Astronomia, Astrofísica e Cosmologia

Existem três ciências que estudam o Cosmos: a Astronomia, a Astrofísica e a Cosmologia. Mas, afinal, o que são e qual a diferença entre elas?

A Astronomia estuda os astros e seus fenômenos, tudo o que compõe o Universo em macroescala.

A Astrofísica nada mais é, do que a aplicação da Física na Astronomia. Estuda a composição química, as leis que regem os corpos celestes, dentre outras coisas.

Enquanto a Astronomia e a Astrofísica geralmente estudam partes mais específicas do Universo, a Cosmologia é mais abrangente e estuda o Universo como um todo (sua origem, estrutura e evolução).

Referências Bibliográficas:

http://www.iag.usp.br/siae98/astronomia/p3.htm 

Gato de Schrödinger

O gato de Schrödinger é um experimento mental criado pelo físico Erwin Schrödinger. Geralmente, é descrito por um gato preso em um local, junto com um objeto nocivo instável.

Se o objeto nocivo em questão entrar em atividade, o gato morrerá. Caso contrário, ele permanecerá vivo.

Antes de se olhar para o gato, a Mecânica Quântica sugere que ele está simultaneamente vivo e morto. Mas depois de se ver o gato, só aparece uma possibilidade: vivo ou morto.

Deixarei o vídeo abaixo para melhor entendimento:

 

Referências Bibliográficas:

BAKER, J. 50 Ideias de Física Quântica Que Você Precisa Conhecer, 1ª Edição, São Paulo, Editora, Planeta, 2015

Estranha Fonte de Luz na Lua

Certa vez, enquanto usava o site de bate-papo Omegle, encontrei uma pessoa muito interessante. Era um cara formado em Ciência da Computação e que entendia algo de Astrofísica também. Perguntei se ele era astrofísico e me disse que estudou Astrofísica, mas não possuía um título devido a certos problemas.

Disse também que estava estudando uma fonte de luz estranha na Lua e me mandou algumas fotos. Veja abaixo:

Pesquisei sobre o assunto e descobri que pode ser que o fundo de uma cratera seja constituído de um material com maior albedo, que estaria refletindo a luz do Sol, ou de alguma outra estrela, ou até mesmo de um planeta.

Multiverso

Multiverso é um termo utilizado para descrever um grupo hipotético de todos os universos possíveis.

Segundo essa ideia, podem haver muitos ou até mesmo infinitos universos com suas próprias leis físicas.

Isso provê respostas para duas grandes questões científicas: o que havia antes do Big Bang e por que as leis da física são como são.

Se os desconexos universos são incomunicáveis, não há como testar sua existência.

E, por enquanto, não temos nenhuma evidência convincente de que exista. Isso continua sendo uma conjectura teórica com base em plausibilidades não confirmadas.

Referências Bibliográficas:

GREENE, B. R. A Realidade Oculta: Universos Paralelos e as Leis Profundas do Cosmo, 1ª Edição, São Paulo, Companhia das Letras, 2011

Bóson de Higgs

O bóson de Higgs, popularmente conhecido como "partícula de Deus", é uma partícula elementar prevista pelo Modelo Padrão. 

Teoricamente, surgiu logo após o Big Bang e é responsável por dar origem à massa das outras partículas. 

A Física propõe que o Universo seja preenchido pelo "campo de Higgs" e as outras partículas ganhariam massa ao interagir com esse campo. O campo de Higgs seria como um material viscoso que aumentaria a inércia das partículas. E quanto maior a interação com o campo, maior a massa.

Foi descoberto no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

Referências Bibliográficas:

ROSENFELD, R. O Cerne da Matéria: A Aventura Científica que Levou à Descoberta do Bóson de Higgs, 1ª Edição, São Paulo, Companhia das Letras, 2013

Antimatéria

Antimatéria é um tipo de matéria hipotética, cujos átomos seriam formados de antipartículas. Toda partícula elementar de matéria possui sua antipartícula correspondente com propriedades físicas semelhantes. Mas uma diferença fundamental entre partículas e antipartículas, é que suas cargas elétricas são opostas.

Existe um fenômeno chamado flutuação quântica de vácuo. Isso ocorre quando há um vácuo na natureza e, então, é roubada energia do Universo dando origem a partícula e antipartícula. As duas são aniquiladas, devolvendo a energia roubada.

Simulação de flutuações quânticas de vácuo

Fonte da imagem: Wikimedia Commons

No Big Bang, conforme o Universo se expandia e se resfriava, a energia que havia originou partículas e antipartículas. Então, ambas se aniquilaram. Mas havia uma assimetria que fez com que nosso Universo fosse constituído principalmente de partículas de matéria como elétrons, prótons e nêutrons.

Referências Bibliográficas:

https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/87469/mod_resource/content/1/FisVEsquemadaAula162013.pdf

https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem

https://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/26/1/26-1-sather.pdf

A Geometria Global do Espaço-Tempo

Se a energia de vácuo for nula, a geometria de nosso Universo pode ser descrita de três formas diferentes, como ilustra a imagem a seguir:

     

Embora esses gráficos sejam bidimensionais, o Universo é tridimensional. Mas, para facilitar a representação, reduziu-se uma dimensão

Fonte da imagem: Wikimedia Commons

No primeiro caso, o Universo é esférico (curvatura positiva), finito e fechado sobre si mesmo. Neste caso, a densidade de matéria é alta o suficiente para frear a expansão e, possivelmente, fazer com que o Universo entre em colapso.

No segundo caso, o Universo é hiperbólico (curvatura negativa), o que significa que a densidade é extremamente baixa. Neste caso, o Universo é aberto, infinito e se expandirá para sempre.

No terceiro caso, o Universo é plano (euclidiano nas três dimensões espaciais) e infinito. A densidade é intermediária e ele se expande para sempre, mas a velocidade de afastamento das galáxias seria cada vez menor. 

Observações recentes indicam que o Universo é plano, mas acelerado (energia de vácuo não-nula).

Referências Bibliográficas:

VEIGA, C. H. Cosmologia: da Origem ao Fim do Universo, Módulo 6, Observatório Nacional, 2015

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

STEINER, J. E. Astronomia: Uma Visão Geral II, Aula 19 - A Inflação Cósmica, Universidade de São Paulo, 2013

http://astro.if.ufrgs.br/univ/univ.htm 

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