• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Nosso Universo é verdadeiramente dominado pela matéria?

As leis da física não preferem a matéria à antimatéria. Então, como podemos ter certeza de que estrelas e galáxias distantes não são feitas de antimatéria?

Principais conclusões

• Afirmamos frequentemente que o nosso Universo é composto por 4,9% de matéria normal, praticamente sem antimatéria, e que ninguém sabe como surgiu esta assimetria matéria-antimatéria.
• Mas quão certos estamos disso, realmente? Poderia alguma das estrelas, galáxias ou aglomerados de galáxias distantes ser realmente feita de antimatéria e simplesmente não sabemos disso?
• Surpreendentemente, temos restrições tremendamente fortes sobre a aparência do Universo e sabemos muito bem que temos um Universo assimétrico de matéria-antimatéria. Veja como.

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Aqui em nosso quintal, a matéria é comum, enquanto a antimatéria é rara. Na verdade, com exceção das reações de alta energia que produzem quantidades iguais de matéria e antimatéria – coisas como pares elétron-pósitron, por exemplo – não há absolutamente nenhuma antimatéria encontrada em qualquer lugar que olhemos. Todos os planetas, estrelas, gás, poeira e muito mais dentro da nossa Via Láctea são feitos de matéria e não de antimatéria. Todas as galáxias que observamos além da nossa são feitas de matéria e não de antimatéria. Os aglomerados de galáxias e a teia cósmica em grande escala apontam para que tudo seja feito de matéria e não de antimatéria. De alguma forma, toda a matéria normal, a matéria do Modelo Padrão, é toda “matéria” no nosso Universo, praticamente sem antimatéria.

Na maioria das vezes, perguntamos a grande questão da bariogênese : como o Universo passou a ser feito de matéria e não de antimatéria? Mas antes mesmo de chegarmos lá, temos certeza absoluta de que o Universo é feito de matéria e de que não existe uma grande coleção de antimatéria por aí? Isso é o que Tim Thompson quer saber, perguntando:

“Como sabemos que é predominantemente um sobre o outro? Podemos dizer, à distância, se um sistema é matéria ou antimatéria? Por exemplo, para uma galáxia a milhões de anos-luz de distância, que só observamos através de fotões emitidos, o que nos diz a sua matéria versus antimatéria?”

É uma ótima pergunta. E, felizmente, a astronomia e a astrofísica têm a resposta.

A produção de pares matéria/antimatéria (esquerda) a partir de energia pura é uma reação completamente reversível (direita), com matéria/antimatéria aniquilando-se de volta à energia pura. E, no entanto, o facto de vermos que tudo no nosso Universo é consistente com o facto de ser feito de matéria, e não de antimatéria, ensina-nos que talvez algo deva ter ocorrido, desde o início, para criar uma assimetria matéria/antimatéria.

Sempre que matéria e antimatéria se encontram no Universo, elas se aniquilam, e a aniquilação matéria-antimatéria produz um sinal muito específico. Quando uma partícula de matéria colide com sua contraparte de antimatéria, normalmente resulta na produção de dois fótons (no referencial do centro do momento da colisão) com energias iguais e momentos opostos. Um elétron aniquilando-se com um pósitron, por exemplo, produz dois fótons com exatamente 511.000 elétrons-Volts de energia cada: a energia equivalente à massa das partículas que foram aniquiladas, via Einstein E = mc² .

Podemos ver estes sinais de aniquilação em todo o espaço, onde quer que ocorram, permitindo-nos identificar onde a matéria e a antimatéria se encontram. Se houvesse:

• planetas,
• estrelas,
• galáxias,
• aglomerados de galáxias,
• ou mesmo regiões intergalácticas do espaço,

onde alguns eram matéria e alguns eram antimatéria, veríamos evidências desses fótons de alta energia provenientes da aniquilação na interface. O facto de vermos esses fotões, mas tão raramente e apenas em locais específicos (principalmente consistentes com emissões de pulsares e buracos negros activos), permite-nos impor enormes restrições sobre que fracção do Universo, numa variedade de escalas, pode ser feito de antimatéria.

O satélite Fermi da NASA construiu o mapa do Universo de maior resolução e alta energia já criado. Sem observatórios espaciais como este, nunca poderíamos aprender tudo o que temos sobre o Universo, nem poderíamos sequer medir com precisão o céu em raios gama. A evidência de grandes quantidades de antimatéria agrupada é inexistente.

Dentro de uma galáxia, você tem que reconhecer que as estrelas não são apenas objetos isolados, mas têm estruturas estendidas ao seu redor: planetas e luas, poeira zodiacal em um plano, um cinturão semelhante ao de Kuiper e um disco disperso, e um cinturão semelhante ao de Oort. nuvem ao seu redor, abrangendo cerca de um ano-luz em qualquer direção. Algumas vezes a cada milhão de anos — e lembre-se, já vivemos num Universo com 13,8 mil milhões de anos (ou, para tornar as coisas mais claras, 13.800 milhões de anos) — outra estrela/sistema estelar passará dentro de um ano-luz ou menos de qualquer estrela. Isso significa que, ao longo da vida de uma estrela, ela deverá experimentar milhares de interações com outra estrela/sistema estelar dentro de nossa galáxia.

Se existissem estrelas de antimatéria, completas com planetas de antimatéria, luas de antimatéria e corpos de antimatéria em seu disco e na nuvem circundante, haveria uma tremenda liberação de energia sempre que a antimatéria desse sistema interagisse com a matéria das estrelas restantes em nosso planeta. galáxia. O facto de não observarmos rotineiramente emissões de alta energia, como explosões de raios gama, provenientes do interior da nossa galáxia, diz-nos fortemente que não existem estrelas de antimatéria na nossa galáxia. O fato de não vermos isso em galáxias próximas restringe severamente a quantidade de antimatéria que poderia estar presente dentro delas.

Na imagem principal, os jatos de antimatéria da nossa galáxia são ilustrados, soprando “bolhas de Fermi” no halo de gás que rodeia a nossa galáxia. Na pequena imagem inserida, os dados reais do Fermi mostram as emissões de raios gama resultantes deste processo. Essas “bolhas” surgem da energia produzida pela aniquilação elétron-pósitron: um exemplo de matéria e antimatéria interagindo e sendo convertidas em energia pura via E = mc^2. Temos certeza de que nenhuma assinatura de antimatéria em nossa galáxia surge de estrelas de antimatéria ou de grandes aglomerados de antimatéria.

Também podemos ampliar esse problema para escalas cósmicas maiores. Dentro de grupos de galáxias e aglomerados de galáxias, há muitas observações de galáxias movendo-se através desses aglomerados, algumas das quais se movem através deles a uma velocidade vertiginosa. Encontramos muitas evidências de estrelas e gás dentro do meio intraenxame (o espaço entre as galáxias dentro do enxame), e este gás interage com as galáxias que se movem através desse espaço. Vemos os efeitos da remoção de gás, da perturbação das marés e da formação de estrelas dentro e ao redor dessas galáxias. Mas, ao mesmo tempo, não há evidências de aniquilação matéria-antimatéria.

Em outras palavras, quando olhamos para um grupo de galáxias ou aglomerado de galáxias, se alguma das galáxias dentro deles fosse feita de antimatéria, veríamos os efeitos da aniquilação matéria-antimatéria onde essas galáxias de antimatéria interagem com o restante do grupo ou conjunto. O facto de termos observado milhares e milhares de grupos e aglomerados de galáxias no Universo, e nunca termos encontrado um sinal que fosse consistente com este tipo de aniquilação matéria-antimatéria, restringe severamente a quantidade de antimatéria que pode existir por aí.

Localizada no enxame de galáxias Norma, a ESO 137-001 atravessa rapidamente o meio intraenxame, onde as interações entre a matéria no espaço entre as galáxias e a própria galáxia em rápido movimento provocam uma redução da pressão atmosférica, conduzindo a uma nova população de correntes de maré e estrelas intergalácticas. Interações sustentadas como essa podem eventualmente remover todo o gás de uma galáxia, mas também nos ensinar que a galáxia, o aglomerado e o gás dentro dela são todos feitos de matéria, e não de antimatéria.

E nas maiores escalas cósmicas de todas, podemos observar três conjuntos diferentes de sistemas.

• Podemos observar grupos de galáxias que estão colidindo e se fundindo umas com as outras.
• Podemos observar aglomerados de galáxias separados que estão em processo de colisão.
• E podemos até olhar para a teia cósmica em grande escala, onde enormes estruturas — coleções de galáxias — podem reunir-se em filamentos com comprimento superior a mil milhões de anos-luz.

Em todos estes sistemas, encontramos evidências de toda a física complexa que esperamos ver se tudo no sistema for feito do mesmo tipo de matéria: ou 100% de matéria ou 100% de antimatéria.

Vemos gás aquecendo e emitindo raios X onde ocorrem colisões. Vemos a evidência da separação deste material da matéria escura, à medida que a matéria “normal” experimenta arrasto, aquecimento e formação de novas estrelas, mas a matéria escura simplesmente passa através de si mesma e a matéria normal fica desimpedida. Vemos a luz emitida girando em sua polarização ( Rotação de Faraday ), consistente com a presença de campos magnéticos em escalas galácticas. E, mais uma vez, vemos uma ausência absoluta de aniquilação matéria-antimatéria, ensinando-nos que não existem regiões de “matéria” e regiões de “antimatéria” entrando em contacto umas com as outras.

O aglomerado de galáxias em colisão “El Gordo”, o maior conhecido no Universo observável, mostra a mesma evidência de matéria escura e matéria normal que outros aglomerados em colisão. Praticamente não há espaço para antimatéria nesta ou na interface de quaisquer galáxias ou aglomerados de galáxias conhecidos, restringindo severamente a sua possível presença no nosso Universo.

Também é possível que o nosso Universo tenha nascido com uma rede de defeitos topológicos, incluindo:

• Defeitos unidimensionais, como cordas cósmicas,
• Defeitos bidimensionais, como paredes de domínio,
• ou defeitos tridimensionais, como texturas cósmicas,

poderíamos ter uma descontinuidade: onde a matéria domina de um lado do defeito e a antimatéria domina do outro lado do defeito.

Infelizmente para estes cenários, todos foram descartados com extraordinária confiança devido aos dados de agrupamento em grande escala no Universo, bem como por análises detalhadas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Existem vários mecanismos teóricos que se poderiam propor para criar regiões separadas no espaço, onde uma região contém matéria e outra contém antimatéria, mas todos eles têm pelo menos uma das seguintes coisas em comum:

1. Eles criam uma descontinuidade nos dados de agrupamento do Universo, uma descontinuidade que teria aparecido em pesquisas de galáxias.
2. Eles criam uma interface entre as regiões de matéria e antimatéria, o que levaria a linhas, camadas ou regiões mais amplas onde a matéria e a antimatéria seriam aniquiladas.

O facto de estas características estarem ausentes do ponto de vista observacional significa que podemos concluir fortemente que o nosso Universo, para todos os efeitos, é 100% matéria e apenas uma quantidade insignificante de antimatéria.

Através do exame de aglomerados de galáxias em colisão, podemos restringir a presença de antimatéria nas emissões nas interfaces entre eles. Em todos os casos, há menos de 1 parte em 100.000 de antimatéria nestas galáxias, consistente com a sua criação a partir de buracos negros supermassivos e outras fontes de alta energia. Não há evidências de antimatéria cosmicamente abundante.

Mas digamos que você queira uma linha de evidências totalmente independente para determinar a abundância de matéria no Universo. Será que tal coisa, independente de estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e do céu de raios gama para apontar, realmente existiria?

Na verdade, seria: temos a abundância de elementos leves, formados durante os estágios iniciais (os primeiros minutos) do Big Bang quente, que foram criados durante os primeiros estágios da nucleossíntese.

Como a energia de cada onda de luz é definida pelo seu comprimento de onda, e o Universo se expande com o tempo, o comprimento de onda de cada fóton é esticado à medida que o tempo avança. Se, em vez disso, extrapolarmos para trás, descobriremos que o comprimento de onda de cada fotão era mais curto – mais comprimido – no passado, o que significa que quanto mais para trás olhamos no tempo, mais quente era o Universo naquelas fases iniciais. Em algum momento, o Universo estava tão quente que era impossível formar átomos neutros, pois não havia fótons suficientes com energia suficiente para impedir que os elétrons se ligassem de forma estável aos núcleos atômicos presentes. Mas se quisermos, podemos voltar ainda mais longe.

Nos primeiros tempos (esquerda), os fótons se espalham dos elétrons e têm energia alta o suficiente para levar qualquer átomo de volta ao estado ionizado. Uma vez que o Universo esfrie o suficiente e esteja desprovido desses fótons de alta energia (à direita), eles não poderão interagir com os átomos neutros e, em vez disso, simplesmente fluirão livremente, uma vez que têm o comprimento de onda errado para excitar esses átomos a um nível de energia mais elevado. Estes átomos neutros bloquearão colectivamente qualquer luz visível que tente passar através deles até que sejam totalmente reionizados mais uma vez: um processo que não acontecerá durante centenas de milhões de anos.

Podemos remontar a uma época em que o Universo era tão quente que nem os núcleos atómicos conseguiam unir-se. Cada vez que tentavam fazê-lo, um fóton explodiria os prótons e nêutrons individuais, evitando que se transformassem em elementos mais pesados. Só quando o Universo tiver arrefecido abaixo de um certo limiar crítico – o que ocorre cerca de 3 a 4 minutos após o início do Big Bang quente – poderemos então começar a formar núcleos atómicos mais pesados ​​do que um único protão simples.

Quando esse momento chegar, poderemos construir os elementos mais leves do Universo de acordo com as regras da física nuclear. Notavelmente, a proporção de elementos leves e seus isótopos que obtemos inclui:

• hidrogênio (um único próton),
• deutério (um próton mais um nêutron),
• hélio-3 (dois prótons mais um nêutron),
• hélio-4 (dois prótons e dois nêutrons), e
• lítio-7 (quatro prótons e três nêutrons),

depende de apenas um parâmetro: a proporção de fótons em relação ao número total de prótons e nêutrons combinados. Quando fazemos observações, tanto das nuvens de gás mais puras que podemos encontrar, como também da impressão na radiação cósmica de fundo, obtemos a mesma resposta: há cerca de 1 protão ou neutrão para cada 1,6 mil milhões de fotões no Universo. Mesmo nos estágios iniciais do Big Bang quente, havia mais matéria do que antimatéria.

Os elementos mais leves do Universo foram criados nas fases iniciais do Big Bang quente, onde protões e neutrões brutos se fundiram para formar isótopos de hidrogénio, hélio, lítio e berílio. O berílio era todo instável, deixando o Universo apenas com os três primeiros elementos antes da formação das estrelas. As proporções observadas dos elementos nos permitem quantificar o grau de assimetria matéria-antimatéria no Universo, comparando a densidade bárion com a densidade numérica de fótons.

Por um lado, isso é bom. Se houvesse quantidades iguais de matéria e antimatéria no Universo, quase toda ela teria sido aniquilada. Atualmente, haveria menos de uma partícula de matéria ou antimatéria por quilômetro cúbico no Universo restante.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

No entanto, tal como está, o Universo é muito mais denso do que isso, por cerca de um factor de mil milhões, e praticamente tudo o que resta é matéria, não antimatéria. Mas a única maneira que conhecemos de converter energia em massa ou de converter massa em energia tem sempre o mesmo resultado: o número de partículas de matéria menos o número de partículas de antimatéria é sempre uma constante.

De alguma forma, tem que haver algo mais acontecendo com as partículas do Universo – além do que o Modelo Padrão prevê – para criar o Universo como o observamos hoje. Se abordarmos o problema cientificamente, isso significa extrapolar para o estado mais antigo do Big Bang quente, onde partículas e antipartículas de todos os tipos poderiam facilmente ser criadas nas energias mais elevadas, e ver o que seria necessário para o Universo criar um assimetria matéria-antimatéria onde inicialmente não havia nenhuma.

Quarks e elétrons vêm em números ligeiramente maiores que antiquarks e pósitrons. Num Universo completamente simétrico, matéria e antimatéria aniquilam-se deixando vestígios e quantidades iguais de ambas. Mas no nosso Universo a matéria domina, indicando uma assimetria inicial e fundamental.

É por isso que nos preocupamos tanto com o problema da bariogênese, ou como surgiu mais matéria do que antimatéria no Universo. Sim, há algumas coisas gerais que podemos dizer sobre como criar um estado inicialmente simétrico, como foi mostrado pelo físico soviético Andrei Sakharov, em 1967. Tudo o que você precisa fazer é atender aos três critérios a seguir, conhecidos como Condições Sakharov :

1. O Universo deve estar fora do equilíbrio térmico.
2. O Universo deve conter exemplos de violação da simetria C e da simetria CP.
3. E o Universo deve admitir interações que violem a conservação do número bariônico.

Embora não saibamos o mecanismo exato por trás de como o Universo passou a ter mais matéria do que antimatéria, sabemos que foi um passo necessário para permitir que o nosso Universo, e os objetos e criaturas nele, existissem como existem. Numerosos experimentos de todo o mundo estão constantemente investigando matéria e antimatéria em escalas subatômicas, em busca de quaisquer indícios de violação do número bárion e de interações adicionais que violam a simetria C e a simetria CP.

No entanto, um Universo que não contém mais matéria do que antimatéria é completamente descartado pelas observações. Podemos não ter encontrado a “árvore da vida” que permitiu a nossa existência, mas graças à física que conhecemos até agora, podemos ter certeza de que estamos pelo menos procurando na floresta certa.

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