O sinal mais preciso do universo
Crédito da imagem: NRAO / VLA para COISAS.
E como, se conseguirmos aproveitá-lo na Terra, pode ser a sonda mais precisa de toda a história científica.
Nós... somos o que acontece quando uma mistura primordial de hidrogênio e hélio evolui por tanto tempo que começa a perguntar de onde veio. – Jill Tarter
E se olharmos para o Universo, ele começa a nos fornecer algumas dicas tentadoras. Desde aqui em nosso próprio playground cósmico na Terra até sinais de além de nosso próprio Sistema Solar e até de nossa galáxia, não há escassez de informações a serem coletadas do próprio Universo.
Crédito da imagem: Martin Šrubař 2006, via http://fusion.srubar.net/principles-of-nuclear-fusion.html .
A maioria de nossas informações vem de um tipo muito fundamental de interação: um transição de um estado de energia para outro. No centro de uma estrela, por exemplo, duas partículas subatômicas – prótons, nêutrons ou núcleos complexos – podem se fundir, transição em um estado de energia mais baixa e emitindo energia no processo.
A energia emitida, depois de literalmente trilhões de interações, eventualmente chega à superfície dessa estrela, onde eventualmente sai para o Universo como luz estelar.
Crédito da imagem: NASA/New Horizons.
Mas também existem muitas outras transições que emitem luz de todos os tipos de comprimentos de onda. Talvez o mais familiar para nós sejam as transições atômicas, onde os elétrons ligados aos núcleos podem absorver um fóton e saltar para um estado de energia mais alto, ou emitir um fóton ao pular para um estado de energia mais baixo.
Crédito da imagem: Mike’s Physics Wiki, via http://simmonds.wikidot.com/image:absorção-jpg .
Cada elemento tem seus próprios e únicos níveis de energia entre os quais os elétrons podem transitar, correspondendo a propriedades quânticas únicas para cada átomo.
Essas transições também correspondem a linhas espectrais, onde - se você iluminar átomos no estado fundamental - eles absorverão luz de uma frequência muito particular, ou - se você energizar átomos a um estado excitado - eles emitirão espontaneamente luz de uma frequência muito particular.
Crédito da imagem: fonte inicial desconhecida, recuperada de http://www.riverdell.org/Page/550 .
O que você pode não perceber é o seguinte: a luz emitida ou absorvida não é de um exato frequência, mas abrange uma faixa de frequências centrada em um valor específico. Há três razões para isso:
1.) Há uma inerente largura para qualquer linha, que é determinada pela velocidade da transição e a frequência da luz. As transições que ocorrem rapidamente têm linhas mais largas, enquanto as que ocorrem mais lentamente têm linhas mais estreitas. Além disso, frequências muito baixas têm larguras mais amplas, enquanto frequências mais altas têm larguras mais estreitas.
Crédito da imagem: Nigel Sharp, National Optical Astronomical Observatories/National Solar Observatory at Kitt Peak/Association of Universities for Research in Astronomy, and the National Science Foundation.
dois.) Efeitos térmicos. Quando um gás (ou qualquer material) é aquecido, o perfil das linhas de emissão ou absorção se amplia. É por isso que, por exemplo, quando olhamos para o espectro de uma coisa quente (como o Sol), suas linhas espectrais são significativamente mais amplas do que você encontraria se pegasse essas mesmas linhas em um laboratório na Terra.
3.) E, finalmente, há efeitos cinéticos. Se os átomos estiverem completamente estacionários, você obterá uma linha muito estreita, mas se os átomos se moverem para frente e para trás rapidamente - a centenas de quilômetros por segundo, por exemplo - a linha se ampliará por causa do deslocamento Doppler: alguns átomos se movendo em direção você, resultando em um desvio para o azul, e outros se afastando de você, dando um desvio para o vermelho. Isso ocorre com frequência em fontes astrofísicas de gás, como galáxias.
Crédito da imagem: Charles R. Evans da Universidade da Carolina do Norte, via http://user.physics.unc.edu/~evans/ .
Mas essas linhas também são incrivelmente interessantes, porque são tão bem compreendido ! Embora a mecânica quântica seja confuso e aberto a interpretações de muitas maneiras, suas previsões para fenômenos como esse são precisas e concretas.
Essa compreensão também nos dá uma oportunidade - principalmente se pudermos controlar os efeitos térmicos e cinéticos - de entender o inerente larguras dessas linhas e procurar efeitos exóticos que possam causar um alargamento adicional dessas linhas.
Crédito da imagem: Swinburne University of Technology, via http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/t/thermal+doppler+broadening .
A maioria das linhas são muito amplas, inerentemente, para encontrar outros efeitos além dos térmicos ou cinéticos, porque são criados em escalas de tempo extremamente curtas. (A maioria das transições atômicas, por exemplo, ocorre na ordem de um único nanossegundo, ou 10^-9 segundos!) Mas há uma linha que pode fornecer uma oportunidade notável para isso: a linha de 21 cm de hidrogênio!
Crédito da imagem: S. Stanko, B. Klein e J. Kerp, A&A 2005, via http://www.aanda.org/articles/aa/full/2005/22/aa2227-04/aa2227-04.html .
Você vê, quando os átomos de hidrogênio são formados, eles estão entre os sistemas mais simples do Universo, consistindo apenas de um elétron e um próton. Muito rapidamente, na ausência de todo o resto, eles se moverão para o estado fundamental, onde o elétron orbita o próton em sua camada de energia mais baixa: o estado 1s.
Crédito da imagem: Paul Nylander, via http://nylander.wordpress.com/2003/04/30/hydrogen-electron-orbital-probability-distribution-cross-sections/ .
Mas isso poder não estar perfeitamente no estado fundamental. Você vê, elétrons e prótons têm spins, e esses spins podem ser alinhado , pois ambos podem ser girados para cima ou para baixo, ou podem ser anti-alinhado , onde um é girado para cima e o outro é girado para baixo.
Crédito da imagem: Pearson Education / Addison-Wesley, recuperada de Jim Brau em http://pages.uoregon.edu/jimbrau/ .
A diferença de energia entre esses dois estados é minúscula: em 5.9 micro -elétron-Volts , é uma das menores transições de energia conhecidas. Isso corresponde a fótons de energias extremamente baixas e com comprimentos de onda incrivelmente macroscópicos: de 21 centímetros de comprimento de onda! Também é proibido mecanicamente quântico, de modo que a única maneira de passar do estado excitado para o estado fundamental é através do tunelamento quântico, um processo exponencialmente suprimido.
Crédito das imagens: R Nave of Hyperphysics da Georgia State University.
No entanto, isso acontece, embora em escalas de tempo de cerca de dez milhões de anos na média. Tanto em princípio como na prática, podemos use isso para uma série de propósitos científicos , inclusive para sondando o Universo antes de quaisquer estrelas ou fontes luminosas terem se formado . Mas se quiséssemos ser realmente ambiciosos - se quiséssemos sonhar grande — poderíamos aproveitar a largura de linha natural extremamente pequena desta configuração,
Crédito da imagem: equação 8 de Siegel e Fry, 2005, via http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0503162v2.pdf .
buscar o que antes era impensável.
Crédito da imagem: Lionel BRET/EUROLIOS.
Todos os objetos do Universo que interagem gravitacionalmente uns com os outros afetam não apenas o espaço-tempo, causando sua curvatura através de sua matéria e energia, mas também são afetados. de a curvatura do espaço-tempo. Se você tiver vários objetos se movendo ao mesmo tempo, eles causarão a emissão de ondas gravitacionais à medida que interagem, o que terá frequências específicas. As ondas gravitacionais são Além disso gerado por fenômenos astrofísicos transitórios como supernovas, por buracos negros em órbita e também durante a inflação.
Crédito da imagem: Henze, NASA, de ondas gravitacionais produzidas por dois buracos negros em órbita. Através da http://www.ligo.org/science/GW-Sources.php .
Agora, aqui está o kicker: as ondas gravitacionais podem ampliar qualquer linha de emissão, e como esta já é inerentemente estreita a uma largura de ~10^-24, podemos simplesmente resfriar uma coleção de átomos de hidrogênio para remover efeitos térmicos e cinéticos e medir a largura com precisão arbitrária. Se obtivermos a previsão exata da mecânica quântica, não haverá ondas gravitacionais. Mas se obtivermos uma medida de uma largura que flutua para ser um pouco maior, nós os teremos detectado !
Crédito da imagem: ampliação da linha espectral via BotRejectsInc em http://cronodon.com/SpaceTech/CVAccretionDisc.html .
Outros fenômenos que poderiam ser responsáveis por uma característica tão não transitória, ou que está sempre presente, seria um sinal de onda gravitacional devido a dimensões extras, um Universo que nunca teve uma fase inflacionária ou uma constante gravitacional variável no tempo. É um incrivelmente ideia ambiciosa e rebuscada , pois requer resfriamento a temperaturas da ordem de pico Kelvin apenas para medir a largura inerente, e ainda menor que isso (até ato escalas Kelvin) se você quiser medir ondas gravitacionais realistas. No entanto, é uma possibilidade teórica fantástica e que poderia lançar luz sobre um fenômeno invisível e indetectável que permeia nosso Universo!
O resto fica como exercício para os experimentalistas.
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