No dia 12 de setembro ocorreu mais uma edição do Papos de Física, e dessa vez o público pôde assistir o professor Eduardo Cypriano (Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas –  IAG-USP) falar sobre os “Desafios da Cosmologia Observacional”. Eduardo começou a palestra fazendo um panorama geral do que se entende por Cosmologia atualmente, como ela funciona e quais os desafios futuros.

Nossos ancestrais, há milhares de anos, voltaram os olhos para o céu estrelado e tentaram dar significado para aqueles pontos brilhantes que tanto nos fascinam. Desde então, praticamente todas as civilizações das quais se têm registro, criaram mitos e histórias que, de alguma forma, explicavam os porquês do céu ser do jeito que é. Hoje, Cosmologia é a área da ciência que se ocupa em entender o Universo como um todo.

Fotos do Papos de Física de Setembro/2019. Eduardo Cypriano, professor do IAG-USP, discutiu com o público os Desafios da Cosmologia Observacional (Créditos das imagens: ICTP-SAIFR).

Apesar das contribuições de cientistas como Galileu, Newton e Kepler, foi com Einstein e a Teoria da Relatividade Geral que surgiu uma revolução na maneira como entendemos o Universo. A teoria, que explica a gravitação, introduziu a ideia de espaço-tempo, mostrou a existência da relação entre massa e energia, e resolveu o problema da órbita de Mercúrio: a órbita de todos os planetas se modifica um pouco ao longo do tempo, mas os cálculos feitos para a órbita de Mercúrio não batiam com as observações, até que a Relatividade Geral foi incorporada nas contas. A Relatividade Geral prevê diversos outros fenômenos que hoje estamos verificando, como as ondas gravitacionais, detectadas diretamente em 2015 (clique aqui para saber mais!), e a existência de buracos negros, comprovada pelo primeiro registro “fotográfico” de um, em abril de 2019.

 

Porém, como lembrou Cypriano, Einstein não estava completamente correto em alguns pontos, entre eles, o fato de considerar nosso universo finito e estático. A partir das equações de Einstein, Friedmann, um físico e matemático russo, descreveu leis que previam a expansão do Universo, considerando que ele seria homogêneo e isótropo (ou seja, igual em todas as direções). Mas foi com as contribuições de Henrietta Leavitt que, anos mais tarde, Lemaitre e Hubble comprovaram a expansão do Universo.

Henrietta Leavitt foi uma astrônoma americana, responsável pela descoberta da existência de uma relação entre o período e a luminosidade de cefeidas, um tipo de estrela. Esta constatação deu origem ao método utilizado para medir as distâncias entre astros. Com esse método, as distâncias entre a Terra e várias estrelas e galáxias começaram a ser medidas até que Lemaitre e Hubble, independentemente, observaram uma relação linear entre a distância e a velocidade com a qual as galáxias estão se movendo, e atribuíram essa relação à expansão do Universo. Assim, estes cientistas mostraram que, ao contrário do que pensava Einstein, o Universo não é finito e estático e está, na verdade, se expandindo.

Cefeidas são um tipo de estrela pulsante, ou seja sua luminosidade aumenta e diminui em intervalos de tempo bem definidos. Esse intervalo é denominado período, e existe uma relação linear entre a luminosidade e o período das cefeidas. Essa relação é utilizada para calcular a distância e a velocidade das estrelas, assim os cientistas determinaram o tamanho, idade e taxa de expansão do universo. LMC: Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite à Via Láctea (em inglês – Large Magellanic Cloud); Milky Way: Via Láctea. (Créditos da imagem: NASA/JPL-Caltech/Carnegie, dados do Telescópio Spitzer).

Sabemos que o Universo está se expandindo. Assunto encerrado, certo? Na verdade, constatar que o Universo está expandindo levanta muitas outras questões: o universo vai expandir para sempre? A expansão ocorre sempre à mesma velocidade, ou está retardando? Ocorre um processo cíclico, no qual o Universo alterna entre expandir-se e contrair-se infinitamente? Qual o futuro do Universo?

O professor mostrou que essas questões têm relação direta com a própria geometria do Universo, e que existem três modelos possíveis: num universo fechado, o modelo que se adequa melhor aos cálculos é o de alternância de ciclos de expansão e contração; num universo aberto, com pouca massa, os cálculos prevêem que o cosmos se expandirá para sempre; e na terceira opção, onde a geometria do universo seria plana, o universo deve possuir uma densidade específica, uma “massa crítica”, e dessa forma ele está se expandindo agora, mas cada vez a taxas menores, de forma que, um dia, atingirá um tamanho máximo.

Depois de confirmar a expansão do Universo, surgem questões como: se está expandindo agora, já contraiu antes? Qual a taxa de expansão? Vai expandir para sempre, ou eventualmente ocorrerá o colapso do universo todo? Como evolui o universo ao longo do tempo? (Créditos da imagem: UFRGS)

Como resolver essa questão?

Primeiramente, os astrônomos determinaram a densidade do universo. Cada um dos modelos geométricos funciona para valores específicos de densidade, e por isso essa era uma das saídas. O problema é que a densidade calculada foi um valor diferente do esperado, e, na verdade, não era exatamente equivalente aos valores de nenhum dos modelos, mas sim a um valor intermediário.

A alternativa encontrada pelos astrofísicos foi calcular as velocidades e distâncias de estrelas ainda mais distantes. A ideia seria que, para esses corpos tão distantes, já seria possível observar a desaceleração do Universo. E funcionou! Utilizando supernovas como referência, foi possível “enxergar” lugares ainda mais afastados no universo e calcular suas distâncias e velocidades com as quais galáxias distantes se deslocam. Mas… Mais uma vez, o universo pregou uma peça nos cientistas. Certos de que encontrariam a taxa de desaceleração do universo (ou seja, quanto a velocidade diminui com o tempo), os cientistas se surpreenderam ao encontrar um valor negativo.

Ou seja: o universo não está expandindo cada vez mais devagar, mas sim cada vez mais rápido!

Nesse momento, o professor Eduardo aproveitou a oportunidade para explicar um pouco sobre o Método Científico e a importância de aplicá-lo no fazer científico. Ao longo da história da ciência, repetidamente os cientistas se surpreenderam com os resultados de seus cálculos e experimentos. No fazer científico, faz parte do processo ter de repensar (e muitas vezes descartar) a hipótese original, tendo em vista os resultados das observações e experimentos. Este episódio da descoberta da expansão do Universo é um bom exemplo sobre como os pesquisadores devem se apoiar no método, e não apenas em suas intuições.

O método científico é parte fundamental do fazer científico e, embora tenha variações de acordo com a área de estudo, é um guia geral de como fazer ciência de forma imparcial e acurada. Esse infográfico mostra como o bioquímico e escritor Isaac Asimov explica resumidamente o método (Créditos da imagem: Via Saber).

Voltando ao assunto… Porque o universo está se expandindo, e cada vez mais rápido? É justamente isso que os astrofísicos estão tentando resolver agora. Esses são os novos Desafios da Cosmologia Observacional. Essa aceleração é atribuída à Energia Escura, uma energia que existe no universo, mas que os físicos ainda não entendem como funciona. Além disso, hoje sabemos que quase toda a massa do universo é formada, na verdade por Matéria Escura, cuja natureza também é pouco compreendida (veja aqui um dos candidatos para compor a matéria escura). “Talvez seja necessário desenvolver uma ‘nova física’ para explicar esses fenômenos” finalizou o professor Eduardo Cypriano.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica realizado pelo ICTP-SAIFR, centro de pesquisa associado ao IFT-UNESP, no Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74, Cerqueira César). Num ambiente descontraído e informal, físicos falam sobre os avanços da ciência e temas que despertam a curiosidade da população. Ao final de cada apresentação, o cientista convidado responde perguntas do público. A próxima edição acontecerá no dia 03 de outubro, e contará com a presença da professora Ilana Wainer (IO-USP), que falará sobre os “Efeitos Climáticos do Oceano”.

Na última edição do Papos de Física a professora de física, Ivone Albuquerque, falou sobre a misteriosa matéria escura e sobre o quão pouco conhecemos o nosso universo 

A professora Ivone Albuquerque falando sobre matéria escura no Tubaína Bar

“Quando você olha para o céu, o que você vê?” Com esse questionamento a professora Ivone Albuquerque, começou a discussão sobre “O lado escuro do universo”. Pesquisadora na área de astrofísica de partículas, a cientista foi a convidada do mês de abril para realizar mais uma edição do Papos de Física, que aconteceu na  primeira quinta-feira do mês, dia 05 de abril, no Tubaína Bar. Voltemos a pergunta que deu início a palestra e a essa matéria, o que você vê quando olha para o céu?

Se for em São Paulo, não muita coisa, como brincou a professora, mas se nos afastarmos um pouquinho mais e fazermos nossa observação em um local longe de toda a iluminação da grande cidade, poderemos ver milhões de pontinhos brilhantes na escuridão que representam milhões de astros espalhados pelo universo. A grande responsável por nos permitir essa experiência, e por nos tornar capazes de ver qualquer objeto a nossa volta, é a luz.

A luz, por si só, carrega muita informação que astrônomos e cosmólogos usaram ao longo do tempo para aprender mais sobre o espaço no qual estamos inseridos. Por meio dela podemos determinar, por exemplo, qual é a distância de uma estrela até o nosso planeta, com base no tempo que a luz percorre até alcançar a Terra. Por isso a medida de distância utilizada na astronomia é calculada em anos/luz. Quando se diz que um objeto está a 2,5 milhões de anos-luz, como é o caso da Galáxia de Andrômeda, significa que sua luz demorou 2,5 milhões de anos para chegar até nós, ou seja, muitos dos pontinhos brilhantes que vemos no céu podem não existir mais! Olhar para o céu, é olhar para a história do universo.

A luz visível está contida em uma pequena parte do chamado “espectro eletromagnético”, uma escala que também inclui ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, ultravioleta, raios-X e raios gama. Apesar dessas ondas serem imperceptíveis para nossa visão, elas carregam informações que podem ser medidas e analisadas com telescópios. Assim, tudo o que nós sabemos sobre os astros é determinado pela luz que chega até nós em suas diferentes faixas. Isso é uma indicação de que a matéria que nós conhecemos interage com a luz de diversas formas, o que nos permite descobrir suas propriedades e estudá-las, a partir da luminosidade dos astros podemos descobrir sua massa, por exemplo. Além do método do brilho, existe uma outra forma de determinar a massa das galáxias: usando o método orbital. Nesse método, esse cálculo é feito a partir das velocidades e dos raios orbitais das estrelas pertencentes a galáxia em estudo.

Espectro da Luz

Por volta de 1930, o físico Fritz Zwicky estudando o aglomerado de galáxias Coma, localizado a 300 milhões de anos luz da Terra, percebeu que a massa total obtida pelo método orbital era muito maior do que a massa total obtida pelo método de brilho. E ainda dentro dessa análise, já que massa e velocidade estão relacionadas, as velocidades individuais das galáxias dentro desse aglomerado eram tão grandes que provocariam a desagregação do aglomerado, o que obviamente não estava acontecendo. Zwicky concluiu que deveria haver uma grande quantidade de matéria invisível (matéria escura) segurando e mantendo coeso esse aglomerado graças à gravidade. Na época, os dados coletados pelo astrônomo traziam muitas incertezas o que fez com que a teoria fosse deixada de lado.

Isso até os anos 70, quando a cientista Vera Rubin estudando as velocidades orbitais das estrelas em Andrômeda, surpreendeu-se com o comportamento apresentado por estrelas distantes do centro dessa galáxia: ao invés de comportarem-se como os planetas do sistema solar, que diminuem sua velocidade conforme aumenta a distância em relação ao sol, estas permaneciam constantes. Vera Rubin concluiu que isso só seria possível se houvesse matéria escura em grande quantidade na parte mais exterior dessa galáxia. Assim foi confirmada a existência de matéria escura, mas não apenas isso, também foi determinado que, de toda a matéria que compunha o universo, 85% era desconhecida. A matéria escura ficou “escondida” por tanto tempo porque ela não interage de forma alguma com a luz, ou seja, não havia forma de observar sua existência.

Nessa situação, aquela velha frase de Sócrates “só sei que nada sei” é muito pertinente, porque mesmo hoje, com todo o avanço na tecnologia, conhecemos apenas 15% do universo, enquanto todo o resto permanece como um grande mistério. Mas, ao contrário da década de 30, agora cientistas do mundo inteiro não economizam energia em busca de formas de descobrir mais informações sobre a matéria escura, um componente tão misterioso quanto essencial do nosso universo.

Apesar de ainda não ter sido diretamente observada, ao longo dos anos foram surgindo diferentes indícios que comprovam sua existência, como a professora Ivone apresentou em sua fala: “Hoje existem várias outras observações completamente independentes das rotações de galáxias que indicam a existência de matéria escura, e o mais interessante é que elas indicam que a necessidade de matéria escura é a mesma quantidade que a determinada pela rotação de galáxias. Uma dessas medidas é o efeito chamado de lentes gravitacionais, previsto inicialmente por Einstein. Basicamente, ele indica que quando a luz se propaga pelo universo, a presença de matéria faz com que ocorra uma distorção no caminho dela. Ou seja, surgem trajetórias curvas devido a presença de matéria. O ângulo dessa curvatura depende da quantidade de matéria que ela atravessa, portanto, o ângulo de distorção nos permite determinar quanta matéria tem nessa galáxia. E, ao fazer essa medida, você chega na mesma conclusão que na rotação de galáxias. Mais uma vez a existência de matéria escura está confirmada”.

Fotografia retratando o efeito de lentes gravitacionais, notem como a trajetória da luz está curva

Outro efeito que a cientista demonstrou por meio de uma animação (que você pode ver abaixo) foi a colisão de dois aglomerados de galáxias. Quando dois aglomerados passam um pelo outro a matéria escura, por não interagir com a luz, também não interage com a matéria conhecida, fazendo com que ela passe reto pela colisão, enquanto a matéria “comum” se choca e interage mesclando-se. “A matéria escura, em azul, passa como se a outra galáxia não existisse e no meio, a matéria conhecida interage e se concentra. Se você medir onde está a maior parte da matéria depois dessa colisão, você vai ver que ela está na região azul, confirmando que a maior parte passa sem colidir, já que ela basicamente não interage em termos da luminosidade”, explicou.

E do que é composta a matéria escura? Essa é uma pergunta ainda sem resposta. “Nós já sabemos algo muito importante, nós sabemos que ela é composta por nada que conhecemos. Esses 15% de matéria conhecida, nós conhecemos muito bem e sabemos que ela não compõe a matéria escura”, destaca a cientista. Hoje diversos laboratórios no mundo buscam formas de tentar medir partículas que compõe a matéria escura para tentar encontrar uma definição. Ivone lembra que uma das grandes questões da física é conseguir determinar do que o universo é composto e, sermos capazes de, em algum momento, decifrar do que essa misteriosa matéria escura é composta seria um grande passo em busca de uma resolução para esse problema.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica, organizado pelo ICTP – SAIFR, que convida físicos para falarem, de forma descontraída, sobre novos avanços e outros temas que despertam nossa curiosidade. No próximo mês o evento fará parte da programação do Pint of Science Brasil, então acontecerá de uma forma um pouquinho diferente, serão três dias de debates com 2 palestrantes em cada dia.

• No dia 14 de maio, uma segunda-feira, teremos o professor Gastao Krein (IFT-UNESP) falando sobre “A flecha do tempo: por que envelhecemos e nunca rejuvenescemos?” e Alberto Saa (UNICAMP) com “O conceito de infinito na física e matemática”;
• Dia 15 de maio, terça-feira, os convidados são Oscar Eboli (IF-USP) que apresentará “Constituintes da matéria: elétrons, quarks, Higgs…” e Marcelo Yamashita (IFT-UNESP) para discutir “Ciência versus pseudociência”;
• Por último, no dia 16 de maio, quarta-feira, teremos Odylio Aguiar (INPE) com uma apresentação sobre “Ondas Gravitacionais: prêmio Nobel de Física de 2017” e Victor Rivelles (IF-USP) com “O que é a teoria de cordas?”.

O local continua sendo o de costume: Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74 – Cerqueira César). Fique atento ao site do ICTP para mais informações!