Pergunte a Ethan #48: De onde vem a rotação cósmica?
De átomos a sistemas solares e galáxias, tudo parece ter rotação e revolução. Onde é que isso veio?
Crédito da imagem: câmera Fermilab / DOE / Dark Energy; Pesquisa de Energia Escura.
No meu melhor senso de espírito, sei que estou longe de estar sozinho e longe do pior, e a terra continua girando. Tudo continua se movendo, com ou sem mim. – Phil Anselmo
Finalmente chegamos ao fim de uma semana extremamente ocupada e repleta de informações aqui em Começa com um estrondo , e ainda assim todos vocês de alguma forma encontraram tempo para continuar a enviar seus perguntas e sugestões para nossa coluna semanal Pergunte ao Ethan. A seleção desta semana vem de um leitor relativamente novo, Eric, que quer saber o seguinte:
Então, aqui está uma pergunta sobre a qual eu me pergunto desde que eu era menino (tenho 44 anos agora). Ao nosso redor, do micro ao macro, vemos coisas girando em torno de outras coisas: elétrons em torno de núcleos, luas em torno de planetas, planetas em torno de estrelas, estrelas em torno de núcleos de galáxias (eu acho). As galáxias giram, ou orbitam, em torno de algo? Se sim, você pode especular sobre o que pode ser? Depois de ler Pergunte ao Ethan #45 , agora me pergunto se os universos também giram em torno de alguma coisa. Existe alguma maneira de saber?
Na verdade, são várias perguntas em uma, então vamos começar do início: o muito começo!
Crédito da imagem: tutorial de cosmologia de Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_04.htm .
Antes de nosso Universo estar cheio de matéria, radiação, neutrinos, matéria escura ou qualquer uma das partículas que encontramos atualmente nele, ele estava em um estado de rápida expansão, onde a única energia encontrada em nosso espaço-tempo era a energia intrínseca ao próprio espaço. Este foi o período de inflação cósmica que deu origem ao Big Bang que identificamos com o nascimento do que chamamos de nosso Universo. Durante esse tempo, até onde sabemos, houve flutuações quânticas produzidas, mas elas não podiam interagir umas com as outras, pois a expansão do espaço era muito rápida para permitir interações mediadas apenas na velocidade da luz. Até onde podemos dizer, a expansão foi a mesma em todos os lugares e em todas as direções, sem nenhum eixo preferencial particular de qualquer tipo.
Mas quando a inflação terminou, essa energia intrínseca ao espaço foi convertida em matéria, antimatéria e radiação, e essas flutuações quânticas deram origem a regiões superdensas e subdensas em um Universo em rápida expansão.
Crédito da imagem: Brookhaven National Laboratory, via http://www.bnl.gov/science/QCD-matter.php .
É o que identificamos como a grande explosão . Desde o início, todas as partículas fundamentais nascem com uma intrínseco momento angular: uma propriedade conhecida como spin que não pode ser separada da própria partícula. Cada elétron, quark e neutrino tem um spin de ±½, enquanto todo glúon ou fóton tem um spin de ±1. Grávitons, assumindo que a gravidade é quantizada da maneira que acreditamos que seja, tem um spin de ±2; apenas o bóson de Higgs, de todas as partículas fundamentais, tem um spin que é intrinsecamente zero.
Crédito da imagem: Pauline Gagnon de Quantum Diaries, via http://www.quantumdiaries.org/2014/03/14/the-standard-model-a-beautiful-but-flawed-theory/ .
Quando essas partículas são criadas, elas ainda não tiveram a oportunidade de interagir umas com as outras. É justo dizer que, até onde sabemos, o Universo não nasce com nenhuma partícula orbitando outra. Mas partículas está nascido com energias cinéticas intrínsecas e em locais com densidades variáveis. À medida que colidem e interagem gravitacionalmente, as regiões superdensas atraem gravitacionalmente mais e mais matéria e energia, enquanto as regiões subdensas ficam ainda mais esparsas, cedendo sua matéria e energia para as regiões relativamente mais densas próximas.
Crédito de imagem: UC Davis ChemWiki, via http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Quantum_Mechanics/Atomic_Theory/Electrons_in_Atoms/Electronic_Orbitals , sob c.c.-by-3.0.
À medida que o Universo esfria, os quarks se condensam em núcleos atômicos, que têm seus próprios momentos angulares intrínsecos, governados pelas leis da física nuclear e de partículas. Da mesma forma, quando o Universo esfria o suficiente para que átomos neutros possam se formar, não é bem um modelo de órbita planetária como você pode pensar em la the átomo de Bohr , mas ocupam estados quânticos específicos, todos com seu próprio spin intrínseco e momento angular orbital, como ilustrado acima.
Com o tempo, o Universo forma esses átomos neutros, as diferenças gravitacionais entre uma região subdensa e uma região superdensa foram ampliadas muitas vezes em relação ao que o Universo nasceu.
Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.
Mesmo quando o Universo é muito jovem, temos regiões gravitacionalmente únicas – regiões que se transformarão em estrelas, galáxias, aglomerados e muito mais – que se movem uma em relação à outra e exercem uma força gravitacional umas sobre as outras. A menos que duas dessas fontes gravitacionais tenham a extraordinariamente improvável propriedades de Ambas sendo perfeitamente esférica e também se movendo com uma velocidade que é só ao longo da linha imaginária que os liga, eles vão exercer um tipo de força muito especial um sobre o outro: uma torque de maré .
Crédito da imagem: Toomre & Toomre '72 , através da https://www.astro.virginia.edu/class/whittle/astr553/Topic12/Lecture_12.html .
Cada pedaço de matéria e energia que se move relativamente desalinhado com qualquer outro pedaço de matéria e energia causa uma interação gravitacional que cria um torque, da mesma forma que empurrar para cima ou para baixo uma chave faz com que uma porca se solte. virar.
Crédito da imagem: usuário 745 TurboGreasel da TurboBricks, através http://turbobricks.com/forums/showthread.php?t=286553 .
Esses torques ocorrem em escalas grandes e pequenas e afetam cada pedaço de matéria que conhecemos, até átomos individuais interagindo uns com os outros. Conforme o tempo passa e o colapso gravitacional começa a acontecer, essas pequenas quantidades de momento angular – 50% dos quais devem ser no sentido horário e 50% dos quais devem ser no sentido anti-horário – são suficientes para fazer com que essas coleções enormes e massivas girem muito lentamente.
Mas certas coisas na física são especiais porque são quantidades conservadas. Você provavelmente está familiarizado com a conservação de energia: a afirmação de que a energia não pode ser criada ou destruída. Um pouco menos conhecida é a conservação do momento, que também não pode ser criada ou destruída. Mas o que a maioria das pessoas não percebe é que o momento angular também é uma dessas quantidades. Você pode ver isso aplicado, no entanto, se observar uma patinadora giratória puxando seus braços e pernas para perto de seu corpo.
Crédito da imagem: filmagem de Richard Peters, recuperada em https://lh5.googleusercontent.com/-K1ENl91eaoQ/UAoBTAy-kUI/AAAAAAAAJFE/0Pcyi9762Gw/s1600/2-10-denseanddenser.012a.gif .
Ao alterar o que é conhecido como seu momento de inércia (aproximando sua distribuição de massa de seu eixo de rotação), a conservação do momento angular determina que sua velocidade angular (ou velocidade de rotação) deve aumentar para compensar. Nosso Sol, por exemplo, gira com um período de pouco menos de um mês. Se, no entanto, fôssemos reduzi-lo a uma anã branca - um objeto do tamanho da Terra - sua velocidade angular teria que aumentar tão substancialmente que giraria uma vez a cada trinta e seis minutos !
Crédito da imagem: Impressão artística de Sirius A e B, uma estrela classe A e uma anã branca; NASA, ESA e G. Bacon (STScI).
Quando se trata de sistemas estelares, planetas e luas individuais ou galáxias como um todo, o fato de vermos mais do que um único objeto denso e estacionário é evidência de que cada sistema conhecido no Universo experimentou essas interações de maré, e tem uma quantidade diferente de zero de momento angular em relação aos outros objetos no Universo.
Crédito da imagem: Gemini South Telescope / GMOS, o Gemini Multi-Object Spectrograph.
Em outras palavras, embora muitas vezes é um buraco negro no centro das galáxias, sua presença não é de forma alguma o responsável pela rotação da galáxia: a galáxia continuaria a girar e as estrelas continuariam a girar em torno dela mesmo na ausência total de uma! Na verdade, vemos muitas galáxias espirais sem buracos negros centrais discerníveis, e eles se saem muito bem.
A gravitação, a inevitável física dos torques e a conservação do momento angular são o motivo pelo qual tudo gira.
Crédito da imagem:Nemeti, Istvan et ai. arXiv: 0811.2910 [gr-qc].
Por outro lado, e se considerarmos todo o Universo como um todo? Nós pensar que o universo não tem qualquer rotação geral , porque a gravitação não teve (e terá Nunca têm) a oportunidade de interagir em escalas maiores do que o nosso Universo observável é hoje, mas tudo o que temos são restrições neste momento. O universo poderia tem, em princípio, uma certa quantidade de momento angular com o qual nasceu em geral, e isso nos daria um mistério ainda maior para investigar!
Obrigado por uma ótima pergunta, Eric, e se você quiser enviar sua perguntas e sugestões para ter uma chance de ser o próximo Ask Ethan, envie-os. Até a próxima semana, tenha um ótimo!
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