Quão “unidos” é o nosso Universo?

De quarks e glúons a gigantescos aglomerados de galáxias, tudo o que existe em nosso Universo é determinado pelo que é (e não é) unido.
Esta região extremamente rica do espaço foi capturada durante a visualização do Quinteto de Stephan com o instrumento NIRCam do JWST. Muitas dessas galáxias estão agrupadas no espaço real, enquanto outras são simplesmente alinhamentos fortuitos ao longo da mesma linha de visão que parecem estar agrupadas, mas na verdade não estão ligadas umas às outras. Quais estruturas estão ou não ligadas gravitacionalmente umas às outras é uma questão cósmica que ainda está sendo respondida hoje. Crédito : NASA, ESA, CSA e STScI
Principais conclusões
  • Em um nível fundamental, nosso Universo é composto de partículas elementares indivisíveis incorporadas no pano de fundo do espaço-tempo em nosso Universo em expansão.
  • Mas o que observamos não é simplesmente uma coleção de partículas independentes, mas sim uma série de estruturas ligadas: núcleos atômicos, átomos, moléculas, planetas, estrelas, galáxias e muito mais.
  • Quando somamos tudo, quão unido é o nosso Universo real? A resposta pode surpreendê-lo e ser mais e menos do que você jamais imaginou.
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A matéria do nosso Universo, fundamentalmente, é composta por partículas elementares.



  estrutura do modelo padrão À direita, estão ilustrados os bósons de calibre, que medeiam as três forças quânticas fundamentais do nosso Universo. Existe apenas um fóton para mediar a força eletromagnética, existem três bósons mediando a força fraca e oito mediando a força forte. Isso sugere que o Modelo Padrão é uma combinação de três grupos: U(1), SU(2) e SU(3).
Crédito : Daniel Domingues/CERN

Mas essas partículas interativas existem dentro do espaço-tempo.



  quark gluon plasma sopa primordial Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partícula e antipartícula. À medida que o Universo se expande e esfria, uma quantidade incrível de evolução acontece, mas os neutrinos criados no início permanecerão praticamente inalterados desde 1 segundo após o Big Bang até hoje: a assinatura de partícula mais antiga que pensamos poder observar.
Crédito : Laboratório Nacional de Brookhaven

Quarks e glúons se unem, formando prótons e nêutrons.



  aniquilação da matéria Depois que os pares quark/antiquark se aniquilam, as partículas de matéria restantes se ligam em prótons e nêutrons, em meio a um fundo de neutrinos, antineutrinos, fótons e pares elétron/pósitron. Haverá um excesso de elétrons sobre pósitrons para corresponder exatamente ao número de prótons no Universo, mantendo-o eletricamente neutro. Como essa assimetria matéria-antimatéria surgiu é uma grande questão não respondida da física contemporânea, mas os hádrons inevitavelmente se formam quando o Universo é mais velho do que cerca de 1 microssegundo.
Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia

Prótons e nêutrons se unem, formando núcleos atômicos.

  elementos Os elementos mais leves do Universo foram criados nos estágios iniciais do Big Bang quente, onde prótons e nêutrons brutos se fundiram para formar isótopos de hidrogênio, 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 do bárion com a densidade do número de fótons, e nos leva à conclusão de que apenas ~ 5% da densidade de energia moderna total do Universo é permitido existir na forma de matéria normal, e que a proporção bárion-fóton, exceto para a queima de estrelas, permanece praticamente inalterada em todos os momentos.
Crédito : E. Siegel/Beyond the Galaxy (L); NASA/WMAP Science Team (R)

Elétrons e núcleos formam estados ligados, criando átomos neutros.

  banho de fótons átomos CMB neutros Nos primeiros tempos (esquerda), os fótons se espalham dos elétrons e têm energia alta o suficiente para colocar qualquer átomo de volta em um estado ionizado. Uma vez que o Universo esfria o suficiente e é desprovido de fótons de alta energia (à direita), eles não podem interagir com os átomos neutros e, em vez disso, simplesmente fluir livremente, pois têm o comprimento de onda errado para excitar esses átomos a um nível de energia mais alto. No entanto, quando você faz um átomo neutro no estado fundamental, você emite um fóton de alta energia desse processo e, se um novo átomo absorve esse fóton, ele fica excitado e torna-se facilmente ionizado. Esse “gargalo” deve ser superado e a expansão cósmica ajuda, mas não é o único (nem mesmo o dominante) fator.
Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia

Esses átomos podem se unir, criando moléculas em combinações ilimitadas.

  moléculas ingredientes orgânicos vida As matérias-primas que acreditamos serem necessárias para a vida, incluindo uma grande variedade de moléculas à base de carbono, são encontradas não apenas na Terra e em outros corpos rochosos do nosso Sistema Solar, mas também no espaço interestelar, como na Nebulosa de Orion: a mais próxima grande região de formação de estrelas para a Terra.
Crédito : ESA, HEXOS e o consórcio HIFI

Componentes moleculares podem se reunir para compor organismos vivos da megafauna, incluindo seres humanos.

  composição do átomo corpo humano Embora os seres humanos sejam feitos de células, em um nível mais fundamental, somos feitos de átomos. Ao todo, existem cerca de ~ 10 ^ 28 átomos em um corpo humano, principalmente hidrogênio em número, mas principalmente oxigênio e carbono em massa.
Crédito : Jim Marsh em RationalDiscoveryBlog.com

Mas uma força ainda maior une a matéria em escalas cósmicas: a gravitação.

  crescimento da formação da teia cósmica As observações em maior escala no Universo, desde a radiação cósmica de fundo até a teia cósmica, passando por aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. Tanto no início quanto no final, é necessária a mesma proporção de 5 para 1 entre matéria escura e matéria normal. À medida que o tempo cósmico continua a passar, estruturas primitivas simples, pequenas e de baixa massa crescem e evoluem para galáxias maduras e grupos/aglomerados de galáxias.
Crédito : Chris Blake e Sam Moorfield

Sem cargas gravitacionais “negativas”, apenas massa/energia “positiva”, a gravitação é sempre atrativa.

  Big Bang Existe um grande conjunto de evidências científicas que apóiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang, completo com energia escura. A expansão acelerada tardia não conserva estritamente energia, mas a presença de um novo componente do Universo, conhecido como energia escura, é necessária para explicar o que observamos.
Crédito : NASA / GSFC

No entanto, o Universo em expansão afasta as partículas com grandes separações espaciais.

  universo em expansão Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre os objetos não vinculados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais próximos do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias terminam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz percorrido pelo fóton trocado. entre eles.
: Robert Knob

Com o tempo, a gravitação coleta e colapsa nuvens de gás neutro, formando estrelas: geração após geração.

  grupo m81 Esta visão de vários comprimentos de onda das duas maiores e mais brilhantes galáxias do grupo M81 mostra estrelas, plasmas e gás hidrogênio neutro. A ponte de gás que conecta essas duas galáxias cai em ambos os membros, provocando a formação de novas estrelas. Ambas as galáxias são menores e com menos massa do que a Via Láctea, mas ambas abrigam buracos negros supermassivos muito mais massivos do que nós.
Crédito : R. Gendler, R. Croman, R. Colombari; Agradecimentos: R. Jay GaBany; Dados VLA: E. de Block (ASTRON)

Os aglomerados de estrelas crescem e se fundem, formando galáxias, grupos de galáxias e ricos aglomerados de galáxias.

  luz das estrelas do aglomerado de galáxias intraaglomerado Aqui, o aglomerado de galáxias MACS J0416.1-2403 não está em processo de colisão, mas é um aglomerado assimétrico sem interação. Ele também emite um brilho suave de luz intraaglomerado, produzido por estrelas que não fazem parte de nenhuma galáxia individual, ajudando a revelar as localizações e distribuição normais da matéria. Efeitos de lentes gravitacionais são co-localizados com a matéria, mostrando que opções “não locais” para gravidade modificada não se aplicam a objetos como este. Aglomerados de galáxias contêm todos os tipos de estruturas de pequena escala dentro deles, de buracos negros a planetas, gases formadores de estrelas e muito mais.
Crédito : NASA, ESA e M. Montes (Universidade de New South Wales)

Dentro deles, buracos negros, remanescentes estelares, novas estrelas, planetas e ingredientes orgânicos complexos se acumulam continuamente.

  matéria escura Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo ampliada, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que os filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel secundário.
Crédito : Ralf Kaehler e Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn

Em escalas cósmicas ainda maiores, redes filamentosas e superaglomerados começam a se formar.

  Sloan Grande Muralha A Grande Muralha de Sloan é uma das maiores estruturas aparentes, embora provavelmente transitórias, do Universo, com cerca de 1,37 bilhão de anos-luz de diâmetro. Pode ser apenas um alinhamento casual de vários superaglomerados, mas definitivamente não é uma estrutura única e gravitacionalmente ligada. As galáxias da Grande Muralha de Sloan são representadas à direita.
Crédito : Willem Schaap (E); Paul Charles Budasi (R)/Wikimedia Commons

Mas a energia escura os impede de permanecer estáveis.

  energia escura Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de passar um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas completamente isoladas no Universo, enquanto todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro.
Crédito : NASA e ESA

Com o tempo, essas pseudoestruturas são separadas, dividindo o cosmos em aglomerados solitários e isolados.

  céu aberto O superaglomerado Laniakea, contendo a Via Láctea (ponto vermelho), abriga nosso Grupo Local e muito mais. Nossa localização fica nos arredores do Aglomerado de Virgem (grande coleção branca perto da Via Láctea). Apesar da aparência enganosa da imagem, esta não é uma estrutura real, pois a energia escura irá separar a maioria desses aglomerados, fragmentando-os com o passar do tempo.
Crédito : R.B. Tully et al., Nature, 2014

Grupos e aglomerados de galáxias continuam sendo as maiores estruturas estáveis ​​do Universo.

  superaglomerado local Este mapa ilustrado de nosso superaglomerado local, o superaglomerado de Virgem, abrange mais de 100 milhões de anos-luz e contém nosso Grupo Local, que tem a Via Láctea, Andrômeda, Triângulo e cerca de 60 galáxias menores. As regiões excessivamente densas nos atraem gravitacionalmente, enquanto as regiões de densidade abaixo da média efetivamente nos repelem em relação à atração cósmica média. No entanto, os grupos e aglomerados individuais não estão ligados gravitacionalmente e estão se afastando uns dos outros à medida que a energia escura domina a expansão cósmica.
Crédito : Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons

Além do nosso Grupo Local, o Universo ilimitado retrocede para sempre no esquecimento.

  estruturas não ligadas O impressionante aglomerado de galáxias MACS J1149.5+223, cuja luz levou mais de 5 bilhões de anos para chegar até nós, está entre as maiores estruturas ligadas em todo o Universo. Em escalas maiores, galáxias, grupos e aglomerados próximos podem parecer associados a ele, mas estão sendo afastados desse aglomerado devido à energia escura; os superaglomerados são apenas estruturas aparentes, mas os maiores aglomerados de galáxias que estão ligados ainda podem atingir centenas de milhões, e talvez até um bilhão, de anos-luz de extensão.
Crédito : NASA, ESA e S. Rodney (JHU) e a equipe FrontierSN; T. Treu (UCLA), P. Kelly (UC Berkeley) e a equipe GLASS; J. Lotz (STScI) e a equipe Frontier Fields; M. Postman (STScI) e a equipe CLASH; e Z. Levay (STScI)

Mostly Mute Monday conta uma história astronômica em imagens, visuais e não mais que 200 palavras. Fale menos; sorria mais.

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