Como sabemos a idade do Universo? Veja o que a cosmologia diz

Um dos fatos mais impressionantes que a cosmologia moderna nos revelou sobre o Universo é saber qual é a sua idade: 13,8 bilhões de anos.

Todas as estrelas e galáxias que vemos hoje surgiram de uma série de fusões gravitacionais de objetos de menor massa que deram origem a objetos maiores que, por sua vez, foram evoluindo ao longo desse tempo. Porém, nos estágios iniciais do Cosmos, não havia estrelas, planetas ou galáxias e o cenário era muito diferente.

Os astrofísicos e cosmólogos que estudam esse universo primitivo conseguem estimar há quanto tempo ele ocorreu com bastante precisão, indicando valores que possuem incertezas não maiores do que 1%.

Idade da Terra, do Sol, da galáxia e do Universo comparativamente (crédito: NASA/JPL-Caltech)

Essa é uma conquista notável para a ciência moderna e reflete a engenhosidade do intelecto humano que, embora não tenha nos levado fisicamente mais longe do que à Lua, ainda assim possibilitou viagens profundas na imensidão cósmica. Mas como chegamos lá? Como somos capazes de saber a idade do Universo?Gosta de astronomia? Conheça o Observatório do Pico dos Dias, em MG

Para responder essa pergunta, precisamos entender que, na física, se é possível obter as equações que governam um determinado sistema – isto é, o conjunto de equações que informam como esse sistema evolui ao longo do tempo – e se soubermos o que esse sistema está fazendo em um determinado momento no tempo, é possível estudá-lo em qualquer instante de tempo, tanto no passado quanto no futuro. Se as leis da física e o conteúdo do sistema continuarem inalteráveis, essa previsão estará correta.

Na Cosmologia, as regras que descrevem o nosso Universo em expansão são originadas de soluções das equações da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein para um universo que é, em média, relativamente similar (com iguais quantidades e distribuições de objetos) em todos os lugares e em todas as direções.

Representação artística das épocas cósmicas (crédito: ESA/Hubble)

Do ponto de vista conceitual, então, a ideia é relativamente simples: depois de descobrir que o Universo está se expandindo, no final da década de 20 do século passado, tudo o que os astrônomos precisaram fazer foi medir a taxa de expansão atual e usar as leis da física para determinar como a taxa de expansão evoluiu ao longo do tempo. Em vez de extrapolar a matemática para o futuro e determinar o destino do Universo, foi possível fazer o cálculo inverso, forçando o tempo correr para trás e percorrendo todo o caminho de volta até atingir o próprio Big Bang.

Esse método não apenas funciona, como continua sendo a maneira eficaz que temos para calcular a idade cósmica até hoje. Para contar seus detalhes, porém, mais delicados e sutis, precisaremos de mais alguns parágrafos.

O primeiro lugar para começar é com o próprio Universo em expansão e com o parâmetro que informa a taxa com o qual ele faz isso: a constante de Hubble. Ao observar o Universo em grandes escalas, as galáxias que encontramos obedecem a uma relação simples entre os parâmetros distância e velocidade. Essa relação nos informa que quanto mais distante um objeto estiver de nós, maior será a velocidade com que ele se afasta.

Earendel, uma das estrelas mais distantes e antigas do Universo, com idade estimada em 13,4 bilhões de anos (crédito: NASA, ESA, Brian Welch - JHU, Dan Coe - STScI/NASA, ESA, Alyssa Pagan - STScI)

O valor da constante de Hubble atual deve ser consistente também com a soma total de todas as formas de energia que contribuem para a composição do Universo: a matéria normal, a matéria escura, os neutrinos, a radiação, a energia escura e a curvatura do espaço (e alguma eventual outra coisa que seja possível de adicionar).

Embora esse trabalho não esteja finalizado e os cosmólogos ainda tenham que aprimorar esses parâmetros e obter resultados a partir de diferentes métodos combinados, a relação entre eles garantem que, se um parâmetro for diferente, uma série de outros parâmetros também deverá mudar para permanecer consistente com o conjunto completo de dados observacionais.

Um método que é possível de ser utilizado para confirmar as estimativas da idade do Universo é medir as idades das estrelas mais antigas que existem. Afinal, se acreditamos que o Universo tem 13,8 bilhões de anos, então é melhor não encontrarmos nenhuma estrela dentro dele que seja mais velha que isso.

Existem muitas propriedades do Universo sobre as quais os astrônomos ainda têm dúvida, mas a sua idade é uma das poucas em que há alguma certeza confiável. Poderíamos tentar construir modelos teóricos para um Universo mais velho ou mais jovem, mas as evidências observacionais indicam que o Universo como conhecemos começou há 13,8 bilhões de anos com o Big Bang. Esse valor possui uma margem de erro tão pequena que nos possibilita afirmar que qualquer estimativa no nosso Universo que resulte em algo com menos de 13,6 bilhões ou mais de 14,0 bilhões de anos já está descartado.

Nícolas Oliveira, colunista do TecMundo, é licenciado em Física e mestre em Astrofísica. É professor e atualmente faz doutorado no Observatório Nacional, trabalhando com aglomerados de galáxias. Tem experiência com Ensino de Física e Astronomia e com pesquisa em Astrofísica Extragaláctica e Cosmologia. Atua como divulgador e comunicador científico, buscando a popularização e a democratização da ciência. Nícolas está presente nas redes sociais como @nicooliveira_.




Autor: Acácio Moraes
Fonte: tecmundo
Sítio Online da Publicação: tecmundo
Data: 15/09/2022
Publicação Original: https://www.tecmundo.com.br/ciencia/247808-sabemos-idade-universo-veja-cosmologia-diz.htm

Universo está se expandindo mais rápido do que o esperado, diz estudo

Vista da galáxia Grande Nuvem de Magalhães a partir do telescópio Hubble; brilho de estrelas dessa galáxia, vizinha à Via Láctea, ajudou cientistas a determinarem a velocidade de expansão do universo — Foto: Divulgação/NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU) and Palomar Digitized Sky Survey



Astrônomos responsáveis pelo telescópio Espacial Hubble descobriram que o universo está se expandindo a uma velocidade mais rápida do que os cientistas esperavam. Segundo informações publicadas nesta quinta-feira (25) no "Astrophysical Journal", medidas tomadas pelo telescópio mostram que a velocidade de expansão é 9% acima de medições feitas anteriomente.


Ao encontrar a nova discrepância nos resultados, cientistas afirmam que apenas novas teorias serão capazes de explicar o fenômeno da taxa de expansão. Isso porque as chances de que a diferença registrada tenha sido um acidente é de apenas uma em 100 mil.


Um dos responsáveis pela pesquisa é Adam Riess, ganhador do Nobel de física em 2011 e professor da Universidade Johns Hopkins, nos Estados Unidos. Em um comunicado da instituição, ele afirmou que a divergência na medição dos números não aconteceria apenas por um acaso instrumental ou observacional.



"Esse descompasso tem crescido e agora chegou a um ponto que é realmente impossível descartar como uma casualidade. Essa disparidade não poderia acontecer plausivelmente apenas por acaso" , diz o pesquisador Adam Riess.






Como se mede a expansão do universo?




Para fazer a medição, os astrônomos e astrofísicos usam telescópios que analisam a luz das estrelas. Atualmente, apenas o telescópio Hubble e o satélite Planck podem realizar essa medição, que é considerada uma das principais etapas para a compreensão da história do universo a partir do Big Bang, explosão ocorrida há cerca de 14 bilhões de anos que deu origem à expansão do cosmo.


Para este estudo, o Hubble analisou a luz de 70 estrelas pulsantes em nossa galáxia vizinha, a Grande Nuvem de Magalhães. Essas estrelas pertencem a uma classe chamada "cefeidas", e a variação da luz emitida pelo brilho delas permitiu que os cientistas determinassem sua distância.


Para refinar esses dados, os resultados do Hubble foram comparados com dados da mesma galáxia obtidos pelo Projeto Araucária, que envolve instituições do Chile, Estados Unidos e Europa.


Com o resultado obtido, os pesquisadores descobriram que o universo está se expandindo a uma velocidade de 74 quilômetros por segundo por megaparsec – uma unidade de medida que equivale a 3,3 milhões de anos-luz.


Isso quer dizer uma galáxia que esteja a 3,3 milhões de anos-luz de nós vai aparentar estar se movendo a uma velocidade que é 74 quilômetros por segundo mais rápida do que a nossa, porque a expansão do universo faz espaço entre as galáxias aumentem com o decorrer do tempo.


Esse aumento de 9% se deve ao fato de que a medição anterior era de 67 quilômetros por segundo por megaparsec. Esse registro foi feito pelo satélite Planck considerando observações sobre o início do universo feitas 380 mil anos após o Big Bang.

O Hubble orbita a Terra a uma altura de 593 km sobre o nível do mar — Foto: Nasa/BBC




Mas o que pode explicar essa aceleração?




Muitas teorias cresceram diante da descoberta, mas, de fato, nenhuma é exata. Os cientistas responsáveis pelo projeto levantaram a teoria de que a causa do descompasso seria por conta da incidência inesperada de energia escura no universo jovem, ou seja, o universo que existe antes da formação estelar e que pode ser o responsável por acelerar a expansão do universo.


Por mais que ainda não haja uma resposta precisa sobre a causa dessa expansão, o principal objetivo da equipe é reduzir a incerteza da descoberta para 1%. No momento, a medida feita pelo satélite Planck apresenta uma incerteza de 1,9%.




Dados não discordam entre si




Apesar de ajudar a aumentar a precisão da medida, Riess explica que os dois números não discordam entre si. Isso porque o telescópio Hubble e o satélite Planck estão medindo duas coisas "fundamentalmente" diferentes.



"Uma é uma medida de quão rápido o universo está se expandindo hoje, como nós o vemos. A outra é uma previsão baseada na física do universo primitivo e em medidas de quão rápido ele deveria estar se expandindo", explicou Adam Riess.




"Se esses valores não concordam, torna-se uma probabilidade muito forte de que estamos perdendo alguma coisa no modelo cosmológico que conecta as duas eras."

Ilustração mostra o satélite Planck em órbita no espaço — Foto: Divulgação/ESA/AOES Medialab


Sob orientação de Ana Carolina Moreno*




Autor: G1 Saúde
Fonte: G1 Saúde
Sítio Online da Publicação: G1 Saúde
Data: 26/04/2019
Publicação Original: https://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2019/04/25/universo-esta-se-expandindo-mais-rapido-do-que-o-esperado-diz-estudo.ghtml

Primeiro tipo de molécula formada no universo é detectado; entenda

O universo se formou em uma súbita expansão do espaço-tempo chamada ‘Big Bang’. Por conta desta alcunha, que foi dada de forma jocosa por Fred Hoyle que não acreditava nessa hipótese, essa rápida expansão é muitas vezes confundida com uma grande explosão.


Semântica à parte, o fato é que o universo nasceu muito, muito quente e era energia pura. Aos poucos, ele foi esfriando e a energia pode se converter em matéria, dando origem às primeiras partículas.

Ilustração da nebulosa planetária NGC 7027 e moléculas de hidreto de hélio. — Foto: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter


Mesmo quando o universo já tinha prótons e elétrons, ainda levou mais um tempinho para que se formassem os primeiros átomos, principalmente hidrogênio, um pouco de hélio e pitadas de outros elementos mais pesados, como berílio e lítio, por exemplo.


As quantidades certinhas podem ser calculadas a partir das equações de física nuclear em uma disciplina chamada nucleossíntese primordial. Os cálculos teóricos foram comparados com observações de nebulosas em que a contaminação de elementos produzidos posteriormente por estrelas é baixa, portanto, nebulosas bastante representativas da abundância química do início do universo, e os resultados estavam em grande concordância. Esse fato é um dos 3 pilares que sustentam a teoria do Big Bang, mostrando que apesar de precisar de alguns remendos, ela é uma teoria bem consistente.


Os outros dois pilares são a expansão do universo e a radiação cósmica de fundo.


Mas e quanto as primeiras moléculas? Quando e qual teria sido a primeira molécula formada no universo?


Para que um átomo se formasse no universo primordial, foi preciso que o universo se esfriasse a ponto de um próton poder capturar um elétron, para formar o átomo de hidrogênio, o mais simples. Para formar a primeira molécula, foi preciso esperar mais um pouco, de modo que o universo se esfriasse mais.


Então por volta de 100 mil anos depois do Big Bang, a temperatura tinha caído para valores da ordem de 4-5 mil kelvin, o que já é baixo o suficiente para moléculas se formarem e sobreviverem. Mas qual teria sido essa molécula?


Bom, partindo do princípio que naquela época o universo era basicamente hidrogênio e hélio, deve ter sido uma combinação entre os dois. O hélio é um elemento nobre, não se combina com ninguém, mas em determinadas condições de alta densidade, pressão e temperatura, ele pode se ligar a algum átomo. E o universo, com 100 mil anos tinha tudo isso, e tinha muito hidrogênio soltinho.


A primeira molécula a se formar no universo foi um hidreto de hélio, ou HeH+. Essa molécula foi sintetizada em laboratórios em 1925 e desde então ela tem sido procurada no universo moderno. Veja, não se trata de usar os melhores telescópios do mundo para tentar detectar essa molécula no universo antigo, observando galáxias ou quasares muito, muito distantes.


Para encontrar essa molécula em ambientes astrofísicos atuais, era preciso encontrar um local com alta temperatura e abundância de energia, que poderia dar condições para a formação do hidreto de hélio. Essas condições são encontradas, de modo geral, em nebulosas planetárias, estágios finais de evolução de estrelas de pouca massa como o Sol. Na década de 1970, a nebulosa NGC 7027, distante 3 mil anos luz na constelação do Cisne, foi identificada como boa candidata a ter as condições propícias.


Desde então, astrônomos tentaram, sem sucesso, identificar essa molécula. Coube a equipe liderada por Rolf Guesten, do Instituto Max Planck de Rádio Astronomia da Alemanha encontrar o HeH+.


Para fazer isso, ele e sua equipe precisou observar com um instrumento, digamos, sui generis: um observatório embarcado em um Boeing 747! Pois é, a nossa atmosfera atua como um filtro absorvendo quase toda a radiação infravermelha que vem do espaço. Pouca coisa pode ser observada da Terra e para conseguir observar em comprimentos de onda mais longos, é preciso contornar a atmosfera.


Isso pode ser feito do espaço, com satélites dedicados a isso, como o telescópio espacial Spitzer da NASA e o Herschel, da ESA. Mas lançar um telescópio como esse é muito caro, sem falar no risco de um defeito de fabricação, ou no lançamento, arruinar um investimento de centenas de milhões de dólares. O infravermelho é absorvido, principalmente, pelo gás carbônico e vapor d’água e ambos se concentram em altitudes abaixo de 10 km. Com um jato viajando a 11-12 km de altitude, podendo alcançar um pouco mais, ele deixa para baixo algo como 90% dos dois gases. Isso viabiliza observações em comprimentos de onda impossíveis de atingir o solo.


O Observatório Estratosférico para Astronomia Infravermelha (SOFIA) é um consórcio entre várias instiruições de pesquisa, incluindo a NASA (dona do avião) e o Instituto Max Planck. Os dados foram coletados em 2016 e publicados esta semana na prestigiosa revista Nature, de tão importante que esse achado representa.

SOFIA — Foto: Nasa


Ele confirma detalhes da evolução do universo primordial, quando ele era ainda muito jovem e inacessível aos instrumentos de pesquisa, pois só podemos observar a partir de quando o universo tinha 380 mil anos de idade. Descobertas como essas confirmam as previsões teóricas de uma época em que não podemos observar o universo através de observações do universo como ele é hoje.




Autor: G1 Saúde
Fonte: G1 Saúde
Sítio Online da Publicação: G1 Saúde
Data: 26/04/2019
Publicação Original: https://g1.globo.com/ciencia-e-saude/blog/cassio-barbosa/post/2019/04/26/primeiro-tipo-de-molecula-formada-no-universo-e-detectada-entenda.ghtml

Primeira molécula do Universo é detectada no espaço

Ilustração da nebulosa planetária NGC 7027 e moléculas do íon hidro-hélio — Foto: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter



O primeiro tipo de molécula que se formou no universo foi detectado no espaço pela primeira vez, após décadas de busca, informou a Nasa na quarta-feira (17).


A molécula é um casamento improvável de hélio e hidrogênio, conhecido como íon hidro-hélio, ou HeH+. Os cientistas fizeram a descoberta em nossa própria galáxia usando o maior observatório aerotransportado do mundo, o Observatório Estratosférico da NASA para a Astronomia Infravermelha, ou SOFIA.


Mais de 13 bilhões de anos atrás, o Universo era uma sopa indiferenciada de três elementos simples, de átomo único. As estrelas só se formariam 100 milhões de anos depois.


Apenas 100.000 anos após o Big Bang, surgiu a primeira molécula.


"Foi o começo da química", disse David Neufeld, professor da Universidade John Hopkins e coautor do estudo, que detalha como - depois de uma busca de décadas - os cientistas finalmente detectaram essa molécula no espaço.



"A formação de HeH+ foi o primeiro passo em um caminho de complexidade crescente no Universo. Uma mudança tão importante como a da vida de célula única para a vida multicelular na Terra", disse à AFP.




Modelos teóricos há muito tempo convenceram os astrofísicos de que o HeH+ veio primeiro, seguido - em uma ordem precisa - por um desfile de outras moléculas cada vez mais complexas e pesadas.


O HeH+ também foi estudado em laboratório em 1925, mas o HeH+ em seu habitat natural permanecia além do alcance dos cientistas.


"A falta de provas definitivas de sua própria existência no espaço interestelar tem sido um dilema para a astronomia por um longo tempo", disse o autor principal, Rolf Gusten, cientista do Instituto Max Planck de Radioastronomia, em Bonn.


Na década de 1970, os modelos sugeriam que o HeH+ deveria existir em quantidades significativas nos gases brilhantes ejetados pela morte de estrelas semelhantes ao Sol, que criavam condições semelhantes às encontradas no Universo primordial.




Uma molécula frágil




O problema era que as ondas eletromagnéticas emitidas pela molécula estavam em um alcance anulado pela atmosfera da Terra e, portanto, indetectável do solo.


Assim, a Nasa e o Centro Aeroespacial Alemão uniram forças para criar um observatório aéreo com três componentes principais: um enorme telescópio de 2,7 metros, um espectrômetro de infravermelho e um Boeing 747 grande o suficiente para carregá-los.


De uma altitude de cruzeiro de quase 14.000 metros, o observatório Estratosférico de Astronomia de Infravermelho, ou SOFIA, evitou 85% do "ruído" atmosférico de telescópios terrestres.


Os dados de uma série de três voos em maio de 2016 continham a evidência molecular que os cientistas há muito procuravam, entrelaçada na nebulosa planetária NGC 7027, a cerca de 3.000 anos-luz.


"A descoberta de HeH+ é uma demonstração dramática e bela da tendência da natureza a formar moléculas", disse Neufeld.


Neste caso, o fez apesar de circunstâncias pouco propícias.


Embora as temperaturas no jovem universo tenham caído rapidamente após o Big Bang, elas ainda estavam perto de 4.000 graus Celsius, um ambiente hostil para a ligação molecular.


Além disso, o hélio - um gás "nobre" - "tem uma propensão muito baixa para formar moléculas", explicou Neufeld.


Sua união com o hidrogênio ionizado era frágil, e não persistiu por muito tempo, tendo sido substituída por ligações moleculares progressivamente mais robustas e complexas.


Elementos mais pesados como carbono, oxigênio e nitrogênio - e as muitas moléculas que eles originaram - foram formados mais tarde ainda, pelas reações nucleares que ocorrem nas estrelas.




Autor: France Presse
Fonte: G1 Saúde
Sítio Online da Publicação: G1 Saúde
Data: 18/04/2019
Publicação Original: https://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2019/04/18/primeira-molecula-do-universo-e-detectada-no-espaco.ghtml

Considerado um dos mais influentes teóricos da atualidade, físico canadense explica por que é tão difícil unificar as teorias que descrevem as quatro forças do Universo

© LÉO RAMOS CHAVES

Myers durante visita a São Paulo em julho deste ano, quando deu curso para alunos da América Latina que concorreriam a mestrado internacional
O físico canadense Robert Myers, 58 anos, iniciou sua carreira de pesquisador nos anos 1980 tentando descobrir como seriam os buracos negros em um Universo com mais dimensões do que as quatro conhecidas – três de espaço (comprimento, largura e altura) e uma de tempo. O trabalho não saiu como esperava. Mas abriu o caminho para ele se tornar uma referência internacional em teoria das cordas, o modelo físico segundo o qual o Universo seria formado por filamentos microscópicos – as cordas – que vibrariam em até 10 dimensões.

Desde então, Myers já publicou 211 artigos, que foram mencionados cerca de 22 mil vezes, e vem delineando os rumos de como usar a teoria das cordas para entender a força da gravidade. Ele foi considerado recentemente um dos pesquisadores mais influentes em sua área. Seu nome estava nas edições de 2014 e 2015 do ranking World’s Most Influential Scientific Minds, que reúne os autores dos artigos mais citados na última década em diferentes áreas da ciência.

Myers cresceu em Deep River, uma cidadezinha com 5 mil moradores na província de Ontário, no Canadá. Decidiu estudar física por ser a área que lhe parecia mais desafiadora e, desde 2001, integra o time de pesquisadores do Perimeter Institute for Theoretical Physics, um dos centros de física teórica mais inovadores do mundo, sediado em Waterloo, também na província de Ontário.

Em julho, Myers esteve em São Paulo e deu aulas para quase 100 alunos de graduação em física da América Latina que estão em nível avançado. Eles se preparavam para concorrer às poucas vagas de um mestrado a ser feito parte no Perimeter, parte no Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) do Instituto Sul-americano para Pesquisa Fundamental (Saifr), na Universidade Estadual Paulista (Unesp). Na entrevista a seguir, Myers falou sobre trabalhar no Perimeter e a respeito da área da física que vem ajudando a desenvolver.

O senhor está no Perimeter desde o início e também é professor na Universidade de Waterloo. Quais as diferenças entre as duas instituições?
Creio ter sido o primeiro pesquisador contratado pelo Perimeter. A Universidade de Waterloo é uma instituição grande, com uns 10 mil alunos e vários interesses e atividades. Tem boa reputação em engenharia e matemática. Em física, começa a melhorar. No Perimeter, o foco é a física. Fica em Waterloo porque é lá que Mike Lazaridis tem seu negócio [ele é o dono da empresa de celulares BlackBerry e fez a doação de US$ 100 milhões para fundar o Perimeter]. Quando criaram o instituto, queriam parcerias com outras instituições, mas houve uma decisão consciente de não fazer parte da universidade. Temos parceria com as universidades de Toronto, York, McMaster e Western. Contratamos professores com eles e trabalhamos com seus alunos. Isso nos dá flexibilidade. Em uma universidade, as pessoas fazem parte de uma equipe maior, que segue as prioridades estabelecidas pela reitoria. É preciso negociar mais e tentar convencer as outras partes de que as suas metas pessoais também são importantes. No Perimeter, definimos nossas prioridades sem interferências.

Vocês têm liberdade para escolher o que pesquisar.
Sim, e é muito mais fácil mudar de área e experimentar novos caminhos. Em parte, porque somos uma instituição pequena. Também há uma característica ali que é mirar alto e ir atrás de questões desafiadoras.

Quantos alunos há no Perimeter? O nível dos estudantes é diferente dos de outras instituições?
Somados, não passam de 100. São cerca de 30 alunos no mestrado e 45 no doutorado. Há o programa Visiting Graduate Fellowship, que todos os anos traz um bom número de alunos de pós-graduação de nível avançado. Eles trabalham um tempo no Perimeter, mas fazem suas teses e pesquisas em outras universidades. Todos nossos estudantes são alunos de Waterloo, uma vez que não é o instituto que concede os títulos de mestrado e doutorado. A ideia inicial era fazer algo bem-feito. Ao estabelecer parcerias, o instituto e as outras instituições se beneficiam mutuamente. Hoje, Waterloo atrai alunos de física melhores do que há 15 anos.

Recentemente o senhor foi escolhido duas vezes um dos cientistas mais influentes do mundo em sua área. Além disso, já publicou mais de 200 artigos, citados 22 mil vezes. Qual o segredo?
Trabalhei muito. Não sei que conselho dar. Digo para meus alunos que devem buscar algo de que realmente gostem. O resto vem com o esforço. Vejo muita gente perseguindo uma carreira por precisar de um trabalho para sobreviver. Tive a sorte de conseguir um trabalho divertido. O entusiasmo nutre muitos pesquisadores. É muito mais do que um trabalho ou uma carreira, é algo pelo qual somos apaixonados. Gostamos de trabalhar duro, por longas horas, para descobrir novas fórmulas ou analisar resultados de experimentos.

Seu artigo mais citado (1.539 vezes) é sobre buracos negros. O que estudou?
Esse artigo é de 1986. Foi minha tese de doutorado na Universidade de Princeton, Estados Unidos. Na época, houve uma segunda revolução na teoria das cordas, que animou as pessoas. Vivemos em um espaço-tempo de quatro dimensões, três de espaço e uma de tempo. E a teoria das cordas é formulada em um espaço-tempo com até 10 dimensões. Estava interessado em saber como seriam os buracos negros em um Universo com mais de quatro dimensões. Tinha uma ideia em mente, mas não deu certo. Os buracos negros são objetos que surgem em condições extremas, em que a gravidade é muito intensa, e poderiam fornecer informações sobre vários aspectos da teoria. Uma de suas características mais animadoras é que ela é uma teoria de gravitação quântica [a teoria das cordas inclui uma descrição quântica da gravidade e tenta compatibilizar a mecânica quântica, que descreve três forças físicas – eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca – relevantes para os fenômenos microscópicos, com a teoria da relatividade geral, de Einstein, que trata da força da gravidade e descreve os fenômenos macroscópicos]. Com o tempo, os físicos encontraram conexões e foram capazes de estudar buracos negros e ter insights sobre a teoria das cordas.

Não era usual estudar buracos negros em várias dimensões?
Era algo à frente do tempo. Isso interessou a mim e a meu orientador, Malcolm John Perry. À medida que avancei, tentei aproveitar as oportunidades. Costumo dizer que temos uma caixa de ferramentas de ideias e técnicas. Quanto mais ferramentas se coloca na caixa, maior a capacidade de resolver problemas. No momento, estou animado em trabalhar em uma área que tenta entender como as ideias da teoria da informação quântica seriam úteis para entender buracos negros e gravitação quântica.

O que gostaria de descobrir?
Buracos negros são uma espécie de playground para os matemáticos. Atualmente, qualquer teoria que tente explicar fenômenos astrofísicos muito energéticos os atribui a buracos negros. Há uns 40 anos, pensavam-se em soluções mais elegantes. No início dos anos 1970, Jacob Bekenstein [1947-2015] foi o primeiro físico a olhar para os buracos negros sob uma perspectiva diferente e tentar incorporar na relatividade geral, que trata da gravidade, ideias da teoria da informação. Ele realizou experimentos mentais que tentavam imaginar como seria a física envolvida em certo fenômeno e disse que, para a física que conhecemos fazer sentido, os buracos negros deveriam ter entropia [medida de como a energia pode ser distribuída entre os componentes microscópicos desse objeto]. Também falou que essa entropia deveria ser proporcional à área da superfície do buraco negro. Muita gente viu isso com ceticismo. Ter entropia significa apresentar uma estrutura interna, como as moléculas de um gás encerrado em uma sala. E, do ponto de vista da relatividade geral, não fazia sentido pensar em uma estrutura interna para buracos negros.

Como a ideia foi recebida?
Bekenstein era aluno de pós-graduação em Princeton e as pessoas o questionaram, até que, anos depois, Stephen Hawking propôs que, quando ocorrem flutuações quânticas nos buracos negros, eles podem liberar radiação térmica. Se esses objetos funcionam como um reservatório de calor, eles têm de ter entropia. Bekenstein e Hawking realizaram uma predição muito precisa sobre o que seria a entropia do buraco negro. É uma fórmula notável. De um lado, ela traz informação sobre a área, uma característica geométrica bidimensional do espaço-tempo. Do outro, ela apresenta a entropia, que insinua algo sobre a estrutura interna, sobre o estado quântico que compõe o buraco negro. Essa fórmula sugere que a informação sobre a estrutura interna ou a natureza quântica do buraco negro pode estar codificada na sua geometria. Conto essa história porque, para tentar entender mais profundamente essa ideia e outras relacionadas, retornamos o tempo todo à questão de como a geometria do espaço-tempo codifica a informação sobre os estados microscópicos que não podemos ou ainda não conseguimos ver. Bekenstein percebeu cedo que a entropia era uma forma de caracterizar a informação, mas levou um tempo para reconhecermos. Em vez de usar a teoria da informação para tentar entender aspectos relevantes da gravidade e dos buracos negros, hoje usamos a teoria da informação quântica, uma área que cresceu a partir da ideia de usar a mecânica quântica para produzir novos tipos de computadores.

Como esse conhecimento poderia ser usado?
Para construir computadores mais rápidos ou entender melhor o comportamento da matéria. Há teorias sobre a matéria condensada que usam a entropia de emaranhamento ou ideias da teoria da informação quântica para caracterizar estados novos da matéria [são estados exóticos que não podem ser descritos por fenômenos – magnetismo, densidade e outros – usados para caracterizar a matéria comum]. Isso já ofereceu ferramentas para os físicos no passado. Agora um novo grupo de físicos está indo até os teóricos da informação quântica para pegar emprestadas novas ferramentas que podem nos permitir olhar de modo diferente para questões que estão sendo analisadas há muito tempo.

Que tipo de questão gostaria de responder com essas ferramentas?
Em última análise, descobrir como unificar as teorias que descrevem as quatro forças conhecidas, um dos grandes mistérios para os físicos teóricos. De um lado, temos a mecânica quântica. Ela funciona muito bem e faz predições e verificações experimentais, mas na escala dos átomos. De outro, temos a relatividade geral, que descreve os fenômenos associados aos objetos maiores, como o movimento dos planetas ou a evolução do Universo. Como físico teórico, consigo imaginar experimentos mentais em que as duas teorias teriam um papel importante. Deveria haver um modo uni-las. Mas ainda não descobrimos como fazer isso de modo consistente. A esperança é de que não estejamos olhando para os problemas da maneira certa e que a teoria da informação quântica nos ajude a progredir.

O objetivo é alcançar a chamada teoria do tudo?
Pode-se chamar assim. Alguns dizem teoria da gravitação quântica.

Uma das ferramentas utilizadas é o princípio holográfico, uma proposta teórica segundo a qual seria possível descrever a informação contida em um espaço tridimensional, como uma esfera, a partir do que se conhece de sua superfície, um espaço bidimensional. É uma tentativa de eliminar a gravidade da história?
De certo modo, é. Penso na holografia como um dicionário. Há fenômenos que queremos descrever e podemos usar duas línguas. Uma delas é uma classe especial de teoria quântica de campos, a chamada teoria de campos conforme. Os detalhes não importam, mas, nessa linguagem, não existe gravidade. Na outra, usamos gravidade, mas em uma dimensão a mais. Um dos obstáculos é que, de um lado, tenho a teoria quântica de campos, que descreve um mundo em três dimensões, duas de espaço e uma de tempo. Como vou usá-la para descrever fenômenos que ocorrem em quatro dimensões, três de espaço e uma de tempo?

A gravidade não é importante na escala tratada pela teoria quântica de campos?
Não é bem isso. Na teoria quântica de campos não existe o conceito de gravidade. É como se fosse uma língua na qual essa palavra não existisse. Então, não tenho de me preocupar com ela. É uma vantagem porque essa teoria é um sistema com o qual deveríamos nos sentir confortáveis para fazer os cálculos. Como a física que descrevo com essa teoria é a mesma que descrevo com a relatividade geral, que tem gravidade, usamos nossa intuição para entender como as coisas funcionam em uma delas e depois tentamos traduzir e entender o que isso significa na outra. Há um diálogo, na realidade. Em algumas situações usamos a relatividade geral para fazer cálculos que são difíceis na teoria quântica de campos e, assim, aprender algo sobre esta. Em outras, fazemos os cálculos com as ferramentas da teoria quântica de campos para tentar aprender algo novo sobre a gravidade. É uma obra em desenvolvimento há uns 20 anos, um dicionário complicado de entender.

O que gostaria de descobrir no final?
Gostaria de entender o que é a radiação Hawking que escapa dos buracos negros. Não entrei em detalhes, mas parece haver inconsistências.

No fato de os buracos negros emitirem alguma forma de radiação?
Emitir radiação significa liberar energia. Se passasse um tempo longo o suficiente, o buraco negro poderia emitir toda a sua energia e desaparecer. Isso cria um paradoxo, porque a mecânica quântica determina que a informação não pode desaparecer no Universo, ela tem de ser conservada, assim como ocorre com a energia. É uma pergunta importante que, talvez, só seja respondida por uma teoria completa de gravitação quântica.

O que essa teoria completa permitiria descrever?
Tudo, da menor à maior escala. Isso seria importante, por exemplo, para entender como devem ter sido os instantes iniciais do Universo. Sabemos que o Cosmo está em expansão acelerada. Se pudéssemos reverter o tempo, veríamos ele encolher até um momento em que os efeitos da gravidade quântica se tornariam importantes. Em princípio, ela poderia nos dar um insight sobre de onde veio o Universo, onde tudo começou.




Autor: RICARDO ZORZETTO | ED. 259 |
Fonte: fapesp
Sítio Online da Publicação: fapesp
Data de Publicação: SETEMBRO 2017
Publicação Original: http://revistapesquisa.fapesp.br/2017/09/22/um-dicionarista-do-cosmo/?cat=ciencia