• Começa Com Um Estrondo

Acabamos de encontrar a maior 'coisa' rotativa do universo?

Os filamentos cósmicos estão entre as maiores estruturas do Universo e giram. Em um novo estudo que empilhou milhares de filamentos juntos, eles foram observados girando ao longo de seu eixo filamentar, com a velocidade média de rotação aproximando-se de ~ 100 km/s no máximo. (AIP (LEIBNIZ INSTITUTE FOR ASTROPHYSICS POTSDAM)/A. KHALATYAN/J. FOHLMEISTER)

Filamentos, com centenas de milhões de anos-luz de comprimento, foram pegos girando.

Em nosso próprio quintal cósmico, tudo o que vemos gira, gira e gira de uma forma ou de outra. Nosso planeta (e tudo nele) gira em torno de seu eixo, assim como todos os planetas e luas do Sistema Solar. As luas (incluindo a nossa) giram em torno de seu planeta-mãe, enquanto todos os sistemas planeta-lua giram em torno do Sol. O Sol, por sua vez, como todas as centenas de bilhões de estrelas da galáxia, orbita em torno do centro galáctico, enquanto a própria galáxia inteira gira em torno do bojo central.

Na maior das escalas cósmicas, no entanto, não há rotação global observada. O Universo, por qualquer motivo, não parece ter um giro ou rotação geral, e não parece estar girando em torno de mais nada. Da mesma forma, as maiores estruturas cósmicas observadas não parecem estar girando, girando ou girando em torno de outras estruturas. Mas recentemente, um novo estudo parece estar desafiando isso, alegando que enormes filamentos cósmicos – os fios da teia cósmica – parecem estar girando em torno do próprio eixo filamentar . Isso é estranho, com certeza, mas podemos explicar? Vamos descobrir.

Nosso Universo, desde o quente Big Bang até os dias atuais, passou por um enorme crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. Todo o nosso Universo observável era aproximadamente do tamanho de uma bola de futebol há cerca de 13,8 bilhões de anos, mas se expandiu para um raio de ~46 bilhões de anos-luz hoje. (NASA/CXC/M.WEISS)

Para fazer uma previsão, primeiro temos que configurar o cenário que esperamos, depois colocar as leis da física e evoluir o sistema a tempo de ver o que antecipamos. Podemos voltar, teoricamente, aos primeiros estágios do Universo. No início do Big Bang quente, imediatamente após o fim da inflação cósmica, o Universo é:

• cheio de matéria, antimatéria, matéria escura e radiação,
• uniforme e igual em todas as direções,
• com exceção de pequenas imperfeições de densidade na escala de 1 parte em 30.000,
• e com pequenas imperfeições adicionais na direcionalidade dessas flutuações, os movimentos lineares e rotacionais dessas regiões superdensas e subdensas, e imperfeições semelhantes no fundo das ondas gravitacionais com as quais o Universo nasce.

À medida que o Universo se expande, esfria e gravita, ocorrem vários passos importantes, particularmente em grandes escalas cósmicas.

As flutuações de frio (mostradas em azul) na CMB não são inerentemente mais frias, mas representam regiões onde há uma maior atração gravitacional devido a uma maior densidade de matéria, enquanto os pontos quentes (em vermelho) são apenas mais quentes porque a radiação em aquela região vive em um poço gravitacional mais raso. Com o tempo, as regiões superdensas terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto as regiões subdensas terão menos probabilidade de fazê-lo. A densidade gravitacional das regiões pelas quais a luz passa enquanto viaja também pode aparecer na CMB, nos ensinando como essas regiões realmente são. (E.M. HUFF, A EQUIPE DO SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN)

Em particular, algumas coisas crescem com o tempo, outras decaem com o tempo e outras ainda permanecem as mesmas com o tempo.

As imperfeições de densidade, por exemplo, crescem de uma maneira particular: proporcional à razão entre a densidade da matéria e a densidade de radiação. À medida que o Universo se expande e esfria, tanto a matéria quanto a radiação – compostas de quanta individuais – ficam menos densas; o número de partículas permanece o mesmo enquanto o volume aumenta, fazendo com que a densidade de ambas caia. Eles não caem igualmente, no entanto; a quantidade de massa em cada partícula de matéria permanece a mesma, mas a quantidade de energia em cada quantum de radiação cai. À medida que o Universo se expande, o comprimento de onda da luz que viaja pelo espaço se estende, levando-o a energias cada vez mais baixas.

À medida que a radiação fica menos energética, a densidade da matéria aumenta em relação à densidade da radiação, fazendo com que essas imperfeições de densidade cresçam. Com o tempo, as regiões inicialmente superdensas atraem preferencialmente a matéria circundante, atraindo-a, enquanto as regiões inicialmente subdensas cedem preferencialmente sua matéria para as regiões mais densas próximas. Em escalas de tempo suficientemente longas, isso leva à formação de nuvens de gás molecular, estrelas, galáxias e até mesmo toda a teia cósmica.

O crescimento da teia cósmica e a estrutura em grande escala no Universo, mostradas aqui com a expansão em si, resulta no Universo se tornando mais aglomerado e desagregado com o passar do tempo. Inicialmente, pequenas flutuações de densidade crescerão para formar uma teia cósmica com grandes vazios separando-os, mas o que parece ser as maiores estruturas semelhantes a paredes e superaglomerados podem não ser verdadeiras, estruturas vinculadas, afinal. (VOLKER SPRINGEL)

Da mesma forma, você pode acompanhar a evolução de qualquer modo rotacional inicial em um universo que é inicialmente isotrópico e homogêneo. Ao contrário das imperfeições de densidade, que crescem, qualquer rotação ou rotação inicial decairá à medida que o Universo se expande. Especificamente, ele decai à medida que a escala do Universo cresce: quanto mais o Universo se expande, menos importante se torna o momento angular. Deveria fazer sentido, portanto, antecipar que não haverá nenhum momento angular – e, portanto, qualquer giro ou rotação – nas maiores escalas cósmicas.

Pelo menos é verdade, mas só até certo ponto. Enquanto o seu Universo e as estruturas nele continuarem a se expandir, esses modos de rotação ou rotação decairão. Mas há uma regra ainda mais fundamental: a lei da conservação do momento angular. Assim como um patinador artístico que gira pode aumentar sua taxa de rotação trazendo seus braços e pernas para dentro (ou pode diminuí-la movendo seus braços e pernas para fora), a rotação de estruturas de grande escala diminuirá enquanto as estruturas se expandirem, mas uma vez que eles são puxados por sua própria gravidade, essa rotação acelera novamente.

Quando uma patinadora artística como Yuko Kawaguti (foto aqui da Copa da Rússia de 2010) gira com os membros longe do corpo, sua velocidade de rotação (medida pela velocidade angular, ou o número de revoluções por minuto) é menor do que quando ela puxa sua massa para perto de seu eixo de rotação. A conservação do momento angular garante que, à medida que ela puxa sua massa para mais perto do eixo central de rotação, sua velocidade angular aumenta para compensar. (DEERSTOP / WIKIMEDIA COMMONS)

O momento angular, você vê, é uma combinação de dois fatores diferentes multiplicados juntos.

1. Momento de inércia , que você pode pensar como sua massa é distribuída: próximo ao eixo de rotação há um pequeno momento de inércia; longe do eixo de rotação é um grande momento de inércia.
2. Velocidade angular , que você pode imaginar como a rapidez com que você faz uma revolução completa; algo como revoluções por minuto é uma medida de velocidade angular.

Mesmo em um Universo onde suas imperfeições de densidade nascem apenas com uma quantidade muito pequena de momento angular, o crescimento gravitacional não será capaz de se livrar dele, enquanto o colapso gravitacional, que faz com que sua distribuição de massa fique concentrada em direção ao centro, garante que seu momento de inércia acabará por diminuir drasticamente. Se seu momento angular permanece o mesmo enquanto seu momento de inércia diminui, sua velocidade angular deve aumentar em resposta. Como resultado, quanto maior a quantidade de colapso gravitacional que uma estrutura sofreu, maior a quantidade que esperamos vê-la girando, girando ou manifestando seu momento angular.

Isoladamente, qualquer sistema, seja em repouso ou em movimento, incluindo movimento angular, será incapaz de alterar esse movimento sem uma força externa. No espaço, suas opções são limitadas, mas mesmo na Estação Espacial Internacional, um componente (como um astronauta) pode empurrar outro (como outro astronauta) para alterar o movimento do componente individual. (NASA / ESTAÇÃO ESPACIAL INTERNACIONAL)

Mas mesmo isso é apenas metade da história. Claro, esperamos que o Universo nasça com algum momento angular, e quando essas imperfeições de densidade crescem, atraem matéria e finalmente colapsam sob sua própria gravidade, esperamos vê-las girando – talvez até substancialmente – no final. No entanto, mesmo que o Universo tenha nascido sem momento angular em nenhum lugar, é uma inevitabilidade que as estruturas que se formam em todas as escalas cósmicas (exceto, talvez, as maiores de todas) comecem a girar, girar e até girar em torno um outro.

A razão para isso é um fenômeno físico com o qual todos estamos familiarizados, mas em um contexto diferente: as marés. A razão pela qual o planeta Terra experimenta marés é porque os objetos próximos a ele, como o Sol e a Lua, atraem gravitacionalmente a Terra. Especificamente, no entanto, eles atraem todos os pontos da Terra e o fazem de maneira desigual. Os pontos da Terra mais próximos da Lua, por exemplo, são atraídos um pouco mais do que os pontos mais distantes. Da mesma forma, os pontos que estão ao norte ou ao sul da linha imaginária que conecta o centro da Terra ao centro da Lua serão atraídos para baixo ou para cima correspondentemente.

Em cada ponto ao longo de um objeto atraído por um único ponto de massa, a força da gravidade (Fg) é diferente. A força média, para o ponto no centro, define como o objeto acelera, o que significa que todo o objeto acelera como se estivesse sujeito à mesma força geral. Se subtrairmos essa força (Fr) de cada ponto, as setas vermelhas mostram as forças de maré experimentadas em vários pontos ao longo do objeto. Essas forças, se forem grandes o suficiente, podem distorcer e até mesmo separar objetos individuais. (VITOLD MURATOV / CC-BY-S.A.-3.0)

Apesar de ser fácil de visualizar para um corpo redondo como a Terra, o mesmo processo ocorre entre cada duas massas no Universo que ocupam qualquer volume mais substancial do que um único ponto. Essas forças de maré, à medida que os objetos se movem pelo espaço em relação uns aos outros, exercem o que é conhecido como torque: uma força que faz com que os objetos experimentem uma aceleração maior em uma parte dele do que em outras partes. Em todos, exceto nos casos mais perfeitamente alinhados – onde todos os torques se cancelam, uma tremenda e coincidente raridade – esses torques de maré causarão uma aceleração angular, levando a um aumento no momento angular.

Espere, eu posso ouvi-lo objetar. Eu pensei que você disse que o momento angular sempre se conservava? Então, como você pode criar uma aceleração angular, que aumenta seu momento angular, se o momento angular é algo que nunca pode ser criado ou destruído?

É uma boa objeção. O que você precisa lembrar, no entanto, é que os torques são exatamente como as forças no sentido de que obedecem às suas próprias versões das leis de Newton. Em particular, assim como as forças têm direções, os torques também têm: eles podem fazer com que algo gire no sentido horário ou anti-horário em torno de cada um dos eixos tridimensionais que existem em nosso Universo. E assim como toda ação tem uma reação igual ou oposta, sempre que um objeto puxa outro para criar um torque, essa força igual e oposta também criará um torque naquele primeiro objeto.

Muitos tentaram superar o atual recorde de velocidade terrestre anexando foguetes ou outras engenhocas que fornecem impulso aos seus veículos. Quando os pneus começam a girar, eles empurram a Terra, e a Terra empurra para trás. À medida que o veículo ganha momento angular em uma direção, a Terra ganha momento angular na direção oposta. (RODGER BOSCH/AFP via Getty Images)

Não é algo que você pensa com muita frequência, mas isso acontece o tempo todo em nossa realidade. Quando você acelera seu automóvel a partir de um impasse assim que o semáforo fica verde, seus pneus começam a girar e empurrar contra a estrada. A estrada, portanto, exerce uma força na parte inferior dos pneus, o que faz com que os pneus girando agarrem a estrada, acelerem e empurrem o carro para frente. Como a força não está diretamente no centro das rodas – onde estão os eixos – mas fora do centro, seus pneus giram, agarrando a estrada e criando um torque.

Mas há uma reação igual e oposta aqui também. A estrada e os pneus devem empurrar um ao outro com forças iguais e opostas. Se a força da estrada sobre os pneus faz com que seu automóvel acelere e depois se mova, digamos, no sentido horário em relação ao centro do planeta Terra, então a força dos pneus na estrada fará com que o planeta Terra acelere e gire, sempre ligeiramente, um pouco mais no sentido anti-horário em relação a como estava se movendo antes. Apesar de:

• o carro agora tem mais momento angular do que antes,
• e a Terra agora tem mais momento angular do que antes,

a soma do sistema carro + Terra tem a mesma quantidade de momento angular que tinha inicialmente. O momento angular, como a força, é um vetor: com magnitude e direção.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor. Uma vez que a estrutura desmorona, no entanto, a física complexa da matéria normal torna-se de vital importância. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)

Então, o que acontece, então, quando a estrutura em grande escala no Universo se forma?

Contanto que você não seja muito grande para que o colapso gravitacional ocorra - onde a matéria no Universo pode se contrair em uma ou mais dimensões até uma escala onde as coisas se espatifarão devido a colisões - esses torques de maré causarão aglomerados de importa puxar um ao outro, induzindo uma rotação. Isso significa que planetas, estrelas, sistemas solares, galáxias e até mesmo, em teoria, filamentos cósmicos inteiros da teia cósmica deveriam, pelo menos às vezes, experimentar movimentos rotacionais. Em escalas maiores, no entanto, não deve haver rotação geral, pois não há estruturas maiores no Universo.

Isso é precisamente o que o último estudo procurou medir, e precisamente o que eles encontraram. Para filamentos individuais, eles não podiam ver nada, mas quando juntaram milhares de filamentos, os efeitos rotacionais apareceram claramente.

Ao empilhar milhares de filamentos juntos e examinar a velocidade das galáxias perpendiculares ao eixo do filamento (através de seu redshift e blueshift), descobrimos que esses objetos também exibem movimento vortical consistente com rotação, tornando-os os maiores objetos conhecidos por terem momento angular. A força do sinal de rotação depende diretamente do ângulo de visão e do estado dinâmico do filamento. A rotação do filamento é detectada mais claramente quando vista de lado.

Enquanto a teia de matéria escura (roxo) pode parecer determinar a formação da estrutura cósmica por conta própria, o feedback da matéria normal (vermelho) pode impactar severamente as escalas galácticas. Tanto a matéria escura quanto a matéria normal, nas proporções corretas, são necessárias para explicar o Universo como o observamos. Fascinantemente, os filamentos que traçam as linhas que conectam os aglomerados de galáxias parecem estar girando. (COLABORAÇÃO ILLUSTRIS / SIMULAÇÃO ILLUSTRIS)

Já vimos a rotação do filamento antes: em os filamentos aquele são criados dentro regiões de formação de estrelas dentro de galáxias individuais. Mas para surpresa de alguns, mesmo os filamentos de maior escala do Universo , os que traçam a teia cósmica, parece estar girando também , pelo menos em média. Suas velocidades são comparáveis ​​às velocidades em que as galáxias se movem e as estrelas orbitam dentro da Via Láctea: até ~ centenas de quilômetros por segundo. Embora ainda haja muito para desvendar sobre esse fenômeno, esses filamentos cósmicos de grande escala, que normalmente se estendem por centenas de milhões de anos-luz, são agora as maiores estruturas rotativas conhecidas no Universo.

Por que eles estão girando, no entanto? É algo que pode realmente ser explicado por torques de maré e nada mais? As primeiras evidências apontam para sim, pois a presença de grandes massas próximas aos filamentos – o que os cosmólogos identificam como halos – parece intensificar a rotação. Como os autores observam, quanto mais maciços os halos que ficam em cada extremidade dos filamentos, mais rotação é detectada, consistente com os torques gravitacionais que induzem esses movimentos. No entanto, mais estudos são necessários, pois a temperatura e outras físicas também podem desempenhar um papel.

O grande avanço é que finalmente detectamos a rotação nessas escalas sem precedentes. Se tudo correr bem, não apenas descobriremos o motivo, mas também poderemos prever a rapidez com que cada filamento que vemos deve girar e por qual motivo. Até que possamos prever como cada estrutura do Universo se forma, se comporta e evolui, os astrofísicos teóricos nunca ficarão sem trabalho.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .