2710: Medir a massa dos neutrinos pode levar-nos a toda uma nova Física

CIÊNCIA

Image Team / Canva

Quanto pesa um neutrino? Esta é a pergunta que não quer calar e que há anos baralha os números da Física, Cosmologia e da Astrofísica. Agora, uma equipa internacional cientistas chegou mais perto deste valor.

A nova investigação, cujos resultados foram recentemente apresentados na conferência Astroparticle and Underground Physics, que decorreu em Tóquio, no Japão, balizou o valor máximo da massa destas partículas elementares do Universo que, apesar de serem extremamente abundantes – só perdem para os fotões -, são também altamente fugazes e raramente interagem com a matéria – o que dificulta a sua detecção.

De acordo com os cientistas, um neutrino não terá mais do que um electrão-volt (eV) de massa. Este valor, obtido no início do ano devido ao procedimento experimental Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), reduziu em mais de metade o valor máximo da massa do neutrino que passa assim de 2 eV para 1 eV.

O valor mínimo, por sua vez, está nos 0,02 eV, tendo este número sido definido por outras equipas de cientistas, tal como explicam os autores da investigação em comunicado.

“Estas descobertas em colaboração com o KATRIN reduzem o intervalo de massa anteriormente definido para o neutrino num factor de dois, colocando critérios mais rigorosos sobre a verdadeira massa do neutrino e fornecendo ainda um caminho a seguir para medir definitivamente o seu valor”, explicou Hamish Robertson, cientista do KATRIN e professor emérito de Física na Universidade de Washington, nos Estados Unidos.

“Conhecer a massa do neutrino permitirá que os cientistas respondam a perguntas fundamentais em Cosmologia, Astrofísica e Física de Partículas, tais como a evolução do Universo ou que tipo Física existe para além do Modelo Padrão”, sustentou.

A partícula que não devia ter massa pode levar-nos a uma nova Física

De acordo com o Modelo Padrão que rege o Cosmos, os neutrinos não deviam ter massa, à semelhança do que acontece com os fotões. Na verdade, estas partículas elementares que atravessam o nosso corpo a cada segundo sem notarmos são um “buraco” nesta teoria que pode obrigar à criação de uma nova Física para explicar a sua massa.

Existem várias fontes de neutrinos – o próprio Big Bang, morte de uma estrela numa grande explosão, interacção das radiações cósmicas com a atmosfera terrestre, entre outros -, mas a grande maioria destas partículas chega à Terra oriunda do Sol.

Foi em 1930 que foi pela primeira vez proposta a existência dos neutrinos. Mais tarde, em 1956, os cientistas conseguiram levar a cabo detecções destas partículas.

Mais foi necessário quase mais meio século para contrariar o Modelo Padrão: em 2001, dois detectores – o Super-Kamiokande, no Japão, e o Observatório de Neutrinos de Sudbury, no Canadá -, mostraram que estas partículas tem uma massa diferente de zero, avanço científico que foi reconhecido posteriormente, em 2015, com o Prémio Nobel da Física.

@NobelPrize

Torn between identities – tau-, electron- or myon-neutrino? Neutrino means ”small neutral one” in Italian #NobelPrize

A definição exacta do valor da sua massa está agora mais perto e, de acordo com os cientistas, quando este feito for alcançado, pode ser necessário criar uma nova Física. “Resolver a massa do neutrino levar-nos-ia a um admirável mundo novo para criar um novo Modelo Padrão”, disse Pedro Doe, cientista da Universidade de Washington, que também participou na nova investigação.

Contudo, e ainda de acordo com o cientista, o conhecimento não ficará apenas pelo valor da massa. Na verdade, este valor permitirá descobrir muito mais sobre estas estranhas partículas que há anos tiram o sono à comunidade científica.

“Os neutrinos são pequenas partículas bizarras (…) São tão omnipresentes e há muito que podemos aprender depois de terminar esse valor”, rematou.

Todo este “mundo novo” ganha mais força caso se venha a descobrir que existem regras desconhecidas que também governam o Universo.

O Modelo Padrão pode não ser suficiente para a bizarria dos neutrinos.

SA, ZAP //

Por SA
25 Setembro, 2019

 

2336: Nova medição da constante de Hubble faz crescer mistério da expansão do Universo

Num artigo a ser publicado brevemente, cientistas da Universidade de Chicago anunciam uma nova medição da expansão do Universo usando gigantes vermelhas.
Crédito: Norval Glover

Cientistas da Universidade de Chicago fizeram uma nova medição da rapidez com que o Universo se está a expandir – usando um tipo de estrela totalmente diferente dos empreendimentos anteriores. Este valor cai no centro de uma questão muito debatida em astrofísica que pode exigir um modelo inteiramente novo do Universo.

Os cientistas sabem há quase um século que o Universo está a expandir-se, mas o valor exacto de quão rápido está a crescer teima em manter-se elusivo. Em 2001, a professora Wendy Freedman liderou uma equipa que usou estrelas distantes para fazer uma medição histórica desse valor, de nome constante de Hubble – mas não está de acordo com outra medição importante, e a tensão entre os dois números tem persistido mesmo quando cada lado faz leituras cada vez mais precisas.

Num novo artigo a ser publicado em breve na revista The Astrophysical Journal, Freedman e a sua equipa anunciaram uma nova medição da constante de Hubble usando uma classe estelar conhecida como gigante vermelha. As suas observações, feitas com o Telescópio Espacial Hubble da NASA, indicam que o ritmo de expansão do nosso canto do Universo é ligeiramente inferior a 70 quilómetros por segundo por megaparsec – um pouco menos que a sua medição anterior, mas tal não alivia a tensão.

“A constante de Hubble é o parâmetro cosmológico que define a escala, o tamanho e a idade do Universo; é uma das formas mais directas que temos de quantificar como o Universo evolui,” explicou Freedman, professora de astronomia e astrofísica e astrónoma de renome mundial. “A discrepância que vimos antes ainda não desapareceu, mas esta nova evidência sugere que ainda não se sabe se existe uma razão imediata e convincente para acreditar que há algo fundamentalmente defeituoso no nosso modelo actual do Universo.”

Um número por trás da teoria do Universo

A constante de Hubble, assim chamada em homenagem ao astrónomo pioneiro Edwin Hubble, sustenta tudo no Universo – desde a nossa estimativa de quando o Big Bang teve lugar até à quantidade de matéria escura existente. Ajuda os cientistas a esboçar uma teoria da história e estrutura do Universo; e, inversamente, se existirem falhas nessa teoria, uma medição precisa da constante de Hubble pode ajudar à sua detecção.

Há vinte anos, a equipa do Projecto Chave do Telescópio Espacial Hubble, liderada por Freedman, anunciou que tinha medido o valor usando estrelas distantes chamadas Cefeidas, que pulsam em intervalos regulares. O seu programa concluiu que o valor da constante de Hubble era de 72 km/s/Mpc. À medida que os astrónomos refinavam as suas análises e recolhiam novos dados, esse número permaneceu relativamente estável, em aproximadamente 73 km/s/Mpc.

Mas, mais recentemente, os cientistas adoptaram uma abordagem muito diferente: a construção de um modelo baseado na estrutura ondulante da luz remanescente dos primeiros momentos do Big Bang, chamada Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB – Cosmic Microwave Background). Se corressem um modelo para a frente no tempo, extrapolando os primeiros momentos do Universo, alcançavam um valor de 67 km/s/Mpc. Este desacordo é significativo – quase 10% – e continuou a solidificar-se com o tempo.

Ambos os campos procuraram algo que pudesse estar a causar a incompatibilidade. “Naturalmente, surgem dúvidas sobre se a discrepância está a vir de algum aspecto que os astrónomos ainda não entendem sobre as estrelas que estamos a medir, ou se o nosso modelo cosmológico do Universo ainda está incompleto,” disse Freedman. “Ou talvez ambos precisem de ser melhorados.”

Mapeando as estrelas

Uma parte central do desafio em medir o Universo é que é muito difícil calcular com precisão as distâncias de objectos distantes. A equipa de Freedman analisou originalmente dois tipos de estrelas que possuem características confiáveis que permitem aos astrónomos usá-las em combinação com medições cosmológicas: as super-novas do Tipo Ia, que explodem com um brilho uniforme; e as variáveis Cefeidas, estrelas que pulsam em intervalos regulares que podem ser combinados com os seus picos de brilho. Mas ainda é possível que exista algo sobre as cefeidas que os cientistas ainda não tenham entendido completamente, o que pode estar a introduzir erros.

A equipa de Freedman procurou verificar os seus resultados estabelecendo um caminho novo e inteiramente independente para a constante de Hubble usando um tipo de estrela totalmente diferente.

Certas estrelas terminam as suas vidas como um tipo de estrela muito luminosa chamada gigante vermelha. A certo ponto, a estrela sofre um evento catastrófico chamado flash de hélio, no qual a temperatura sobe para cerca de 100 milhões K e a estrutura da estrela é re-arranjada, o que acaba diminuindo dramaticamente a sua luminosidade (isto acontecerá um dia com o nosso próprio Sol, que também se tornará numa gigante vermelha). Os astrónomos podem ver o ponto onde todas as luminosidades das estrelas caem, e podem usar isso como uma maneira de determinar a distância.

“O princípio é simples,” explicou Freedman. “Imagine que está perto de uma luz da rua e que sabe que esta está a 3 metros de distância. A intervalos regulares, na rua, consegue ver mais postes de luz, luzes estas que ficam progressivamente mais fracas quanto mais longe estiverem. Ao sabermos a distância e quão brilhante a luz está de si, e medindo depois quão mais ténues as luzes mais distantes parecem ser, podemos estimar as distâncias de todas as outras luzes da rua.”

A equipa de Freedman colocou isto em acção usando as câmaras sensíveis do Telescópio Espacial Hubble, em busca dos novos “postes de luz” cósmicos. Ao comparar as luminosidades aparentes das gigantes vermelhas distantes com as próximas que medimos com outros métodos, e combinando estas leituras com aquelas das super-novas do Tipo Ia, Freedman e a sua equipa foram capazes de determinar a distância de cada uma das galáxias hospedeiras.

O próximo passo é simples: a rapidez com que essa galáxia se afasta de nós é o resultado da sua distância vezes a constante de Hubble. Felizmente, a velocidade de uma galáxia é fácil de medir – a luz que vem das galáxias muda dependendo da rapidez com que a galáxia se afasta de nós.

Os seus cálculos forneceram uma constante de Hubble de 69,8 quilómetros por segundo por megaparsec – no meio dos valores previamente determinados.

“O nosso pensamento inicial foi que, se há um problema a ser resolvido entre as cefeidas e o fundo cósmico de micro-ondas, o método da gigante vermelha pode ser o factor de desempate,” disse Freedman.

“O método da gigante vermelha é independente das cefeidas e é incrivelmente preciso. As estrelas usadas são de menor massa, têm diferentes histórias evolutivas e estão localizadas em diferentes regiões de galáxias distantes,” disse Taylor Hoyt, estudante da Universidade de Chicago e co-autor do artigo.

Mas os resultados não parecem favorecer fortemente uma resposta sobre a outra.

“Estamos a trabalhar na fronteira do que é actualmente conhecido sobre cosmologia,” salientou Freedman. “Estes resultados sugerem que ainda não temos a resposta final. O ónus da prova é alto quando as alegações de uma nova física estão presentes, mas é isso que a torna excitante,” disse. “Qualquer que seja a resolução do conflito, é importante. Nós ou confirmamos o nosso modelo padrão da cosmologia, ou aprendemos algo novo sobre o Universo.”

Astronomia On-line
19 de Julho de 2019

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Astrofísica anuncia a sua descoberta de “quasares frios” que podem reescrever como as galáxias morrem

Impressão de artista que ilustra um quasar energético que limpou o centro da sua galáxia de gás e poeira, e os ventos estão agora a propagar-se para os arredores. Em pouco tempo não haverá mais gás e poeira, permanecerá apenas um quasar luminoso azul.
Crédito: Michelle Vigeant

Durante a 234.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em St. Louis, Allison Kirkpatrick, professora assistente de física e astronomia da Universidade do Kansas, anunciou a sua descoberta de “quasares frios” – galáxias com abundância de gás frio que ainda podem produzir novas estrelas apesar de terem um quasar no centro. A descoberta revolucionária subverte suposições sobre a maturação de galáxias e pode representar uma fase do ciclo de vida de todas as galáxias, desconhecida até agora.

Um quasar, ou “fonte de rádio quase estelar”, é essencialmente um buraco negro super-massivo em esteróides. O gás que cai em direcção a um quasar no centro de uma galáxia forma um “disco de acreção”, que pode lançar uma quantidade incompreensível de energia electromagnética, muitas vezes com uma luminosidade centenas de vezes maior do que uma galáxia típica. Normalmente, a formação de um quasar é semelhante à aposentação galáctica e há muito que se pensa assinalar o fim da capacidade de uma galáxia em produzir novas estrelas.

“Todo o gás que está a ser acretado pelo buraco negro é aquecido e emite raios-X,” disse Kirkpatrick. “O comprimento de onda da luz que é libertada corresponde ao quão quente algo é. Por exemplo, nós humanos emitimos radiação infravermelha. Mas algo que emite raios-X é das coisas mais quentes do Universo. Este gás começa a acumular-se no buraco negro e começa a mover-se a velocidades relativistas; também temos um campo magnético em torno deste gás, que pode ficar torcido. Da mesma forma que temos proeminências solares, também temos jactos de material que passam por estas linhas do campo magnético e são atirados para longe do buraco negro. Estes jactos essencialmente sufocam o reservatório de gás da galáxia, de modo que mais nenhum gás pode cair sobre a galáxia e formar novas estrelas. Quando uma galáxia deixa de produzir estrelas, dizemos que é uma galáxia morta e passiva.”

Mas, no levantamento de Kirkpatrick, cerca de 10% das galáxias que hospedam buracos negros super-massivos em acreção tinham um reservatório de gás frio remanescente depois de entrar nesta fase e ainda criavam novas estrelas.

“Isto, por si só, é surpreendente,” comentou. “Toda esta população é um monte de objectos diferentes. Algumas das galáxias têm assinaturas óbvias de fusões; algumas parecem-se muito com a Via Láctea e têm braços espirais bastante discerníveis. Algumas são muito compactas. Desta população diversa, temos mais 10% realmente únicas e inesperadas. São fontes muito luminosas, compactas e azuis. Parecem-se com buracos negros super-massivos nos estágios finais, depois de terem “desligado” toda a formação estelar de uma galáxia. Estão a evoluir para uma galáxia elíptica passiva, no entanto também encontrámos nelas muito gás frio. Esta é a população que estou a chamar de “quasares frios”.

A astrofísica da Universidade do Kansas suspeitou que os “quasares frios” da sua investigação representavam um breve período ainda por reconhecer das fases finais da vida de uma galáxia – em termos da vida humana, a fugaz fase do “quasar frio” pode ser algo parecido a uma festa de aposentação de uma galáxia.

“Estas galáxias são raras porque estão em fase de transição – observámo-las logo antes da formação estelar ficar extinta e este período de transição deve ser muito curto,” disse.

Kirkpatrick identificou pela primeira vez os objectos de interesse numa área do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), o mapa digital mais detalhado do Universo actualmente disponível. Numa área denominada “Stripe 82,” Kirkpatrick e colegas conseguiram identificar visualmente os quasares.

“Então estudámos esta área em raios-X com o telescópio XMM-Newton,” acrescentou. “Os raios-X são a principal assinatura dos buracos negros em crescimento. Seguidamente, recorremos ao Telescópio Espacial Herschel, um telescópio infravermelho que pode detectar gás e poeira na galáxia hospedeira. Nós seleccionámos as galáxias que conseguimos encontrar tanto em raios-X quanto no infravermelho.”

A investigadora disse que as suas descobertas dão aos cientistas uma nova compreensão e detalhes de como a extinção de formação estelar nas galáxias ocorre e que anulam vários pressupostos sobre os quasares.

“Já sabíamos que os quasares passam por uma fase de poeira obscurante,” disse Kirkpatrick. “Nós sabíamos que passam por uma fase muito encoberta onde a poeira cerca o buraco negro super-massivo. Nós chamamos a isto de fase de quasar vermelho. Mas agora encontrámos este regime único de transição que não conhecíamos. Antes, se disséssemos a alguém que tínhamos encontrado um quasar luminoso com um tom óptico azulado – mas que ainda tinha muita poeira, muito gás e muita formação estelar – esse alguém diria: ‘Não, não é esse o aspecto destas coisas.'”

Kirkpatrick espera, no futuro, determinar se a fase de “quasar frio” ocorre com uma classe específica de galáxia ou com todas as galáxias.

“Nós pensámos que estas coisas acontecem quando temos um buraco negro em crescimento, coberto por poeira e gás, e começa a soprar este material,” disse. “Torna-se então um objecto azul luminoso. Assumimos que, quando expele o seu próprio gás, expele também o gás hospedeiro. Mas parece que com estes objectos, não é este o caso. Estes expelem a sua própria poeira – de modo que os vemos como um objecto azul – mas ainda não dissiparam toda a poeira e gás das galáxias hospedeiras. Esta é uma fase de transição, digamos de 10 milhões de anos. Em escalas de tempo universais, isto é realmente curto – e é difícil observar. Estamos a fazer o que chamamos de pesquisa cega para encontrar objectos que não estávamos à procura. E, ao encontrarmos estes objectos, sim, isso poderá implicar que acontece com todas as galáxias.”

Kirkpatrick recolheu dados até 2015 com o Telescópio XMM-Newton, um telescópio de raios-X altamente produtivo operado pela ESA. O seu trabalho faz parte de uma colaboração chamada História de Acreção dos AGN (Active Galactic Nuclei) liderada pela astrofísica Meg Urry da Universidade de Yale, que reúne dados de arquivo e realiza uma análise em vários comprimentos de onda.

Astronomia On-line
14 de Junho de 2019

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2128: O mistério da galáxia sem matéria escura foi finalmente resolvido

CIÊNCIA

NRAO/AUI/NSF; Dana Berry / SkyWorks; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Uma equipa de cientistas Instituto de Astrofísica das Ilhas Canárias (IAC) esclareceu um dos mistérios da Astrofísica extra-galáctica de 2018: a alegada existência de uma galáxia sem matéria escura.

No modelo actual da formação de galáxias, é impossível encontrar estes aglomerados estelares sem matéria escura, já que esta estranha forma de matéria é fundamental para produzir o colapso do gás que forma as estrelas.

Em 2018, um estudo publicado na revista Nature anunciava a descoberta de uma galáxia sem matéria escura. A publicação teve um grande impacto entre a comunidade científica, fazendo mesmo a capa de várias revistas científicas.

Agora, e de acordo com uma nova investigação publicada na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society (MNRAS), uma equipa de investigadores do IAC diz ter resolvido o mistério da galáxia [KKS2000] 04 (NGC1052 -DF2) – também conhecida como “galáxia sem matéria escura” – através da sua observação minuciosa.

Neste trabalho, a equipa, que estava a estranhar o facto de todas as propriedades dependentes da distância da galáxia serem anómalas, voltaram a analisar os indicadores de distância disponíveis. Recorrendo a cinco métodos independentes para estimar a distância do objecto estelar, os especialistas descobriram que métodos coincidem num aspecto: a galáxia é muito mais próxima do que foi apontado na investigação original.

O artigo publicado na Nature afirmava que a galáxia estava a uma distância de cerca de 64 milhões de anos-luz da Terra. No entanto, a nova pesquisa revelou que a distância real é muito menor: cerca de 42 milhões de anos-luz.

Graças a estes novos dados, todas as propriedades da galáxia derivadas da sua distância voltaram a ser normais e encaixam-se dentro das tendências observadas e traçadas por galáxias com características semelhantes.

Em comunicado, a equipa explica que o facto mais importante que a nova investigação traz à luz é que o número de estrelas nesta galáxia é cerca de um quarto do que foi originalmente estimando. Quanto à sua massa, é cerca de metade do que foi inicialmente estimado. Esta diferença é interpretada pela presença de matéria escura, alterando assim as conclusões anteriores.

Os resultados da investigação mostram a importância de definir distâncias precisas para objectos extra galácticos. Por muito tempo, esta tem sido – e ainda é – uma das tarefas mais difíceis da Astrofísica: medir a distância de objectos que não conseguimos alcançar.

ZAP //

Por ZAP
7 Junho, 2019



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1827: Astrónomos encontraram algo inesperado numa estrela que não devia existir

Na astrofísica, qualquer elemento mais pesado que hidrogénio e hélio é denominado “metal” e o lítio está entre os mais leves desses metais.

Investigadores do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) e da Universidade de Cambridge conseguiram detectar o lítio numa estrela “primitiva”. Esta é a estrela J0023+0307, descoberta há um ano pela mesma equipa com o Gran Telescopio Canarias (GTC) e o Herschel Telescope William (WHT) do Observatorio del Roque de los Muchachos.

Esta descoberta pode fornecer informações cruciais sobre a criação de núcleos atómicos – nucleosíntese – no Big Bang, de acordo com o comunicado publicado pelo IAC.

“Esta estrela primitiva surpreende-nos pelo seu alto teor de lítio e a sua possível relação com o lítio primordial formado no Big Bang”, observa David Aguado, um investigador associado com a Universidade de Cambridge, que é o autor principal do artigo publicado no início deste mês na revista The Astrophysical Journal Letters.

Esta estrela é semelhante ao nosso Sol, mas com um teor de metal muito mais pobre, menos de uma milésima parte da metalicidade solar. Esta composição implica que é uma estrela que se formou nos primeiros 300 milhões de anos do Universo, logo após as super-novas, marcando as fases finais das primeiras estrelas massivas na nossa galáxia.

“O teor de lítio da estrela primitiva é semelhante ao de outras estrelas pobres em metal no halo da nossa galáxia, e definem, aproximadamente, um valor constante, independente do valor do conteúdo metálico da estrela”, explica Jonay González Hernández, investigador e co-autor do artigo.

O lítio do Big Bang é um metal muito frágil que é facilmente destruído no interior das estrelas por reacções nucleares a uma temperatura de 2,5 milhões de graus ou mais. Como a base da atmosfera deste tipo de estrelas pobres em metal não atinge esta temperatura, o lítio permanece nelas durante praticamente toda a sua vida.

J0023 + 0307 ainda está na “Sequência Principal”, a fase em que as estrelas permanecem durante a maior parte das suas vidas e a sua idade é quase a mesma da idade do Universo. “A estrela J0023 + 0307 mantém este conteúdo constante de lítio numa estrela com uma baixíssima metalicidade e, assim, entendemos que o lítio deve ter-se formado numa fase ainda mais precoce na evolução do Universo”, acrescenta Carlos Allende, outro investigador do IAC.

A 7500 anos-luz da Terra, a estrela encontra-se no halo da Via Láctea e na direcção da constelação do Lince. A fonte de energia destas estrelas é a fusão do hidrogénio nos seus núcleos e as suas temperaturas superficiais e luminosidades são quase constantes com o passar do tempo. Outra das suas propriedades é a sua pequena massa, cerca de 0,7 vezes a massa do Sol, embora seja 400 graus mais quente.

ZAP //

Por ZAP
10 Abril, 2019

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1154: QUAL É O ASPECTO DE UM BURACO NEGRO?

Imagem simulada de um buraco negro com acreção. O horizonte de eventos encontra-se no meio da imagem e a sombra pode ser vista com um disco de acreção em seu redor.
Crédito: Bronzwaer/Davelaar/Moscibrodzka/Falcke/Universidade Radboud

No centro da nossa Galáxia encontra-se um buraco negro super-massivo rodopiante chamado Sagitário A* ou Sgr A*, para abreviar. Durante milhares de milhões de anos, o gás e poeira em redor têm caído na sua direcção. E aproximadamente a cada 10.000 anos engole uma estrela próxima.

Sgr A* é o maior buraco negro do nosso céu nocturno, mas não sabemos qual o seu aspecto porque nunca conseguimos tirar uma fotografia do objecto. Isto é verdade para todos os buracos negros. São omnipresentes no nosso Universo, mas são tão pequenos no céu que não temos imagens detalhadas de nenhum.

As fotos que vemos na Internet ou em documentários televisivos são ilustrações ou simulações com base em evidências indirectas – observações da região do espaço em redor do buraco negro. Os cientistas não duvidam que os buracos negros existam, mas, sem uma imagem, não podem ter a certeza.

Mas tudo isto está prestes a mudar.

Nos últimos quatro anos, o professor de astrofísica John Wardle tem trabalhado com uma equipa de aproximadamente 200 cientistas e engenheiros para criar uma imagem de Sgr A* que será a primeira de um buraco negro. A iniciativa, de nome EHT (Event Horizon Telescope), terminou de recolher dados em Abril de 2017. Os investigadores estão actualmente a analisá-los. Dependendo dos resultados, a imagem que produzirem de Sgr A* pode parecer-se com uma destas:

Simulações de computador das imagens que os investigadores do EHT esperam obter. As regiões brilhantes são gás quente em redor do buraco negro. A região escura e circular é uma sombra provocada pela forte gravidade do buraco negro.
Crédito: EHT

Pode não parecer grande coisa, mas a criação desta imagem grosseira de Sgr A* é o equivalente a ler uma manchete de um jornal situado na Lua, a partir da Terra. De facto, é boa o suficiente para responder a algumas das nossas maiores dúvidas sobre um dos fenómenos mais misteriosos do Universo: qual o aspecto da luz e da matéria quando caem em direcção a um buraco negro? Qual é a composição das correntes de energia que são expelidas dos buracos negros? Qual é o papel dos buracos negros na formação das galáxias?

Embora improvável, os resultados do EHT podem até exigir ajustes na teoria geral da relatividade de Einstein. Mas antes de sabermos se um dos maiores cientistas de todos os tempos não está completamente certo, temos que começar com o básico.

Os factos

Normalmente, os buracos negros surgem quando uma estrela muito massiva queima o seu combustível nuclear e colapsa cataclismicamente num ponto incrivelmente denso, ou singularidade. Quando o gás, as estrelas e outros materiais chegam perto o suficiente do buraco negro, são atraídos para o seu horizonte de eventos, uma concha imaginária em redor da singularidade. Nada que atravesse o limiar do horizonte de eventos pode escapar à atracção gravitacional do buraco negro. À medida que a matéria cai, o buraco negro torna-se mais massivo e o horizonte de eventos expande-se.

Os buracos negros estão por toda a parte. Os supermassivos encontram-se no centro da maioria das galáxias. Os buracos negros menos massivos são muito mais comuns. A nossa Galáxia, a Via Láctea, tem provavelmente uns 100 milhões de buracos negros, embora só tenhamos identificado algumas dúzias.

Quanto a Sgr A*, está a mais ou menos 26.000 anos-luz da Terra e tem uma massa equivalente a quatro milhões de vezes a massa do Sol. Isso torna-o “fraco” em comparação com outros buracos negros supermassivos, comenta Wardle. O outro buraco negro super-massivo que o EHT estuda, Messier 87 (M87), situado no centro do enxame galáctico de Virgem, tem uma massa de quase sete mil milhões de vezes a massa do Sol. O EHT escolheu Sgr A* e M87 porque são os maiores buracos negros supermassivos quando vistos da Terra. São os candidatos mais fáceis e acessíveis para estudo.

Mas como é que podemos tirar uma foto de um buraco negro quando este é, como o nome indica, negro?

Na realidade, os buracos negros são tão escuros quanto a escuridão do espaço. Qualquer luz que lá entre, nunca escapa. Mas, em redor de um buraco negro, existe luz de um redemoinho luminoso de matéria super-aquecida que ainda não caiu no buraco negro. Quando a luz passa perto do horizonte de eventos, é dobrada e distorcida pela forte força da gravidade do buraco negro.

Este efeito delimita uma região escura chamada sombra do buraco negro. Pensa-se que o tamanho da sombra seja duas vezes e meia o tamanho do horizonte de eventos. O tamanho do horizonte de eventos é proporcional à massa do buraco negro. Para Sgr A*, o seu diâmetro ronda os 24 milhões de quilómetros. E o diâmetro de M87, o outro buraco negro que o EHT está a estudar, é mil vezes superior.

Ou seja: através do estudo da sombra do buraco negro, os investigadores do EHT podem descobrir muito sobre o buraco negro. De modo que, tecnicamente falando, os cientistas do EHT não vão produzir uma imagem de um buraco negro. Vão usar a informação sobre a sombra para deduzir informação sobre o buraco negro.

Mas já que fotografar um buraco negro não é uma opção (pelo menos no presente), os cientistas consideram uma imagem da sombra uma evidência conclusiva da existência de um buraco negro.

E é aqui que entra John Wardle. Quando Wardle começou a sua carreira em astrofísica, no final da década de 1960, analisando as ondas de rádio emitidas pelas galáxias, “os buracos negros eram apenas uma curiosidade que podia ou não existir,” explica. “Era um campo mais ou menos desonroso para um astrónomo.”

Mas, alguns anos mais tarde, o campo floresceu e, dado que os buracos negros libertam jactos energéticos que emitem ondas de rádio, ele foi naturalmente atraído na sua direcção. Como parte do Grupo de Radioastronomia Brandeis, Wardle estuda as “galáxias activas”, um tipo relativamente raro de galáxia super-luminosa com buracos negros supermassivos no seu centro.

A rede

Sgr A* é tão pequeno no céu que não temos um único telescópio na Terra que possa observá-lo com detalhe suficiente a fim de criar uma fotografia de alta-resolução. Os cientistas do EHT superaram este obstáculo ligando sete telescópios espalhados pelo globo através de uma técnica chamada VLBI (very long baseline interferometry). O resultado foi um “telescópio virtual” com o poder de resolução de um telescópio do tamanho do diâmetro da Terra.

Durante uma semana em Abril de 2017, todos os sete telescópios do EHT captaram sinais de Sgr A*. Sete relógios atómicos registaram o tempo de chegada dos sinais em cada telescópio. A natureza dos sinais e o tempo de chegada em cada telescópio vai permitir com que os cientistas trabalhem para trás e construam uma imagem de Sgr A*. Isto vai demorar algum tempo. Os telescópios do EHT recolheram suficientes dados para encher 10.000 portáteis.

Grandes jactos

Wardle está especialmente interessado em descobrir mais sobre os enormes jatos de energia que fluem dos buracos negros. Os jactos formam-se quando a matéria fora de um buraco negro é aquecida a milhares de milhões de graus. Gira no que é chamado de disco de acreção. Parte passa pelo ponto de não retorno, o horizonte de eventos, e entra no buraco negro.

Mas os buracos negros produzem muita bagunça quando comem. Alguma da matéria é cuspida sob a forma de jactos bem focados (colimados). Os jactos viajam por milhares de anos-luz perto da velocidade da luz.

É possível que não existam actualmente jactos oriundos de Sgr A*. Não tem estado muito activo nas últimas décadas. Mas caso existam, os telescópios do EHT terão captado os seus sinais de rádio. E a equipa científica pode usar a informação para tentar e responder ao que Wardle diz serem as grandes perguntas sobre os jactos:

  • De que são feitos? Electrões e positrões, electrões e protões, ou campos electromagnéticos?
  • Como é que começam?
  • Como é que aceleram até perto da velocidade da luz?
  • Como é que permanecem tão focados?

E agora, finalmente, chegamos a Einstein

Até muito recentemente, as evidências em suporte da teoria da relatividade geral vieram de observações do nosso Sistema Solar. Mas as condições na nossa minúscula zona do Universo são muito calmas. As condições extremas encontradas perto de um buraco negro vão submeter a teoria da relatividade geral ao teste final.

A teoria da relatividade geral deve descrever com precisão como a luz se curva à medida que a enorme atracção gravitacional do buraco negro curva o espaço-tempo e atrai tudo na sua direcção. Os dados recolhidos pelo EHT vão fornecer medições deste fenómeno que podem então ser comparados com as previsões de Einstein.

As fórmulas da relatividade geral também sugerem que a sombra projectada pelo disco de acreção em redor de Sgr A* será quase circular. Se tiver a forma de um ovo, isso também nos dirá que algo está errado na teoria da relatividade geral.

Wardle pensa que a teoria da relatividade geral vai resistir aos testes. Ainda assim, há sempre a hipótese de “ter que ser ajustada”, realça. “Estaremos então em ‘maus lençóis’, porque não podemos fazer alterações que estragam todas as outras partes que estão a funcionar. Isso seria muito excitante.”

Astronomia On-line
16 de Outubro de 2018

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757: É uma partícula muito misteriosa. Agora descobriu-se de onde vem

 

Pela primeira vez foi identificada a origem dos neutrinos cósmicos, numa galáxia a cinco mil anos-luz da Terra. O laboratório português LIP também assina a descoberta “que vai estar nos livros da física do futuro.”

O primeiro alerta veio do pólo sul e, em poucas horas, uma série de observatórios, incluindo telescópios em terra e satélites em órbita, já tinham apontado ao alvo: uma galáxia activa, com um buraco negro super-massivo no centro (um blazar na gíria da astrofísica), a quase cinco mil milhões de anos-luz daqui, a TXS 0506+056. Bingo!

Aí estava a descoberta: uma vasta colaboração internacional, que incluiu o laboratório português LIP, de Instrumentação e Física Experimental de Partículas, conseguiu identificar pela primeira vez uma fonte de neutrinos cósmicos, essas partículas tão misteriosas que, a estas altas energias (as mais elevadas que conhecem no universo), não se sabia de onde provinham.

Agora já se sabe. Essas galáxias activas, cujos buracos negros centrais estão a devorar parte da sua matéria e, ao mesmo tempo, a produzir jactos a altas energias (é assim que estes neutrinos, juntamente com raios gama, são lançados através do espaço), como é o caso deste blazar, são uma das fontes desses neutrinos cósmicos. É provável que existam outras, e isso é o que se verá a seguir. A certeza é a de que o modelo teórico ficou agora mais rico.

Para a astrofísica e o conhecimento do universo e dos seus processos, este “é um resultado extraordinário há muito procurado”, nas palavras dos próprios cientistas, que hoje publicam a descoberta na revista Science, Mas esta não é a única novidade do trabalho.

A própria forma como ele foi realizado acabou por ser uma aventura de perseverança e de cooperação, com a chave para descoberta a ser protagonizada por outra família de partículas: os fotões, que são as partículas da luz. Foram os fotões que permitiram aos vários observatórios do mundo que colaboraram nesta busca traçar o rumo até à TXS 0506+056.

“Esperámos 10 anos por este resultado, tivemos muitos falsos alertas, e agora aconteceu o primeiro alerta verdadeiro”, diz satisfeito o astrofísico italiano Alessandro de Angelis, professor no Instituto Superior Técnico e investigador do LIP, que participou na descoberta. “Trabalhei na análise dos dados do telescópio Magic, que está instalado nas Canárias”, conta.

Este telescópio, com 17 metros de diâmetro, é o maior no hemisfério norte, e foi uma das peças-chave nesta descoberta.

Alerta no pólo Sul

Tudo começou há poucos meses, a 22 de Setembro de 2017. Nesse dia, o detector do observatório de neutrinos IceCube, instalado há dez anos na Antárctida, justamente para “apanhar” estas partículas cósmicas arredias, captou um neutrino muito particular, por causa da sua energia extremamente elevada – o Sol, por exemplo, também produz neutrinos, mas não a estas energias. Seria ele originário de um daqueles objectos muito distantes e turbulentos do universo que a teoria apontava como possíveis fontes destas partículas, mas cuja realidade nunca tinha sido comprovada?

De acordo com os modelos teóricos, a produção de neutrinos cósmicos acontece nessas fontes, que produzem as energias mais elevadas que se conhecem no universo e que geram fluxos de partículas, incluindo neutrinos cósmicos e raios gama (fotões lançados a altas energias).

Ali estava, portanto, uma oportunidade rara para tentar verificar a presença dos fotões e traçar a sua proveniência. O Icecube enviou, então, um “alerta de neutrino” a todos os telescópios do mundo, e também aos que giram na sua órbita, para participarem nas observações. A ideia era tentar detectar os fotões associados a esse neutrino cósmico e, através deles, chegar à fonte de todas essas partículas emitidas em simultâneo.

O satélite Fermi, da NASA, ao qual Alessandro de Angelis esteve ligado durante vários anos como investigador – “fui um dos proponentes do satélite”, conta ao DN – conseguiu o primeiro sinal positivo. Ao apontar o seu pequeno telescópio na direcção do neutrino, o Fermi observou emissões de uma fonte de raios gama. E como não podia fazer mais a partir daí, lançou um telegrama astronómico para outros 14 detectores de raios gama no mundo, incluindo o telescópio Magic. 12 horas depois, este estava a confirmar a descoberta. Lá estava a TXS 0506+056, fonte de neutrinos cósmicos.

“Foi a primeira vez que vimos um acelerador destas partículas fora da nossa própria galáxia”, explica Alessandro de Angelis, sublinhando que este “é só o primeiro evento”, porque a partir de agora “torna-se mais fácil procurar e estudar outros objectos deste tipo”. Por isso, não tem dúvidas, este “é um resultado que vai estar nos livros da física do futuro”.

Para Mário Pimenta, presidente do LIP, a descoberta mostra também “a importância das observações em rede, sem as quais esta não teria sido possível”. Por isso, “este resultado consagra uma mudança de paradigma na observação do Universo”, já que foi graças a “detectores tão distintos como os de neutrinos, os de fotões e de ondas gravitacionais” que estão “organizados em redes globais, e localizados em sítios e ambientes tão distintos, da Antárctida ao espaço”, que isto se tornou possível.

Nessa linha, o LIP está, aliás, a trabalhar juntamente com cientistas do Brasil, Itália e República Checa, entre outros países, numa proposta de dois novos elos nesta cadeia de observatórios de partículas cósmicas, a serem instalados na América do Sul, a uma altitude de cinco mil metros.

Diário de Notícias
Filomena Naves
12 Julho 2018 — 16:00

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680: XMM-NEWTON ENCONTRA MATERIAL INTERGALÁCTICO EM FALTA

Impressão de artista do meio intergaláctico morno-quente, uma mistura de gás com temperaturas que variam entre centenas e milhares de graus (morno) a milhões de graus (quente) que permeia o Universo numa teia cósmica filamentar.
Após duas décadas de observações, astrónomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA (ilustrado no canto inferior direito) detectaram o componente quente deste material intergaláctico, diminuindo a lacuna no orçamento geral da matéria “normal” no cosmos.
A descoberta foi feita usando observações de um quasar distante – uma galáxia massiva com um buraco negro super-massivo no seu centro que está a devorar activamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.
Depois de estudarem os dados, encontraram a assinatura do oxigénio no gás intergaláctico quente entre o observatório e o distante quasar, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão (visto no espectro no canto inferior esquerdo).
As duas concentrações de gás intergaláctico correspondem a um desvio para o vermelho de z=0,43 (indicado pelas setas verdes) e z=0,35 (indicado pela seta magenta); as características no espectro indicam indicadas pelas setas azuis representam assinaturas do azoto na nossa Via Láctea.
Crédito: ilustrações e composição – ESA/ATG medialab; dados: ESA/XMM-Newton/F. Nicastro et al. 2018; simulação cosmológica: R. Cen

Depois de um jogo cósmico das escondidas com quase vinte anos, astrónomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA finalmente encontraram evidências de gás quente e difuso que permeia o cosmos, fechando uma lacuna intrigante no orçamento geral da matéria “normal” do Universo.

Embora a misteriosa matéria escura e a energia escura componham cerca de 25% e 70% do nosso cosmos, respectivamente, a matéria comum que constitui tudo o que vemos – de estrelas a galáxias, de planetas a pessoas – corresponde a apenas 5%.

Mas até estes cinco por cento são muito difíceis de rastrear.

A quantidade total de matéria comum, que os astrónomos chamam de bariões, pode ser estimada a partir de observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é a luz mais antiga do Universo e que remonta a apenas 380 mil anos após o Big Bang.

As observações de galáxias muito distantes permitem que os astrónomos acompanhem a evolução desta matéria ao longo dos primeiros dois mil milhões de anos do Universo. No entanto, depois disso, mais de metade parece desaparecer.

“Os bariões desaparecidos representam um dos maiores mistérios da astrofísica moderna,” explica Fabrizio Nicastro, autor principal do artigo, que apresentou uma solução para o mistério, publicada esta semana na revista Nature.

“Nós sabemos que esta matéria deve existir no Universo, vemo-la no início, mas não a conseguíamos observar mais para o presente. Para onde foi?”

A contagem da população de estrelas em galáxias espalhadas pelo Universo, mais o gás interestelar que permeia as galáxias – a matéria-prima para a formação de estrelas – só totaliza uns meros 10% de toda a matéria comum. Somando o gás quente e difuso nos halos que englobam as galáxias e o gás ainda mais quente que preenche os aglomerados galácticos, as maiores estruturas cósmicas unidas pela gravidade, eleva o inventário para menos de 20%.

Isto não é surpreendente: as estrelas, as galáxias e os enxames galácticos formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, a distribuição filamentar da matéria escura e comum que se estende por todo o Universo. Embora esses locais sejam densos, também são raros, portanto não são os melhores locais para procurar a maioria da matéria cósmica.

Os astrónomos suspeitavam que os bariões “desaparecidos” deviam estar à espreita nos filamentos omnipresentes desta teia cósmica, onde a matéria é, no entanto, menos densa e, portanto, mais difícil de observar. Usando técnicas diferentes ao longo dos anos, conseguiram localizar uma boa parte deste material intergaláctico – principalmente nos seus componentes frios e quentes – elevando o orçamento total até uns respeitáveis 60%, mas deixando o mistério ainda sem solução.

Fabrizio e muitos outros astrónomos em todo mundo procuram há quase duas décadas os bariões em falta, desde que os observatórios de raios-X, como o XMM-Newton da ESA e o Chandra da NASA ficaram disponíveis à comunidade científica.

Observando nesta zona do espectro electromagnético, podem detectar gás intergaláctico quente, com temperaturas que rondam um milhão de graus ou mais, que bloqueia os raios-X emitidos por fontes ainda mais distantes.

Para este projecto, Fabrizio e colaboradores usaram o XMM-Newton para observar um quasar – uma galáxia massiva com um buraco negro super-massivo no seu centro que está a devorar activamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.

“Depois de vasculharmos os dados, conseguimos encontrar a assinatura do oxigénio no gás intergaláctico quente entre nós e o quasar distante, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão,” explica Fabrizio.

“Isto acontece porque existem aí enormes reservatórios de material – incluindo oxigénio – e exactamente na quantidade que esperávamos, de modo que podemos finalmente preencher a lacuna no orçamento dos bariões do Universo.”

Este resultado extraordinário é o começo de uma nova missão. São necessárias observações de diferentes fontes, espalhadas pelo céu, para confirmar se estas descobertas são realmente universais e para investigar mais profundamente o estado físico desta matéria há muito procurada.

Fabrizio e colegas planeiam estudar mais quasares com o XMM-Newton e com o Chandra nos próximos anos. No entanto, para explorar completamente a distribuição e as propriedades deste chamado meio intergaláctico morno-quente, serão necessários instrumentos mais sensíveis, como o Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) da ESA, com lançamento previsto para 2028.

“A descoberta dos bariões desaparecidos com o XMM-Newton é o primeiro emocionante passo na caracterização completa das circunstâncias e estruturas em que estes bariões são encontrados,” afirma o co-autor Jelle Kaastra do Instituto Holandês para Investigação Espacial.

“Para os próximos passos, vamos precisar da muito maior sensibilidade do Athena, que tem como um dos principais objectivos o estudo do meio intergaláctico morno-quente, a fim de melhorar a nossa compreensão de como as estruturas crescem ao longo da história do Universo.”

“Ficámos muito orgulhosos quando o XMM-Newton conseguiu descobrir o fraco sinal deste material há muito tempo elusivo, escondido numa névoa quente de um milhão de graus que se estende pelo espaço intergaláctico por centenas de milhares de anos-luz,” comenta Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton na ESA.

“Agora que sabemos que estes bariões já não estão em falta, mal podemos esperar para os estudar em maior detalhe.”

Astronomia On-line
22 de Junho de 2018

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509: Cientistas refutam lei que explicava distribuição de estrelas

ESO

Um grupo internacional de cientistas refutou a lei de astrofísica que data de 1955 e explica que a distribuição de estrelas em função da sua massa depende do lugar onde se formam.

Até agora, acreditava-se que a distribuição dos astros em função da sua massa estava determinada pelo lugar onde os mesmos se tinham formado, segundo uma lei astrofísica formulada em 1955 pelo astrofísico Edwin Salpeter.

No entanto, uma equipa coordenada pelo Centro Nacional de Pesquisa Científica (CNRS) de França desmontou essa teoria, mas, por enquanto, sem formular uma nova sobre a distribuição dos astros.

“A mesma coisa foi observada tantas vezes que levou a crer que se tratava de uma verdadeira lei”, explicou à Agência EFE Frédérique Motte, do CNRS, que acrescentou que, na realidade, “a distribuição não depende do lugar onde a estrela se forma”.

Motte afirmou que a descoberta publicada esta segunda-feira na revista Nature Astronomy terá “desdobramentos importantes“, já que a distribuição das estrelas “é um dos parâmetros fundamentais na astrofísica”.

Para chegar aos resultados, a equipa de cientistas analisou uma região distante de nossa galáxia conhecida como W43-MM1, na qual existe uma forte actividade de formação de estrelas.

Segundo Motte, esta descoberta foi possível graças às novas técnicas que permitem realizar observações cada vez mais distantes, como as que oferece o observatório ALMA, situado em pleno deserto do Atacama, no norte do Chile.

Antes desse estudo, as conclusões eram baseadas em observações de nuvens moleculares “muito próximas” de nosso sistema solar que eram “pouco representativas da diversidade de nuvens da galáxia”, esclareceu o CNRS em comunicado.

ZAP // EFE

Por ZAP
3 Maio, 2018

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