• Começa Com Um Estrondo

11 avanços científicos dos últimos 100 anos nos deram todo o nosso Universo

A visão do SDSS no infravermelho - com APOGEE - da Via Láctea vista em direção ao centro. 100 anos atrás, esta era a nossa concepção de todo o Universo. Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey.

De um Universo que não era maior que nossa Via Láctea para os trilhões de galáxias em nosso Universo em expansão, nosso conhecimento aumentou um passo de cada vez.

Gamow foi fantástico em suas ideias. Ele estava certo, ele estava errado. Mais frequentemente errado do que certo. Sempre interessante; … e quando sua ideia não estava errada, não era apenas certa, era nova. – Eduardo Teller

Exatamente 100 anos atrás, nossa concepção do Universo era muito diferente do que é hoje. As estrelas dentro da Via Láctea eram conhecidas, e eram conhecidas por estarem a distâncias de até milhares de anos-luz de distância, mas nada foi pensado para estar mais longe. Supunha-se que o Universo era estático, já que as espirais e elípticas no céu eram consideradas objetos contidos dentro de nossa própria galáxia. A gravidade de Newton ainda não havia sido derrubada pela nova teoria de Einstein, e ideias científicas como o Big Bang, a matéria escura e a energia escura ainda não haviam sido pensadas. Mas durante cada década, grandes avanços foram feitos, até os dias atuais. Aqui está um destaque de como cada um avançou nossa compreensão científica do Universo.

Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Crédito da imagem: The Illustrated London News, 1919.

década de 1910 — A teoria de Einstein confirmada! A Relatividade Geral ficou famosa por explicar que a gravidade de Newton não podia: a precessão da órbita de Mercúrio ao redor do Sol. Mas não basta que uma teoria científica explique algo que já observamos; ele precisa fazer uma previsão sobre algo que ainda está para ser visto. Embora tenha havido muitos ao longo do século passado – dilatação do tempo gravitacional, lentes fortes e fracas, arrastamento do quadro, desvio gravitacional para o vermelho, etc. – o primeiro foi a curvatura da luz das estrelas durante um eclipse solar total, observado por Eddington e seus colaboradores em 1919. A quantidade observada de curvatura da luz das estrelas ao redor do Sol era consistente com Einstein e inconsistente com Newton. Assim, nossa visão do Universo mudaria para sempre.

A descoberta do Hubble de uma variável Cefeida na galáxia de Andrômeda, M31, abriu o Universo para nós. Crédito da imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e Hubble Heritage Team. Crédito da imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e Hubble Heritage Team.

década de 1920 — Ainda não sabíamos que existia um Universo além da Via Láctea, mas tudo mudou na década de 1920 com o trabalho de Edwin Hubble. Enquanto observava algumas das nebulosas espirais no céu, ele conseguiu identificar estrelas individuais e variáveis ​​do mesmo tipo que eram conhecidas na Via Láctea. Só que seu brilho era tão baixo que precisavam estar a milhões de anos-luz de distância, colocando-os muito fora da extensão de nossa galáxia. O Hubble não parou por aí, medindo a velocidade de recessão e as distâncias para mais de uma dúzia de galáxias, descobrindo o vasto Universo em expansão que conhecemos hoje.

As duas galáxias grandes e brilhantes no centro do Aglomerado Coma, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (direita), cada uma excede um milhão de anos-luz de tamanho. Mas as galáxias nos arredores, girando tão rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona.

década de 1930 — Durante muito tempo pensou-se que se você pudesse medir toda a massa contida nas estrelas, e talvez adicionar o gás e a poeira, seria responsável por toda a matéria do Universo. No entanto, ao observar as galáxias dentro de um aglomerado denso (como o aglomerado Coma, acima), Fritz Zwicky mostrou que as estrelas e o que conhecemos como matéria normal (ou seja, átomos) eram insuficientes para explicar os movimentos internos desses aglomerados. Ele apelidou este novo assunto matéria escura , ou matéria escura, uma observação que foi amplamente ignorada até a década de 1970, quando a matéria normal foi melhor compreendida, e a matéria escura mostrou existir em grande abundância em galáxias individuais em rotação. Agora sabemos que supera a matéria normal em uma proporção de 5:1.

A linha do tempo da história do nosso Universo observável, onde a porção observável se expande para tamanhos cada vez maiores à medida que avançamos no tempo para longe do Big Bang. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

década de 1940 — Enquanto a grande maioria dos recursos experimentais e observacionais foi para satélites espiões, foguetes e o desenvolvimento da tecnologia nuclear, os físicos teóricos ainda estavam trabalhando duro. Em 1945, George Gamow fez a derradeira extrapolação do Universo em expansão: se o Universo está a expandir-se e a arrefecer hoje, então deve ter sido mais quente e mais denso no passado. Voltando para trás, deve ter havido um tempo em que era tão quente e denso que os átomos neutros não podiam se formar, e antes disso onde os núcleos atômicos não podiam se formar. Se isso fosse verdade, então antes de qualquer estrela se formar, esse material com o qual o Universo começou deveria ter uma proporção específica dos elementos mais leves, e deveria haver um brilho remanescente permeando todas as direções do Universo apenas alguns graus acima do zero absoluto hoje. . Essa estrutura é hoje conhecida como Big Bang e foi a maior ideia da década de 1940.

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. O processo de fusão, em estrelas semelhantes ao Sol, bem como em seus primos mais massivos, é o que nos permite construir os elementos pesados ​​presentes em todo o Universo hoje. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Kelvinsong.

década de 1950 — Mas uma ideia concorrente ao Big Bang foi o modelo Steady-State, apresentado por Fred Hoyle e outros na mesma época. Espetacularmente, ambos os lados argumentaram que todos os elementos mais pesados ​​presentes na Terra hoje foram formados em um estágio anterior do Universo. O que Hoyle e seus colaboradores argumentaram foi que eles foram feitos não durante um estado inicial, quente e denso, mas sim em gerações anteriores de estrelas. Hoyle, juntamente com os colaboradores Willie Fowler e Geoffrey e Margaret Burbidge, detalhou exatamente como os elementos seriam construídos na tabela periódica a partir da fusão nuclear que ocorre nas estrelas. Mais espetacularmente, eles previram a fusão do hélio em carbono através de um processo nunca antes observado: o processo triplo-alfa, exigindo um novo estado de carbono para existir. Esse estado foi descoberto por Fowler alguns anos depois de ter sido proposto por Hoyle, e hoje é conhecido como o Estado Hoyle do carbono. Com isso, aprendemos que todos os elementos pesados ​​existentes na Terra hoje devem sua origem a todas as gerações anteriores de estrelas.

Se pudéssemos ver a luz de microondas, o céu noturno se pareceria com o oval verde a uma temperatura de 2,7 K, com o ruído no centro contribuído por contribuições mais quentes do nosso plano galáctico. Essa radiação uniforme, com um espectro de corpo negro, é evidência do brilho remanescente do Big Bang: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

década de 1960 — Após cerca de 20 anos de debate, a observação chave que decidiria a história do Universo foi descoberta: a descoberta do brilho remanescente previsto do Big Bang, ou o Fundo de Microondas Cósmica. Essa radiação uniforme de 2,725 K foi descoberta em 1965 por Arno Penzias e Bob Wilson, nenhum dos quais percebeu o que havia descoberto a princípio. No entanto, com o tempo, todo o espectro de corpo negro dessa radiação e até mesmo suas flutuações foram medidos, mostrando-nos que o Universo começou com um estrondo, afinal.

Os primeiros estágios do Universo, antes do Big Bang, são o que estabeleceram as condições iniciais das quais tudo o que vemos hoje evoluiu. Essa foi a grande ideia de Alan Guth: inflação cósmica. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB.

década de 1970 — No final de 1979, um jovem cientista teve a ideia de uma vida. Alan Guth, procurando uma maneira de resolver alguns dos problemas inexplicáveis ​​do Big Bang – por que o Universo era tão espacialmente plano, por que tinha a mesma temperatura em todas as direções e por que não havia relíquias de ultra-alta energia – veio sobre uma ideia conhecida como inflação cósmica. Diz que antes do Universo existir em um estado quente e denso, ele estava em um estado de expansão exponencial, onde toda a energia estava ligada ao tecido do próprio espaço. Foram necessárias várias melhorias nas ideias iniciais de Guth para criar a moderna teoria da inflação, mas observações subsequentes – incluindo as flutuações na CMB, a estrutura em grande escala do Universo e a forma como as galáxias se aglomeram, se aglomeram e se formam – todos confirmaram as previsões da inflação. Não apenas nosso Universo começou com um estrondo, mas havia um estado que existia antes que o Big Bang quente ocorresse.

O remanescente da supernova 1987a, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos. Crédito da imagem: Noel Carboni e ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator.

década de 1980 — Pode não parecer muito, mas em 1987, a supernova mais próxima da Terra ocorreu em mais de 100 anos. Foi também a primeira supernova a ocorrer quando tínhamos detectores online capazes de encontrar neutrinos desses eventos! Embora tenhamos visto muitas supernovas em outras galáxias, nunca antes uma ocorreu tão perto que os neutrinos dela pudessem ser observados. Esses cerca de 20 neutrinos marcaram o início da astronomia de neutrinos, e os desenvolvimentos subsequentes levaram à descoberta de oscilações de neutrinos, massas de neutrinos e neutrinos de supernovas que ocorrem a mais de um milhão de anos-luz de distância. Se os detectores atuais ainda estiverem operacionais, a próxima supernova dentro de nossa galáxia terá mais de cem mil neutrinos detectados.

Os quatro destinos possíveis do Universo, com o exemplo de baixo se ajustando melhor aos dados: um Universo com energia escura. Isso foi descoberto pela primeira vez com observações distantes de supernovas. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

década de 1990 — Se você achava que a matéria escura e descobrir como o Universo começou era um grande negócio, então você só pode imaginar o choque que foi em 1998 descobrir como o Universo iria acabar! Historicamente, imaginamos três destinos possíveis:

• Que a expansão do Universo seria insuficiente para superar a atração gravitacional de tudo, e o Universo entraria em colapso em um Big Crunch.
• Que a expansão do Universo seria grande demais para a gravitação combinada de tudo, e tudo no Universo fugiria um do outro, resultando em um Big Freeze.
• Ou que estaríamos bem na fronteira entre esses dois casos, e a taxa de expansão seria assíntota a zero, mas nunca a atingiria: um Universo Crítico.

Em vez disso, porém, supernovas distantes indicavam que a expansão do Universo estava se acelerando e que, com o passar do tempo, galáxias distantes estavam aumentando sua velocidade umas das outras. Não apenas o Universo congelará, mas todas as galáxias que ainda não estão ligadas umas às outras acabarão desaparecendo além do nosso horizonte cósmico. Além das galáxias em nosso grupo local, nenhuma outra galáxia jamais encontrará nossa Via Láctea, e nosso destino será realmente frio e solitário. Em outros 100 bilhões de anos, seremos incapazes de ver galáxias além da nossa.

As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas foram primeiro medidas com precisão pelo COBE na década de 1990, depois com mais precisão pelo WMAP na década de 2000 e pelo Planck (acima) na década de 2010. Esta imagem codifica uma enorme quantidade de informações sobre o Universo primitivo. Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

anos 2000 — A descoberta do Fundo Cósmico de Microondas não terminou em 1965, mas nossas medições das flutuações (ou imperfeições) no brilho remanescente do Big Bang nos ensinaram algo fenomenal: exatamente do que o Universo era feito. Os dados do COBE foram substituídos pelo WMAP, que por sua vez foi aprimorado pelo Planck. Além disso, dados de estrutura em grande escala de pesquisas de grandes galáxias (como 2dF e SDSS) e dados de supernovas distantes se combinaram para nos dar nossa imagem moderna do Universo:

• 0,01% de radiação na forma de fótons,
• 0,1% de neutrinos, que contribuem ligeiramente para os halos gravitacionais que cercam galáxias e aglomerados,
• 4,9% de matéria normal, que inclui tudo feito de partículas atômicas,
• 27% de matéria escura, ou as misteriosas partículas não interativas (exceto gravitacionalmente) que dão ao Universo a estrutura que observamos,
• e 68% de energia escura, inerente ao próprio espaço.

Os sistemas de Kepler-186, Kepler-452 e nosso Sistema Solar. Embora o planeta em torno de uma estrela anã vermelha como Kepler-186 seja interessante por si só, Kepler-452b pode ser muito mais parecido com a Terra por várias métricas. Crédito da imagem: NASA/JPL-CalTech/R. Ferido.

anos 2010 — A década ainda não acabou, mas até agora já descobrimos nossos primeiros planetas habitáveis ​​potencialmente semelhantes à Terra, entre os milhares e milhares de novos exoplanetas descobertos pela missão Kepler da NASA, entre outros. No entanto, sem dúvida, essa nem é a maior descoberta da década, pois a detecção direta de ondas gravitacionais do LIGO não apenas confirma a imagem que Einstein pintou pela primeira vez, da gravidade, em 1915. Mais de um século depois que a teoria de Einstein estava competindo pela primeira vez com a de Newton para ver quais eram as regras gravitacionais do Universo, a relatividade geral passou em todos os testes lançados, chegando até as menores complexidades já medidas ou observadas.

Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável ao que o LIGO viu. A expectativa é que haja muito pouco em termos de um sinal eletromagnético emitido por tal fusão, mas a presença de matéria fortemente aquecida em torno desses objetos pode mudar isso. Crédito da imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

A história científica ainda não está pronta, pois ainda há muito mais do Universo para descobrir. No entanto, esses 11 passos nos levaram de um Universo de idade desconhecida, não maior do que nossa própria galáxia, composta principalmente de estrelas, para um Universo em expansão e resfriamento alimentado por matéria escura, energia escura e nossa própria matéria normal, repleta de materiais potencialmente habitáveis. planetas e isso tem 13,8 bilhões de anos, originado em um Big Bang que foi criado pela inflação cósmica. Conhecemos a origem do nosso Universo, seu destino, como é hoje e como veio a ser assim. Que os próximos 100 anos tragam tantos avanços científicos, revoluções e surpresas para todos nós.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: