Os misteriosos filamentos da Via Láctea têm “primos mais velhos e distantes”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/VIA LÁCTEA/FÍSICA/ASTROFÍSICA

Os filamentos magnéticos em grande escala “derramam” para baixo a partir do jacto de um buraco negro, localizado numa galáxia membro de um distante enxame.
Crédito: Rudnick e colaboradores, 2022

O astrofísico Farhad Zadeh, da Universidade Northwestern, tem tido um grande interesse e fascínio por uma família de filamentos magnéticos em grande escala e altamente organizados, situados no centro da Via Láctea, desde que os descobriu no início da década de 1980.

Agora, quarenta anos depois, Zadeh permanece igualmente fascinado – mas talvez um pouco menos intrigado.

Com uma nova descoberta de filamentos semelhantes, mas situados noutras galáxias, Zadeh e seus colaboradores introduziram, pela primeira vez, duas explicações possíveis para as origens desconhecidas dos filamentos.

Num novo artigo científico, publicado no início deste mês na revista The Astrophysical Journal Letters, Zadeh e os seus co-autores propõem que os filamentos podem resultar de uma interacção entre vento e nuvens em grande escala ou podem surgir de turbulência dentro de um campo magnético fraco.

“Nós já sabemos muito sobre os filamentos no nosso próprio Centro Galáctico, e agora os filamentos nas outras galáxias começam a aparecer como uma nova população de filamentos extra-galácticos”, disse Zadeh. “Os mecanismos físicos subjacentes a ambas as populações de filamentos são semelhantes, apesar dos ambientes serem muito diferentes.

Os objectos fazem parte da mesma família, mas os filamentos fora da Via Láctea são primos mais velhos e distantes – primos mesmo muito distantes (no tempo e no espaço)”.

Perito em radioastronomia, Zadeh é professor de física e astronomia na Faculdade Weinberg de Artes e Ciências da Universidade Northwestern e membro do CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics).

“Algo universal está a acontecer”

Os primeiros filamentos que Zadeh descobriu estendem-se até 150 anos-luz de comprimento, elevando-se perto do buraco negro central da Via Láctea. No início deste ano, Zadeh adicionou mais quase 1000 filamentos à sua colecção de observações.

Nesse lote, os filamentos uni-dimensionais aparecem aos pares e agrupados, muitas vezes empilhados e igualmente espaçados, lado a lado como cordas numa harpa ou de lado como ondulações individuais numa cascata.

Usando observações de radiotelescópios, Zadeh descobriu que os filamentos mistificantes são constituídos por electrões de raios cósmicos que giram ao longo de um campo magnético a uma velocidade próxima da velocidade da luz.

Embora Zadeh esteja a montar o puzzle da sua composição, ainda se perguntava de onde vinham. Quando os astrónomos descobriram uma nova população para lá da nossa própria Galáxia, isso forneceu novas oportunidades para investigar os processos físicos no espaço que rodeia os filamentos.

Os filamentos recentemente descobertos residem dentro de um enxame de galáxias, um emaranhado concentrado de milhares de galáxias localizado a mil milhões de anos-luz da Terra.

Algumas das galáxias dentro do enxame são radio-galáxias activas, que parecem ser terreno fértil para a formação de filamentos magnéticos em grande escala. Quando Zadeh viu pela primeira vez estes filamentos recentemente descobertos, ficou espantado.

“Depois de estudar filamentos no nosso próprio Centro Galáctico durante todos estes anos, fiquei extremamente entusiasmado por ver estas estruturas tremendamente belas”, disse. “Como encontrámos estes filamentos noutras partes do Universo, isso indica que algo universal está a acontecer”.

Gigantes galácticos

Embora a nova população de filamentos pareça semelhante à da nossa Via Láctea, existem algumas diferenças fundamentais. Os filamentos fora da Via Láctea, por exemplo, são muito maiores – entre 100 a 10.000 vezes mais longos. São também muito mais antigos e os seus campos magnéticos são mais fracos.

A maioria deles estão curiosamente “pendurados” – num ângulo de 90º – começando nos jactos de um buraco negro no vasto nada do meio intra-enxame, ou no espaço entre as galáxias do enxame.

Mas a população recentemente descoberta tem a mesma relação comprimento/largura que os filamentos da Via Láctea. E ambas as populações parecem transportar energia através dos mesmos mecanismos. Mais perto do jacto, os electrões dos filamentos são mais energéticos, mas perdem energia à medida que se deslocam mais para baixo no filamento.

Embora o jacto do buraco negro possa fornecer as partículas essenciais necessárias para criar um filamento, algo desconhecido deve estar a acelerar estas partículas ao longo de espantosas distâncias.

“Alguns deles têm tamanhos incríveis, até 200 quiloparsecs”, disse Zadeh. “Isto é cerca de quatro ou cinco vezes o tamanho de toda a nossa Via Láctea. O notável é que os seus electrões permanecem juntos numa escala tão longa.

Se um electrão viajasse à velocidade da luz ao longo do comprimento do filamento, demoraria 700.000 anos. E eles não viajam à velocidade da luz”.

Possibilidades promissoras

No novo artigo científico, Zadeh e colaboradores teorizam que a origem dos filamentos poderá ser uma simples interacção entre o vento galáctico e um obstáculo, tal como uma nuvem. À medida que o vento envolve o obstáculo, cria uma cauda semelhante à de um cometa por trás dele.

“O vento vem do movimento da própria galáxia à medida que gira”, explicou Zadeh. “É como quando se coloca a janela fora de um carro em movimento. Não há vento lá fora, mas sente-se o ar a mover-se.

Quando a galáxia se move, cria vento que pode estar a empurrar através de locais onde as partículas dos raios cósmicos estão bastante soltas. Varre o material e cria uma estrutura filamentar”.

As simulações, contudo, fornecem outra possibilidade viável. Quando os investigadores simularam um meio activo e turbulento, materializaram-se longas estruturas filamentares. À medida que as radio-galáxias se movem, explicou Zadeh, a gravidade pode afectar o meio e agitá-lo.

O meio forma então turbilhões. Após o fraco campo magnético envolver estes turbilhões, pode ser esticado, dobrado e amplificado – eventualmente tornando-se filamentos alongados com um forte campo magnético.

Embora ainda permaneçam muitas questões por responder, Zadeh fica maravilhado com as novas descobertas.

“Todos estes filamentos para lá da nossa Galáxia são muito antigos. São quase de uma época diferente do nosso Universo e no entanto sinalizam aos habitantes da Via Láctea que existe uma origem comum para a formação dos filamentos. Penso que existe uma origem comum para a formação dos filamentos. Penso que isto é notável”, disse o astrofísico Farhad Zadeh.

Astronomia On-line
22 de Novembro de 2022



 

723: Teoria da relatividade geral de Einstein pode ter uma falha

CIÊNCIA/TEORIA DA RELATIVIDADE GERAL/EINSTEIN

Um novo estudo descobriu uma possível lacuna na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que precisaria de ajustes para explicar como é que a gravidade funciona em escala cósmica.

(pd) Arthur Sasse
Albert Einstein, Prémio Nobel da Física em 1921 (adaptação da foto de Arthur Sasse)

Esta não é a primeira vez que a teoria de Einstein é posta em causa. Pavel Kroupa, professor de astrofísica, disse recentemente que está na altura de actualizar a teoria – porque temos mais e melhores métodos de observação do que há um século.

De acordo com a teoria da relatividade geral, tanto a energia quanto a matéria fazem o “tecido” do espaço-tempo distorcer, e a curvatura gerada nessa interacção física resulta na força da gravidade.

Assim, segundo o cientista alemão, objectos com campos gravitacionais fortes são capazes de desviar a trajectória da luz.

A teoria tem sido notavelmente bem-sucedida ao descrever a gravidade de estrelas e planetas, mas não parece aplicar-se perfeitamente em todas as escalas.

Por exemplo, a teoria de Einstein demonstra lacunas quando aplicada a distâncias extremamente pequenas, onde operam as leis da mecânica quântica, ou quando tentamos descrever todo o Universo.

Foi neste último ponto que o novo estudo, publicado em Outubro na revista Nature Astronomy, se focou.

A teoria quântica prevê que o vazio está repleto de energia. No entanto, de acordo com Einstein, a energia do vácuo tem uma gravidade repulsiva – afasta o espaço vazio. Curiosamente, em 1998, descobriu-se que a expansão do Universo está de facto a acelerar.

Contudo, a quantidade de energia do vácuo, ou energia escura, como tem sido chamada, necessária para explicar a aceleração é várias ordens de magnitude menor do que a teoria quântica prevê.

Daí a grande questão, apelidada de “o velho problema da constante cosmológica”, é se a energia do vácuo realmente gravita – exercendo uma força gravitacional e alterando a expansão do Universo.

Se sim, então porque é que a sua gravidade é muito mais fraca do que o previsto? Se o vácuo não gravita, o que está a causar a aceleração cósmica?

Não sabemos o que é a energia escura, mas precisamos de supor que existe para explicar a expansão do Universo. Da mesma forma, também precisamos de supor que existe um tipo de presença de matéria invisível, apelidada de matéria escura, para explicar como as galáxias e os aglomerados evoluíram para ser como são hoje.

O facto de que a maior parte do Universo é composto de forças e substâncias escuras, assumindo valores estranhos que não fazem sentido, levou muitos físicos a questionarem-se se a teoria da gravidade de Einstein precisa de modificação para descrever todo o Universo.

Uma nova reviravolta apareceu há alguns anos, quando se tornou aparente que diferentes formas de medir a taxa de expansão cósmica, apelidada de constante de Hubble, dão respostas diferentes – um problema conhecido como tensão de Hubble.

A discordância, ou tensão, é entre dois valores da constante de Hubble. Um é o número previsto pelo modelo cosmológico LCDM, que foi desenvolvido para corresponder à luz que sobrou do Big Bang.

A outra é a taxa de expansão medida pela observação de estrelas explosivas, conhecidas como super-novas, em galáxias distantes.

Muitas ideias teóricas foram propostas para formas de modificar o LCDM para explicar a tensão de Hubble. Entre elas estão as teorias alternativas da gravidade.

À procura de respostas

Podemos projectar testes para verificar se o Universo obedece às regras da teoria de Einstein. Neste novo estudo, os autores testaram as leis básicas da relatividade geral.

Também exploraram se a modificação de teoria de Einstein poderia ajudar a resolver alguns dos problemas em aberto da cosmologia, como a tensão de Hubble.

Para descobrir se a relatividade geral está correta em grandes escalas, os cientistas propuseram-se, pela primeira vez, a investigar simultaneamente três aspectos dela. Estes foram a expansão do Universo, os efeitos da gravidade sobre a luz e os efeitos da gravidade sobre a matéria.

Usando um método estatístico conhecido como inferência Bayesiana, reconstruiram a gravidade do Universo através da história cósmica num modelo de computador baseado nesses três parâmetros. De seguida, compararam a sua reconstrução com a previsão do modelo LCDM (essencialmente o modelo de Einstein).

Os cientistas encontraram pistas interessantes de uma possível incompatibilidade com a previsão de Einstein, embora com significância estatística bastante baixa. Isso significa que, no entanto, existe a possibilidade de que a gravidade funcione de maneira diferente em grandes escalas e que a teoria da relatividade geral precise de ser ajustada.

O estudo também descobriu que é muito difícil resolver o problema da tensão de Hubble mudando apenas a teoria da gravidade. A solução completa provavelmente exigiria um novo ingrediente no modelo cosmológico, presente antes do momento em que protões e electrões combinaram-se pela primeira vez para formar hidrogénio logo após o Big Bang, como uma forma especial de matéria escura, um tipo primitivo de energia escura ou campos magnéticos primordiais. Ou, talvez, haja um erro sistemático ainda desconhecido nos dados.

Dito isto, o estudo demonstrou que é possível testar a validade da relatividade geral sobre distâncias cosmológicas usando dados observacionais. Embora ainda não se tenha resolvido o problema do Hubble, teremos muito mais dados de novas sondas daqui a alguns anos.

Isso significa que poderemos usar esses métodos estatísticos para continuar a aprimorar a relatividade geral, explorando os limites das modificações, para pavimentar o caminho para resolver alguns dos desafios abertos na cosmologia.

ZAP // The Conversation
15 Novembro, 2022



 

656: Novo estudo encontrou os detritos planetários mais antigos da nossa Galáxia

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA

Impressão de artista das antigas anãs brancas, WDJ2147-4035 e WDJ1922+0233, rodeadas por detritos planetários em órbita, que são acretados nas estrelas e poluem as suas atmosferas. WDJ2147-4035 é extremamente vermelha e escura, enquanto que WDJ1922+0233 é invulgarmente azul.
Crédito: Universidade de Warwick/Dr. Mark Garlick

Astrónomos, liderados pela Universidade de Warwick, identificaram a estrela mais antiga na nossa Galáxia que está a acretar detritos de planetesimais em órbita, um dos mais antigos sistemas planetários rochosos e gelados descobertos na Via Láctea.

Os seus achados foram publicados na edição de 5 de Novembro da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, que concluem que uma ténue anã branca localizada a 90 anos-luz da Terra, bem como os remanescentes do seu sistema planetário em órbita, têm mais de 10 mil milhões de anos.

O destino da maioria das estrelas, incluindo aquelas como o nosso Sol, é tornarem-se uma anã branca. Uma anã branca é uma estrela que queimou todo o seu combustível e libertou as suas camadas exteriores e está agora a sofrer um processo de encolhimento e arrefecimento.

Durante este processo, quaisquer planetas em órbita serão perturbados e, em alguns casos, destruídos, restando os seus detritos que acretam para a superfície da anã branca.

Para este estudo, a equipa de astrónomos, liderada pela Universidade de Warwick, modelou duas anãs brancas invulgares que foram detectadas pelo observatório espacial Gaia da ESA.

Ambas as estrelas estão poluídas por detritos planetários, tendo uma delas sido encontrada com um tom invulgarmente azul, enquanto a outra é a mais ténue e vermelha encontrada até à data na nossa vizinhança galáctica – a equipa submeteu ambas a uma análise mais aprofundada.

Usando dados espectroscópicos e fotométricos do Gaia, do DES (Dark Energy Survey) e do instrumento X-Shooter no ESO para determinar há quanto tempo está a arrefecer, os astrónomos descobriram que a estrela “vermelha” WDJ2147-4035 tem cerca de 10,7 mil milhões de anos, dos quais 10,2 mil milhões foram passados a arrefecer como uma anã branca.

A espectroscopia envolve a análise da luz estelar em diferentes comprimentos de onda, que pode detectar quando os elementos da atmosfera da estrela estão a absorver luz a cores diferentes e ajuda a determinar quais são esses elementos e em que quantidade.

Ao analisar o espectro de WDJ2147-4035, a equipa encontrou a presença dos metais sódio, lítio, potássio e tentativamente carbono – fazendo desta a anã branca mais antiga, poluída por metais, descoberta até agora.

A segunda estrela “azul”, WDJ1922+0233, é apenas ligeiramente mais nova que WDJ2147-4035 e foi poluída por detritos planetários de composição semelhante à da crosta continental da Terra. A equipa científica concluiu que a cor azul de WDJ1922+0233, apesar da sua fria temperatura superficial, é provocada pela sua invulgar atmosfera mista de hélio-hidrogénio.

Os detritos encontrados na atmosfera de hélio quase puro e de alta gravidade da estrela vermelha WDJ2147-4035 são de um antigo sistema planetário que sobreviveu à evolução da estrela em anã branca, levando os astrónomos a concluir que este é o mais antigo sistema planetário em torno de uma anã branca descoberta na Via Láctea.

A autora principal Abbigail Elms, estudante de doutoramento no Departamento de Física da Universidade de Warwick, disse: “Estas estrelas poluídas por metais mostram que a Terra não é única, existem por aí outros sistemas planetários com corpos semelhantes à Terra.

97% de todas as estrelas tornar-se-ão anãs brancas e são tão omnipresentes no Universo que são muito importantes de compreender, especialmente estas extremamente frias.

Formadas a partir das estrelas mais antigas da nossa Galáxia, as anãs brancas frias fornecem informações sobre a formação e evolução dos sistemas planetários em torno das estrelas mais antigas da Via Láctea”.

“Estamos a encontrar os remanescentes estelares mais antigos da Via Láctea que foram poluídos por planetas outrora semelhantes à Terra. É espantoso pensar que isto aconteceu à escala de dez mil milhões de anos e que esses planetas morreram muito antes mesmo da Terra ter sido formada”.

Os astrónomos também podem utilizar os espectros da estrela para determinar a rapidez com que esses metais afundam no núcleo da estrela, o que lhes permite olhar para trás no tempo e determinar a abundância de cada um desses metais no corpo planetário original.

Ao comparar dessas abundâncias com corpos astronómicos e material planetário encontrado no nosso próprio Sistema Solar, podemos adivinhar como teriam sido esses planetas antes da estrela morrer e se tornar uma anã branca – mas no caso de WDJ2147-4035, isso provou ser um desafio.

Abbigail explica: “A estrela vermelha WDJ2147-4035 é um mistério, uma vez que os detritos planetários que acretou são muito ricos em lítio e potássio, ao contrário de qualquer objecto conhecido no nosso próprio Sistema Solar.

Esta é uma anã branca muito interessante, uma vez que a sua temperatura superficial ultra-fria, os metais que a poluem, a sua idade, e o facto de ser magnética, a tornam extremamente rara.

O professor Pier-Emmanuel Tremblay do Departamento de Física da Universidade de Warwick, disse: “Quando estas estrelas velhas se formaram, há mais de 10 mil milhões de anos, o Universo era menos rico em metais do que é agora, uma vez que os metais são formados em estrelas evoluídas e em explosões estelares gigantescas.

As duas anãs brancas observadas proporcionam uma janela excitante para a formação planetária num ambiente pobre em metais e rico em gás que era diferente das condições quando o Sistema Solar foi formado”.

Astronomia On-line
11 de Novembro de 2022



 

631: Big Bang pode estar errado. Há uma nova teoria para explicar o Universo

CIÊNCIA/FÍSICA/BIG BANG/UNIVERSO

Dois prestigiados físicos propuseram uma nova teoria para a formação do Universo, que deita completamente por terra a teoria do Big Bang.

Gerd Altmann / pixabay

De onde vem o Universo? Esta é uma pergunta que vários pensadores e cientistas tentaram responder desde sempre. A teoria mais consensual entre a comunidade científica é a do Big Bang.

Basicamente, a teoria do Big Bang afirma que todo o Universo começou a partir de uma singularidade, que vem a expandir-se há pelo menos 13,8 mil milhões de anos. A teoria foi proposta pela primeira vez em 1920. Mais tarde, a teoria foi desenvolvida pelo físico russo George Gamov.

Uma das suas principais sugestões foi que a formação dos núcleos atómicos nos primórdios do Universo deveria deixar como rasto uma radiação detectável, na faixa das micro-ondas.

Embora esta seja a teoria mais consensual, não quer dizer que os cientistas olhem para ela como uma verdade incontornável e irrefutável. Como tal, os prestigiados Sunny Vagnozzi e Avi Loeb propuseram uma nova teoria para a formação do Universo, que deita por terra a teoria do Big Bang.

Num estudo publicado na revista científica The Astrophysical Journal Letters, Vagnozzi e Loeb expõem sérios problemas na teoria do Big Bang, propondo eles próprios uma teoria que descreve tudo o que a primeira não consegue.

O estudo propõe “Big Bounce”, que sugere que o Universo observável é o resultado do fim de uma fase cosmológica e o início de outra. Ou seja, ao contrário da teoria actual que diz que antes do Big Bang não havia nada, é possível que houvesse alguma coisa, explica o El Confidencial.

Vagnozzi argumenta que o actual modelo de crescimento do Universo dá origem a um número praticamente ilimitado de universos modelo e não pode ser provado falso. Mas o facto de não ser provado falso não seria uma coisa boa?

Pode não parecer fazer sentido, mas a refutabilidade sempre foi a grande fraqueza do Big Bang. Não há forma de refutar a teoria, que é um importante pilar do método científico.

O princípio da refutabilidade, do austríaco Karl Popper, sugere que para uma asserção ser refutável ou falseável, é necessário que haja pelo menos uma experiência ou observação factíveis que, fornecendo determinado resultado, implique a falsidade da asserção. Por exemplo, a asserção “todos os corvos são pretos” poderia ser falseada pela observação de um corvo vermelho.

O paradigma inflaccionário do Big Bang não é falsificável porque é impossível observar qualquer potencial evidência para confirmá-lo ou refutá-lo devido à natureza da luz.

É aqui que entra a teoria de Vagnozzi e Loeb, que, por sua vez, é refutável. O estudo propõe uma experiência para detectar o fundo de grávitons primordiais — uma partícula teória proposta nos modelos de gravidade quântica — que demonstra que o Big Bounce pode ser a explicação para a origem do nosso Universo e daquilo que havia antes dele.

Daniel Costa, ZAP //
8 Novembro, 2022



 

625: Novo estudo cometário fornece uma visão sobre a composição química do Sistema Solar primitivo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA

Esta imagem, pelo WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA, mostra o cometa 65/P Gunn. Para este estudo, a investigadora compilou as quantidades de água, dióxido de carbono e monóxido de carbono de 25 cometas para testar as previsões de formação e evolução do Sistema Solar.
Crédito: NASA

Um novo estudo da Universidade da Florida Central descobriu fortes evidências de que a emissão de moléculas dos cometas pode ser o resultado da composição do início do nosso Sistema Solar.

Os resultados foram publicados na revista The Planetary Science Journal.

O estudo foi liderado por Olga Harrington Pinto, candidata a doutoramento no Departamento de Física da mesma universidade.

A medição da proporção de certas moléculas presentes após a emissão de gases dos cometas pode fornecer conhecimentos sobre a composição química dos primeiros sistemas solares e do processamento físico dos cometas após a sua formação, diz Harrington Pinto.

A libertação de gases ocorre quando os cometas, que são pequenos corpos de poeira, rocha e gelo no Sistema Solar, aquecem.

Como parte da sua investigação, Harrington Pinto compilou as quantidades de água, dióxido de carbono e monóxido de carbono de 25 cometas para testar as previsões da formação e evolução do Sistema Solar.

Isto permitiu o estudo de quase o dobro dos dados de monóxido de carbono/dióxido de carbono cometários. As medições vieram de uma variedade de publicações científicas.

Ela combinou cuidadosamente os dados obtidos com diferentes telescópios e diferentes equipas de investigação quando as medições eram simultâneas e pôde confirmar que os dados estavam todos bem calibrados.

“Um dos resultados mais interessantes é que cometas muito longe do Sol com órbitas na nuvem de Oort que nunca, ou só raramente, orbitaram perto do Sol, foram vistos a produzir mais CO2 do que CO na sua cabeleira, enquanto que cometas que fizeram muitas mais viagens perto do Sol comportam-se de forma oposta”, disse Harrington Pinto. “Isto nunca tinha sido visto de forma conclusiva antes”.

“Curiosamente, os dados são consistentes com as previsões de que os cometas que têm permanecido muito longe do Sol, na nuvem de Oort, podem ter sido bombardeados por raios cósmicos na sua superfície de tal forma que criaram uma camada externa pobre em CO”, explicou Harrington Pinto.

“Depois da sua primeira ou segunda viagem perto do Sol, esta camada exterior processada é arrancada pelo Sol, revelando uma composição muito mais pura, que liberta muito mais CO”.

A investigadora diz que o próximo passo do trabalho é analisar as primeiras observações de centauros que a sua equipa fez com o Telescópio Espacial James Webb a fim de medir directamente o monóxido de carbono e dióxido de carbono e assim comparar os resultados com este estudo.

Astronomia On-line
8 de Novembro de 2022



 

130: Cientistas sondam a energia escura, testando a gravidade

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA/COSMOLOGIA

Esta imagem – a primeira divulgada do Telescópio Espacial James Webb da NASA – mostra o enxame de galáxias SMACS 0723. Algumas das galáxias aparecem manchadas ou esticadas devido a um fenómeno chamado de lente gravitacional. Este efeito pode ajudar os cientistas a mapear a presença de matéria escura no universo.
Crédito: NASA, ESA, CSA, e STScI

O Universo está a expandir-se a um ritmo acelerado e os cientistas ainda não sabem porquê. Este fenómeno parece contradizer tudo o que os investigadores compreendem sobre o efeito da gravidade no cosmos: é como se se atirasse uma maçã para o ar e ela continuasse para cima, cada vez mais depressa. A causa da aceleração, apelidada de energia escura, continua a ser um mistério.

Um novo estudo pelo levantamento internacional DES (Dark Energy Survey), usando o Telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Chile, marca o esforço mais recente para determinar se tudo isto é simplesmente um mal-entendido: que as expectativas de como a gravidade funciona à escala de todo o Universo são defeituosas ou estão incompletas.

Este potencial mal-entendido pode ajudar os cientistas a explicar a energia escura. Mas o estudo – um dos testes mais precisos até agora da teoria da gravidade de Einstein à escala cósmica – conclui que o entendimento actual ainda parece estar correto.

Os resultados foram apresentados na passada quarta-feira, dia 23 de Agosto, na Conferência Internacional sobre Física de Partículas e Cosmologia (COSMO’22) no Rio de Janeiro.

O trabalho ajuda a preparar o palco para dois telescópios espaciais que irão sondar a nossa compreensão da gravidade com uma precisão ainda maior do que o novo estudo e talvez finalmente resolver o mistério.

Há mais de um século, Albert Einstein desenvolveu a sua Teoria da Relatividade Geral para descrever a gravidade e até agora tem previsto tudo com precisão tudo desde a órbita de Mercúrio até à existência de buracos negros.

Mas se esta teoria não consegue explicar a energia escura, alguns cientistas argumentaram, então talvez precisem de modificar algumas das suas equações ou acrescentar novos componentes.

Para descobrir se é esse o caso, os membros do DES procuraram evidências de que a força da gravidade tem variado ao longo da história do Universo ou ao longo de distâncias cósmicas.

Uma descoberta positiva indicaria que a teoria de Einstein está incompleta, o que poderia ajudar a explicar a expansão acelerada do Universo. Também examinaram dados de outros telescópios, além do Blanco, incluindo o satélite Planck da ESA, e chegaram à mesma conclusão.

O estudo conclui que a teoria de Einstein ainda funciona. Portanto, ainda não há explicação para a energia escura. Mas esta investigação irá alimentar duas próximas missões: a missão Euclid da ESA, com lançamento previsto para não antes de 2023, e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, com lançamento calendarizado o mais tardar para maio de 2027. Ambos os telescópios vão procurar alterações na força da gravidade ao longo do tempo ou da distância.

Visão desfocada

Como é que os cientistas sabem o que aconteceu no passado do Universo? Olhando para objectos distantes. Um ano-luz é uma medida da distância que a luz pode percorrer num ano (cerca de 9,5 biliões de quilómetros).

Isso significa que um objecto a um ano-luz de distância aparece-nos como era há um ano atrás, quando a luz deixou o objecto pela primeira vez. E as galáxias a milhares de milhões de anos-luz de distância aparecem-nos como eram há milhares de milhões de anos.

O novo estudo analisou galáxias que remontam há cerca de 5 mil milhões de anos. O telescópio Euclid vai mergulhar nas galáxias de há 8 mil milhões de anos, e o Roman vai olhar para trás 11 mil milhões de anos.

As galáxias, propriamente ditas, não revelam a força da gravidade, mas sim o seu aspecto quando vistas da Terra. A maioria da matéria no nosso Universo é matéria escura que não emite, não reflecte nem interage de outra forma com a luz.

Embora os cientistas não saibam do que é feita, sabem que está lá, porque a sua gravidade o demonstra: grandes reservatórios de matéria escura no nosso Universo distorcem o próprio espaço.

À medida que a luz viaja pelo espaço, encontra estas porções de espaço deformado, fazendo com que as imagens de galáxias distantes pareçam curvadas ou desfocadas. Isto foi exposto numa das primeiras imagens divulgadas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA.

Os cientistas do DES procuram imagens de galáxias para obter distorções mais subtis devido à matéria escura que “dobra” o espaço, um efeito chamado lente gravitacional fraca.

A força da gravidade determina o tamanho e a distribuição das estruturas de matéria escura, e o tamanho e a distribuição por sua vez determinam a forma como essas galáxias nos parecem deformadas.

É assim que as imagens podem revelar a força da gravidade a diferentes distâncias da Terra e em alturas diferentes ao longo da história do Universo. O grupo mediu agora as formas de mais de 100 milhões de galáxias e, até agora, as observações correspondem ao que é previsto pela teoria de Einstein.

“Ainda há espaço para desafiar a teoria da gravidade de Einstein, à medida que as medições se tornam cada vez mais precisas”, disse a co-autora Agnès Ferté, que realizou esta pesquisa como investigadora pós-doutorada no JPL.

“Mas ainda temos muito a fazer antes de estarmos prontos para o Euclid e para o Roman. De modo que é essencial que continuemos a colaborar com cientistas de todo o mundo neste problema, tal como temos feito com o DES”.

Astronomia On-line
26 de Agosto de 2022

Olhando para dentro de uma estrela de neutrões – novo modelo vai melhorar as informações recolhidas das ondas gravitacionais

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA

Uma fusão entre duas estrelas de neutrões.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/Laboratório CI

As oscilações nas estrelas de neutrões binárias, antes de se fundirem, podem ter grandes implicações para as informações que os cientistas recolhem a partir da detecção de ondas gravitacionais.

Investigadores da Universidade de Birmingham demonstraram a forma como estas vibrações únicas, provocadas pelas interacções entre os campos de maré das duas estrelas à medida que se aproximam, afectam as observações das ondas gravitacionais. O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

A tomada em consideração destes movimentos poderá fazer uma enorme diferença na nossa compreensão dos dados obtidos pelos instrumentos Advanced LIGO e Virgo, construídos para detectar ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – produzidas pela fusão de buracos negros e estrelas de neutrões.

Os investigadores pretendem ter um novo modelo pronto para a próxima campanha de observação do Advanced Ligo e modelos ainda mais avançados para a próxima geração de instrumentos do Advanced Ligo, chamada A+, que deverão começar a sua primeira campanha de observação em 2025.

Desde que as primeiras ondas gravitacionais foram detectadas pela Colaboração Científica LIGO e pela Colaboração Virgo em 2016, os cientistas têm-se concentrado em fazer avançar a sua compreensão das colisões massivas que produzem estes sinais, incluindo a física de uma estrela de neutrões a densidades supra nucleares.

O Dr. Geraint Pratten, do Instituto de Astronomia de Ondas Gravitacionais da Universidade de Birmingham, é o autor principal do artigo. Ele disse: “Os cientistas conseguem agora obter muitas informações cruciais sobre as estrelas de neutrões a partir das últimas detecções de ondas gravitacionais.

Detalhes como a relação entre a massa da estrela e o seu raio, por exemplo, fornecem uma visão crucial da física fundamental por detrás das estrelas de neutrões. Se negligenciarmos estes efeitos adicionais, a nossa compreensão da estrutura das estrelas de neutrões como um todo pode tornar-se profundamente enviesada”.

A Dra. Patricia Schmidt, co-autor do artigo e professora associada no mesmo instituto, acrescentou: “Estes aperfeiçoamentos são realmente importantes. Dentro de estrelas de neutrões individuais podemos começar a compreender o que se passa no interior do núcleo da estrela, onde a matéria existe a temperaturas e densidades que não podemos replicar em experiências laboratoriais.

A este ponto, podemos começar a ver átomos a interagir uns com os outros de formas que ainda não vimos – o que pode exigir novas leis da física”.

Os aperfeiçoamentos concebidos pela equipa representam a última contribuição da Universidade de Birmingham para o programa Advanced LIGO. Os investigadores têm estado profundamente envolvidos na concepção e desenvolvimento dos detectores desde as primeiras fases do programa.

Olhando para o futuro, a estudante de doutoramento Natalie Williams já está a progredir no trabalho de cálculos para refinar e calibrar ainda mais os novos modelos.

Astronomia On-line
23 de Agosto de 2022

Fermi da NASA confirma “destroço” estelar como fonte de partículas cósmicas extremas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Os astrónomos há muito que procuram os locais de lançamento de alguns dos protões mais energéticos da nossa Galáxia. Agora, um estudo utilizando 12 anos de dados do Telescópio Espacial Fermi da NASA confirma um remanescente de super-nova que é exactamente um desses locais.

O Fermi mostrou que as ondas de choque de estrelas que explodiram impulsionam as partículas a velocidades comparáveis às da luz. Chamados raios cósmicos, estas partículas assumem principalmente a forma de protões, mas podem incluir núcleos atómicos e electrões. Dado que transportam uma carga eléctrica, os seus percursos tornam-se confusos à medida que atravessam o campo magnético da nossa Galáxia.

Uma vez que já não podemos dizer de que direcção tiveram origem, isto mascara o seu local de nascimento. Mas quando estas partículas colidem com gás interestelar perto do remanescente de super-nova, produzem um brilho em raios-gama – a forma mais energética de luz que existe.

“Os teóricos pensam que os protões mais energéticos dos raios cósmicos na Via Láctea atingem 1×10^15 eV (mil biliões electrões-volt), ou energias PeV”, disse Ke Fang, professora assistente de física na Universidade de Wisconsin, Madison. “A natureza precisa das suas fontes, fontes estas que chamamos ‘PeVatrons’, tem sido difícil de localizar”.

Presas por campos magnéticos caóticos, as partículas atravessam repetidamente a onda de choque da super-nova, ganhando velocidade e energia com cada passagem. Eventualmente, o remanescente já não consegue segurá-las e deslocam-se velozmente para o espaço interestelar.

Aceleradas até cerca de 10 vezes a energia reunida pelo acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o LHC (Large Hadron Collider), os protões PeV estão à beira de escapar por completo da nossa Galáxia.

Os astrónomos identificaram alguns PeVatrons suspeitos, incluindo um no centro da nossa Galáxia. Naturalmente, os remanescentes de super-nova encabeçam a lista de candidatos. No entanto, dos cerca de 300 remanescentes conhecidos, apenas alguns foram encontrados a emitir raios-gama com energias suficientemente elevadas.

Um “destroço” estelar em particular tem merecido muita atenção por parte dos astrónomos de raios-gama. De nome G106.3+2.7, é uma nuvem em forma de cometa localizada a cerca de 2600 anos-luz de distância na direcção da constelação de Cefeu. Um pulsar brilhante cobre a extremidade norte do remanescente de super-nova e os astrónomos pensam que ambos os objectos se formaram na mesma explosão.

O LAT (Large Area Telescope) do Fermi, o seu instrumento primário, detetou raios-gama na faixa de energias GeV (milhares de milhões electrões-volt) oriundos da cauda estendida do remanescente (para comparação, a energia da luz visível mede entre 2 e 3 electrões-volt).

O VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) no Observatório Fred Lawrence Whipple, no sul do estado norte-americano do Arizona, registou raios-gama ainda mais energéticos da mesma região.

E tanto o HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory) no México como a Tibet AS-Gamma Experiment na China detetaram fotões com energias de 100 TeV (100 biliões electrões-volt) da área estudada pelo Fermi e pelo VERITAS.

“Este objecto tem sido uma fonte de interesse considerável já há algum tempo, mas para o coroar como PeVatron, temos que provar que está a acelerar protões”, explicou o co-autor Henrike Fleischhack da Universidade Católica da América em Washington e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland.

“O senão é que os electrões acelerados para algumas centenas de TeV podem produzir a mesma emissão. Agora, com a ajuda de 12 anos de dados Fermi, pensamos ter argumentos suficientes para dizer que G106.3+2.7 é, de facto, um PeVatron”.

Um artigo científico que detalha as conclusões, liderado por Fang, foi publicado dia 10 de Agosto na revista Physical Review Letters.

O pulsar, J2229+6114, emite os seus próprios raios-gama num feixe parecido ao de um farol enquanto gira, e este brilho domina a região a energias de alguns GeV. A maior parte desta emissão ocorre na primeira metade da rotação do pulsar. A equipa efectivamente desligou o pulsar ao analisar apenas os raios-gama que chegam da última parte do ciclo. Abaixo dos 10 GeV, não há emissão significativa da cauda do remanescente.

Acima desta energia, a interferência do pulsar é insignificante e a fonte adicional torna-se facilmente aparente. A análise detalhada da equipa favorece esmagadoramente os protões PeV como as partículas que conduzem esta emissão de raios-gama.

“Até agora, G106.3+2.7 é único, mas pode revelar-se o membro mais brilhante de uma nova população de remanescentes de super-nova que emitem raios-gama e que atingem energias na faixa dos TeV”, realça Fang. “Fontes adicionais poderão ser reveladas através de observações futuras pelo Fermi e por observatórios de raios-gama a energias muito altas”.

Astronomia On-line
12 de Agosto de 2022