Pergunte ao Ethan nº 64: O que acontece com a matéria à medida que o Universo se expande?
Crédito da imagem: Alex Mittelmann, Cold Creation.
A radiação é esticada para comprimentos de onda cada vez mais longos à medida que o próprio espaço se expande, mas o que acontece com a matéria?
As árvores que demoram a crescer dão os melhores frutos. – Molière
Não é apenas o final da semana e, portanto, é hora de outro Ask Ethan, onde damos uma olhada em seu perguntas e sugestões para basear uma coluna, mas é hora de escolher o primeiro vencedor do nosso concurso de fim de ano! Graças a Steve Cariddi, temos cinco exemplares de o calendário do ano no espaço de 2015 para oferecer aos sortudos que fizerem perguntas que tenham seu tópico selecionado para nossa coluna até o final deste ano, e nosso primeiro vencedor é Andrej Novak, que pergunta:
[O] Big Bang… diz que à medida que o espaço-tempo está se expandindo, isso está causando o deslocamento da luz para comprimentos de onda mais longos. A expansão do espaço-tempo afeta as partículas de matéria de alguma forma? Afinal, as partículas de matéria têm um tamanho finito.
Esta é uma pergunta incrível, quando você pensa sobre isso.
Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003 — 2014 Conjecture Corporation, via http://www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.
Por um lado, há uma história incrível que começou a acontecer em nosso Universo há cerca de 13,8 bilhões de anos e continua até hoje. Toda a matéria e energia do Universo - em todo suas formas - estava em um estado quente e denso e estava se expandindo. Não estava se expandindo como os fragmentos de uma explosão se expandem, mas sim como a massa de pão que cresce no forno.
Se você imaginar cada pedacinho de matéria como um átomo nesse pão, poderá começar a entender como funciona a expansão do Universo.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP, via http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html .
Do ponto de vista de um único átomo, todos os de outros os átomos parecem se afastar dele, com os que começam mais longe parecendo se expandir ainda mais rápido do que os mais próximos. Isso não ocorre porque qualquer um dos átomos está se movendo, ou porque os átomos distantes estão se movendo mais rápido do que os próximos, mas sim porque o próprio espaço onde os átomos vivem está se expandindo .
E se o próprio espaço se expande, então o Universo consegue fazer uma coisa notável com tudo o que nele reside.
Crédito da imagem: James Imamura da Universidade de Oregon, via http://hendrix2.uoregon.edu/~imamura/123cs/lecture-5/lecture-5.html .
Isto esfria tudo abaixo! Para radiação, é fácil entender o porquê. Toda radiação tem um comprimento de onda particular, e esse comprimento de onda é a propriedade que define sua energia.
Então, o que acontece no Universo quando as distâncias se expandem? Esses comprimentos de onda esticar , e as energias caem. É isso que permite que átomos neutros se formem a partir de um mar de plasma ionizado: os elétrons e núcleos que se formam espontaneamente usado que os fótons os destruam, mas à medida que o Universo esfria, eles não têm mais energia suficiente para fazê-lo.
Crédito da imagem: Pearson Education / Addison-Wesley.
Como resultado, acabamos com átomos neutros e, dezenas a centenas de milhões de anos depois, eles colapsam em estrelas e galáxias. À medida que o Universo continua a se expandir, a radiação continua a esfriar, à medida que seu comprimento de onda continua a se esticar. Já nos esforçamos muito para explique por que isso acontece para a radiação .
Mas e sobre o assunto ? Afinal, esse assunto começou a se mover muito rápido também, e algo precisava acontecer para esfriar isto também, ou não poderia ter colapsado em estrelas e galáxias. Lembre-se, para uma nuvem molecular se agrupar e formar estrelas, o gás precisa estar frio ou não funcionará!
Crédito da imagem: T. Reitor ( U. Alasca Anchorage ), & N. S. van der Bliek ( NOAO / TERÁ / NSF ), através da http://apod.nasa.gov/apod/ap120612.html .
Além disso, para que uma galáxia se forme, para que a matéria permaneça presa em uma estrutura espiral ou elíptica, a velocidade das partículas em movimento precisa estar abaixo da velocidade de escape da galáxia. Para a maioria das galáxias, isso é apenas algumas centenas de quilômetros por segundo. E embora isso seja muito rápido, lembre-se de que, no início, a maioria dos átomos estava se movendo a velocidades de centenas de milhares de quilômetros por segundo!
E, no entanto, estrelas e galáxias são abundantes hoje.
Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA; Agradecimento: Nick Rose, via http://www.spacetelescope.org/images/potw1412a/ .
Então, o que é que aconteceu com o assunto? Eu quero que você pense não apenas como os comprimentos de onda se comportam em um Universo em expansão, mas sobre o que isso significa para as partículas que se movem em um determinado Rapidez . Uma velocidade, lembre-se, é simplesmente a distância que algo se move em um determinado período de tempo, assim como um comprimento de onda é a distância entre duas cristas sucessivas de uma onda. Para uma partícula, a velocidade tem uma função semelhante à que um comprimento de onda serve para a radiação: é uma medida da energia cinética intrínseca a esse sistema.
Radiações com energias mais altas (e comprimentos de onda mais curtos) se comportam mais como raios gama e menos como ondas de rádio, enquanto partículas com velocidades mais altas também têm energias mais altas. Este último fenômeno é o motivo pelo qual partículas mais quentes – com temperaturas maiores – também têm velocidades maiores e, portanto, podem realizar mais trabalho físico nas condições certas.
Crédito da imagem: Nick Strobel de Notas Astronômicas, via http://www.astronomynotes.com/solarsys/s3.htm .
À medida que seu Universo se expande, no entanto, e as distâncias entre os objetos aumentam, não são apenas os comprimentos de onda que aumentam e, portanto, não é apenas a energia da radiação que diminui. Velocidade cai também, e assim a energia das partículas também diminui com o tempo! Pense sobre por que isso deve ser: digamos que você se mova a 100 km/s em relação a um determinado local, e o Universo esteja se expandindo - e lembre-se, a taxa de expansão precisa ser uma velocidade por unidade de distância - 10km/s para quiloparsec. (Isso é mais de 1.000 vezes mais rápido do que a taxa de expansão hoje, mas pode ser um bom exemplo da taxa de expansão no passado distante. E para referência, um kiloparsec é um pouco mais de 3.000 anos-luz.)
O que acontece depois de viajar por, digamos, dez milhões de anos , qual é a quantidade de tempo que leva um objeto viajando a 100 km/s para percorrer cerca de um kiloparsec?
Crédito da imagem: tutorial de cosmologia de Ned Wright, via http://www.astro.ucla.edu/~wright/nocenter.html .
Você ainda está se movendo a 100 km/s em relação ao seu local original, mas agora está a um kiloparsec de distância! Parece estar recuando a 100 km/s de você ainda , mas parte disso — 10 km/s — é explicado pela expansão do Universo! Assim, sua velocidade em relação à expansão do Universo diminuiu; agora você está apenas se movendo a 90 km/s. E à medida que o Universo se expande cada vez mais, sua velocidade continua a cair.
Assim, em um Universo em expansão, a radiação perde energia devido ao desvio para o vermelho do comprimento de onda, mas a matéria com energia cinética também perde essa energia graças à expansão do Universo!
Crédito da imagem: Paul Hooper na Spirit Design, com Mat Pieri e Gongbo Zhao, ICG.
O mais interessante ainda é considerar que quando tudo se aproxima da velocidade da luz, podemos tratá-lo como radiação, e quando se move muito mais devagar que a velocidade da luz, podemos tratá-lo como matéria. Tão cedo, até partículas como elétrons e prótons se comportavam como radiação e, em tempos posteriores (como hoje), até os neutrinos passaram a se comportar como matéria. Na verdade, existem alguns modelos por aí que dão uma massa de repouso muito pequena (mas diferente de zero) para partículas como o fóton e o gráviton. Se o Universo continua se expandindo e esfriando, e essas partículas realmente se tornam massivas, eventualmente elas começarão a se comportar como matéria, e esfriar, e – se a energia escura ainda não levou tudo ao isolamento – elas até começarão a se agrupar também!
Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia, via http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Massive_merger_of_galaxies_is_the_most_powerful_on_record .
Então sim, Andrej, partículas de matéria está afetados pela expansão do Universo: eles esfriam e perdem energia. A energia é proporcional – para partículas não relativísticas – à sua velocidade ao quadrado, então toda vez que a energia cinética de uma partícula é reduzida pela metade devido à expansão do Universo, sua velocidade diminui cerca de 29%. (Ou aproximadamente um fator de ~1/√2.) Partículas como prótons e nêutrons se tornam não relativísticas (e começam a se comportar como matéria) quando o Universo tem cerca de um microssegundo de idade; elétrons quando tem cerca de um segundo de idade; neutrinos quando tem dezenas de milhares de anos; e fótons e grávitons, se realmente forem massivos, não chegarão lá até que o Universo esteja pelo menos quintilhões de anos!
Crédito da imagem:Bietenholz, WolfgangPhys.Rept. 505 (2011) 145–185 arXiv: 0806.3713 [hep-ph].
Levou não apenas a radiação para cair em energia, mas também as energias individuais das partículas no Universo para cair em energia cinética para formar as moléculas, estrelas, galáxias e planetas que vemos hoje. Temos muita sorte que a expansão do Universo funcione da maneira que funciona, porque é o que precisávamos para dar origem ao Universo que temos hoje!
Crédito da imagem: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee.
Obrigado por uma pergunta fantástica e divertida, Andrej, e entrarei em contato com você através do endereço de e-mail fornecido para reivindicar seu prêmio! Se você tem dúvidas ou sugestões e quer sua chance de ganhar, envie sua entrada (e endereço de e-mail) aqui , e a próxima coluna Ask Ethan - e um Calendário Ano No Espaço 2015 — pode ser seu!
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