é superior à da luz: a máxima possível no Universo. Portanto nada, nem mesmo a luz, escapa da atração gravitacional desses corpos. Por isso, são invisíveis e só podemos detectar sua presença através de meios indiretos. O horizonte de eventos é a fronteira a partir da qual nada pode sair.

 

Nossos conhecimentos sobre os buracos negros evoluíram com o passar do tempo. Stephen Hawking, por exemplo, postulou a chamada "radiação Hawking". Explicarei sobre isso a seguir.

Buracos negros possuem entropia e temperatura. Sendo assim, eles emitem radiação térmica. Ou seja, algo pode escapar do buraco negro. A radiação Hawking os faz "evaporarem". E quanto menor o buraco negro, maior a radiação emitida. 

Concepção artística de uma estrela sendo sugada por um buraco negro
Fonte da imagem: NASA

Referências Bibliográficas:

LOPES, D. F. Evolução Estelar, Módulo 4, Buracos Negros, Observatório Nacional, 2011

ZABOT, A. M. Astrofísica Geral, Módulo 3, Tema 12: A Morte das Estrelas, Universidade Federal de Santa Catarina, 2018

STEINER, J. E. Astronomia: Uma Visão Geral I, Pgm 29 - Estrelas Mortas: Buracos Negros, Universidade de São Paulo, 2014

VON RÜCKERT, E. Colapso Gravitacional - Buracos Negros. Rio de Janeiro, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, 1980

http://cds.cern.ch/record/468589/files/0010055.pdf 

Evolução Estelar

As estrelas são formadas nas nebulosas (nuvens de gás e poeira, formadas principalmente de hidrogênio e hélio) quando o material presente nelas é comprimido através da gravidade.

 

Pilares da Criação na Nebulosa da Águia
Fonte da imagem: NASA/ESA

Uma estrela nasce quando a pressão gerada pela fusão nuclear entra em equilíbrio com a compressão gravitacional e o novo astro estabiliza-se. Mas chega um momento em que o combustível das estrelas acaba e acontece um desequilíbrio entre a compressão e expansão. A compressão da gravidade domina a estrela.

O destino de uma estrela dependerá de sua massa na sequência principal.

Para estrelas de baixa massa, haverá a formação de uma gigante vermelha que irá expelir suas camadas externas dando origem a uma nebulosa planetária e a uma anã branca.

Estrelas de massa superior irão explodir em supernovas, podendo deixar como remanescentes, estrelas de nêutrons ou buracos negros.

Para estrelas de massa intermediária, a gravidade é tão forte que os elétrons são fundidos aos prótons gerando nêutrons. Formam-se assim, estrelas de nêutrons.

Para estrelas de grande massa, restará um corpo tão denso que nada poderá escapar de sua atração gravitacional, nem mesmo a luz. Surge então, um buraco negro.

Referências Bibliográficas:

LOPES, D. F. Evolução Estelar, Observatório Nacional, 2011

ZABOT, A. M. Astrofísica Geral, Módulo 3, Tema 11: A Vida das Estrelas e Tema 12: A Morte das Estrelas, Universidade Federal de Santa Catarina, 2018

STEINER, J. E. Astronomia: Uma Visão Geral I, Universidade de São Paulo, 2014

Teoria da Relatividade Geral

Lançada em 1915, por Albert Einstein, a teoria da Relatividade Geral é uma outra maneira de interpretar a gravitação.

Einstein não desmentiu a teoria de Newton. Mas ampliou e redefiniu o conceito de gravidade.

A Relatividade Geral geometriza a gravitação. Ela diz que a presença de massa e energia curva o espaço-tempo. E quanto maior a quantidade de massa/energia, maior a curvatura.

Por exemplo, o Sol deforma o espaço gerando uma espécie de vala que mantém os demais astros do Sistema Solar girando ao seu redor. Do mesmo modo, a Terra constrói sua própria vala, criando a órbita da Lua.

Einstein também propôs que, quanto maior a gravidade, mais lento é o ritmo do tempo.

Ilustração de uma massa/energia deformando o espaço-tempo 
Fonte da imagem: Wikimedia Commons

Referências Bibliográficas:  

VEIGA, C. H. Cosmologia: da Origem ao Fim do Universo, Módulo 5, Observatório Nacional, 2015 

Teoria da Relatividade Restrita

Lançada em 1905, por Albert Einstein, a teoria da Relatividade Especial (ou Restrita) baseia-se em dois postulados básicos:

• a velocidade da luz é a mesma para todos os observadores, independentemente de suas velocidades relativas

•  as leis da física são as mesmas em qualquer sistema de referência inercial

Esses dois postulados modificam radicalmente nossa concepção de espaço e tempo. Nessa teoria o espaço e o tempo não são absolutos, mas relativos. Além disso, essas entidades não são tratadas separadamente, mas em conjunto. Não há mais "espaço" e "tempo", mas um "espaço-tempo".

Isso também nos leva a fenômenos intrigantes como a "contração do espaço" e a "dilatação do tempo".

A contração do espaço consiste numa redução do comprimento do objeto na direção de seu movimento e pode ser compreendida pela definição de distância, que é a medida simultânea das coordenadas das extremidades de um corpo.

Dois eventos são simultâneos, se um observador situado em um ponto equidistante à posição dos eventos vê, no mesmo instante, a luz emitida por eles.

Esses eventos não serão simultâneos se um referencial inercial estiver em movimento em relação ao outro. Com isso, concluímos que a velocidade do observador irá afetar na distância medida em cada referencial.

Já a dilatação do tempo diz que, quanto maior é a velocidade de um corpo, mais lentamente o tempo passa para ele.

Se um observador em repouso vê a luz se deslocar com uma velocidade "c", um outro observador que se desloca com uma velocidade próxima a "c" verá a luz do mesmo modo, pois com o aumento da velocidade os intervalos de tempo se tornariam maiores e as distâncias menores, tornando esse resultado coerente.

Considerando que o universo conhecido seja constituído de três dimensões espaciais e uma temporal, quando se está em repouso move-se apenas segundo o eixo do tempo e com velocidade uma parte do "movimento" se transferiu para o eixo do espaço fazendo o tempo passar mais devagar.

Ainda em 1905, mostrou-se que a matéria e a energia também estão entrelaçadas através da famosa equação E = mc², que diz que energia é proporcional à massa. Mesmo uma pequena quantidade de matéria, pode gerar um volume gigantesco de energia.

Referências Bibliográficas: 

VEIGA, C. H. Cosmologia: da Origem ao Fim do Universo, Módulo 2, Observatório Nacional, 2015 

Teoria das Cordas

Existem 4 forças fundamentais na natureza: a gravitacional, a eletromagnética, a nuclear forte e a nuclear fraca. A força gravitacional faz os corpos de grande massa se atraírem. A força eletromagnética é responsável pelas propriedades químicas de cada elemento ou substância. A força nuclear forte mantém os prótons e nêutrons unidos no núcleo atômico. A força nuclear fraca é responsável pelo decaimento radioativo.

A Física atual está tentando unificar essas 4 interações fundamentais em uma única superforça. Em outras palavras, os físicos estão tentando elaborar uma Teoria de Tudo.

Steven Weinberg conseguiu unificar duas dessas forças (a eletromagnética e a nuclear fraca) na chamada "força eletrofraca".

O Modelo Padrão da Física de Partículas, não consegue explicar como a gravidade se une às demais forças.

Mas existe uma teoria alternativa ao modelo padrão: a Teoria das Cordas.

A teoria das cordas pode ser a solução do problema. Trata-se de um novo modelo de constituição da matéria, onde os elementos fundamentais funcionam como cordas.

Para a teoria das cordas ser consistente, o Universo precisa ter 11 dimensões. Mas ainda não temos nenhuma evidência experimental disso tudo.

Se essa teoria estiver correta, a Física sofrerá uma grande revolução desde os tempos de Einstein.

Referências Bibliográficas:

GREENE, B. R. O Universo Elegante: Supercordas, Dimensões Ocultas e a Busca da Teoria Definitiva, 1ª Edição, São Paulo, Companhia das Letras, 2001