Cientistas portugueses propõem solução para dois “problemas” do Universo

CIÊNCIA

Um estudo realizado por investigadores da Universidade de Aveiro concluiu que as partículas que terão sido responsáveis por um período acelerado de expansão no início do Universo, os ‘inflatões’, podem constituir a ‘matéria escura’ que existe nas galáxias.

João Rosa é investigador do Departamento de Física e do Centro de Investigação e Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da Universidade de Aveiro
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João Rosa, investigador do Departamento de Física e do Centro de Investigação e Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da Universidade de Aveiro, disse à Lusa que a investigação, publicada recentemente na revista Physical Review Letters , propõe “soluções para dois grandes problemas em aberto” na área da cosmologia: a inflação do universo e a ‘matéria escura’.

Segundo o investigador, a teoria da inflação, proposta em 1981 pelo físico americano Alan Guth, avança que nas “primeiras fracções de segundos” após o Big Bang, o Universo teve uma “expansão acelerada”.

“A expansão do Universo só pode ser acelerada se o Universo tiver matéria num estado diferente da matéria que nós conhecemos hoje como os protões e os electrões”, afirmou João Rosa, acrescentando que a teoria da inflação propõe assim “a existência de novas partículas elementares”, denominadas pelos investigadores como ‘inflatões’.

Por sua vez, a origem da ‘matéria escura’, designação dada pelos especialistas a “partículas que não emitem luz” existentes nas galáxias e que exercem força gravitacional sobre a matéria luminosa (estrelas), permanece desconhecida.

“Temos aqui dois problemas que indicam a existência de novas partículas. É quase uma questão natural que se coloca: Será que estas partículas que são precisas para originar esta inflação, podem ser as mesmas partículas que hoje inferimos como sendo a ‘matéria escura’?”, inquiriu o investigador.

Apesar desta “nem sempre ser uma ligação óbvia”, uma vez que os modelos convencionais apontam que depois da explosão inicial do Universo existiu um arrefecimento e que os ‘inflatões’ se transformaram em outras partículas após a inflação (teoria da inflação fria), a investigação coordenada por João Rosa concluiu que os ‘inflatões’ “não se transformaram” e que acabaram por ser “uma fonte de calor” para o Universo.

“Nos modelos de inflação quente, como o próprio nome indica, não há este arrefecimento porque os inflatões estão num estado de energia muito grande, mas conseguem transferir lentamente uma pequena parte da sua energia para o resto do Universo e mantê-lo quente, como se fossem uma fonte de calor permanente”, sublinhou.

Segundo o modelo teórico desenvolvido pelos investigadores, os ‘inflatões’, que “sobreviveram desde a inflação até aos dias de hoje”, não emitem luz e são “extremamente frios”, uma vez que perderam a sua energia ao manter o Universo quente.

À Lusa, João Rosa adiantou que a equipa da UA vai continuar a “procurar modelos teóricos que possam explicar diferentes questões que permanecem em aberto”, esperando que a proposta apresentada “possa ser tida em consideração” em futuras observações astronómicas.

Diário de Notícias
Lusa
28 Maio 2019 — 23:00


“Vendo a dobrar” pode ajudar a resolver debate sobre rapidez da expansão do Universo

Imagem, pelo Telescópio Espacial Hubble, de um quasar com imagem dupla.
Crédito: NASA, Tommaso Treu/UCLA e Birrer et al.

A questão de quão rapidamente o Universo está a expandir-se tem intrigado os astrónomos há quase um século. Estudos diferentes continuam a obter novas respostas – o que faz com que alguns investigadores se perguntem se estão a negligenciar um mecanismo-chave na “maquinaria” que impulsiona o cosmos.

Agora, ao descobrirem uma nova maneira de medir quão rapidamente o cosmos se está a expandir, uma equipa liderada por astrónomos da UCLA (University of California, Los Angeles) deu um passo em direcção à resolução do debate. A investigação do grupo foi publicada na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

No coração da disputa está a constante de Hubble, um número que relaciona as distâncias com os desvios para o vermelho das galáxias – quanto a luz é esticada enquanto viaja até à Terra através do Universo em expansão. As estimativas da constante de Hubble variam de 67 a 73 quilómetros por segundo por megaparsec, o que significa que dois pontos no espaço separados por 1 megaparsec (o equivalente a 3,26 milhões de anos-luz) estão a afastar-se um do outro a uma velocidade entre 67 e 73 quilómetros por segundo.

“A constante de Hubble ancora a escala física do Universo,” disse Simon Birrer, académico pós-doutorado da UCLA e autor principal do estudo. Sem um valor preciso para a constante de Hubble, os astrónomos não podem determinar com precisão os tamanhos de galáxias remotas, a idade do Universo ou a história de expansão do cosmos.

A maioria dos métodos para derivar a constante de Hubble tem dois ingredientes: uma distância até uma determinada fonte de luz e o desvio para o vermelho dessa fonte de luz. Procurando uma fonte de luz que não tinha sido usada nos cálculos de outros cientistas, Birrer e colegas voltaram-se para os quasares, fontes de radiação alimentadas por enormes buracos negros. Para a sua investigação, os cientistas escolheram um subconjunto específico de quasares – aqueles cuja luz foi curvada pela gravidade de uma galáxia interveniente e pelo seu efeito de lente gravitacional, que produz duas imagens do quasar lado a lado no céu.

A luz das duas imagens toma percursos diferentes até à Terra. Quando o brilho do quasar flutua, as duas imagens piscam uma após a outra, e não ao mesmo tempo. O atraso no tempo entre essas duas cintilações, juntamente com informações sobre o campo gravitacional da galáxia “intrometida”, pode ser usado para traçar a viagem da luz e deduzir as distâncias à Terra, tanto do quasar como da galáxia no plano da frente. O conhecimento dos desvios para o vermelho do quasar e da galáxia permitiu que os cientistas estimassem a rapidez com que o Universo está a expandir-se.

A equipa da UCLA, como parte da colaboração internacional H0liCOW, tinha aplicado anteriormente a técnica no estudo de quasares com imagem quadruplicada, imagens de um quasar que aparece quatro vezes em redor de uma galáxia no plano da frente. Mas as imagens quádruplas não são tão comuns – pensa-se que os quasares com imagem dupla sejam aproximadamente cinco vezes mais abundantes do que os de imagem quádrupla.

Para demonstrar a técnica, a equipa estudou um quasar conhecido como SDSS J1206+4332; contaram com dados do Telescópio Espacial Hubble, dos observatórios Gemini e W. M. Keck e da rede COSMOGRAIL (Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses) – um programa gerido pela Escola Politécnica Federal de Lausanne, Suíça, cujo objectivo é determinar a constante de Hubble.

Tommaso Treu, professor de física e astronomia na UCLA e autor sénior do artigo, disse que os investigadores obtiveram fotos do quasar, todos os dias, durante vários anos, para medir com precisão o desfasamento de tempo entre as imagens duplas. Então, para obter a melhor estimativa possível da constante de Hubble, combinaram os dados reunidos desse quasar com dados previamente recolhidos pela sua colaboração H0liCOW de três quasares de imagem quadruplicada.

“A beleza desta medição é que é altamente complementar e independente das outras,” salientou Treu.

A equipa apresentou uma estimativa da constante de Hubble de aproximadamente 72,5 quilómetros por segundo por megaparsec, um número em linha com o que outros cientistas haviam determinado em pesquisas anteriores que usaram distâncias de super-novas – explosões estelares em galáxias remotas – como medições fundamentais. No entanto, ambas as estimativas são cerca de 8% mais altas do que uma que se baseia num brilho fraco de todo o céu chamado fundo cósmico de micro-ondas, uma relíquia que remonta a 380.000 anos após o Big Bang, quando a luz viajou pela primeira vez livremente pelo espaço.

“Se houver uma diferença real entre esses valores, significa que o Universo é um pouco mais complicado,” explicou Treu.

Por outro lado, também pode ser que uma medição – ou todas as três – estejam erradas.

Os investigadores estão agora à procura de mais quasares a fim de melhorar a precisão da sua medição da constante de Hubble. Treu disse que uma das lições mais importantes do novo artigo é que os quasares com imagens duplas dão aos cientistas muitas mais fontes de luz úteis para os seus cálculos da constante de Hubble. No entanto, por agora, a equipa foca a sua pesquisa em 40 quasares de imagens quadruplicadas, devido ao seu potencial para fornecer informações ainda mais úteis do que os quasares com imagens duplas.

Astronomia On-line
25 de Janeiro de 2019

 

1409: Medir a expansão do Universo acaba de se complicar

NASA/CXC/M.WEISS
A fonte das emissões agora detectadas não pode ser fruto da fusão, mas antes de acreção

Uma equipa de cientistas acaba de descobrir que as explosões de raios-X “super-suaves” podem ter origem quer em processos de acreção, quer em fenómenos de fusão nuclear – uma descoberta que torna mais complicada a medição da expansão do Universo.

Durante décadas, astrónomos e astrofísicos basearam as medições da expansão do Universo num determinado tipo de super-nova: as anãs-brancas. Contudo, a descoberta agora divulgada pela Universidade de Tecnologia do Texas, nos Estados Unidos, pode pôr este pressuposto em causa.

A emissão de raios-X “super suaves”, uma gama de raios-X de energia mais baixa, tem sido, até então, considerada como resultado da fusão nuclear que ocorre na superfície de uma anã branca, uma estrela pequena e muito densa.

Um novo estudo, publicado a semana passada na Nature Astronomy, dá conta de uma nova detecção de emissões super-brandas que claramente não são impulsionadas pela fusão nuclear, mostrando que a fusão não é a única forma de ocorrerem. Ou seja, o novo estudo vem desconstruir o que se acreditava até então, frisando que as emissões de raios X “super-suaves” podem ter outra origem.

De acordo com a publicação, os astrónomos detectaram uma uma explosão de raios-X de uma anã branca na Pequena Nuvem de Magalhães a cerca de 200.000 anos-luz, o que indica que a estrela está a puxar o material de uma gigante vermelha companheira a um ritmo tão alto que pode ser a anã branca de mais rápido crescimento já observada.

O evento, apelidado de ASASSN16-oh, foi observado pela primeira vez na Pequena Nuvem de Magalhães pelo telescópio All-Sky Automated Survey, localizado na Polónia. Observações adicionais do Swift Observatory da NASA e do Chandra X-ray Observatory vieram depois ajudar a verificar a descoberta.

“No passado, fontes de raios-X super-suaves foram associadas à fusão nuclear na superfície de anãs brancas”, disse Maccarone, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Texas, em comunicado. “Quando uma anã branca captura material de uma estrela companheira, o material acumula-se na sua superfície e aquece e, eventualmente, a fusão nuclear ocorre, como numa bomba de hidrogénio”, explicou.

“Mas esta emissão é oriunda de uma região menor do que a superfície da anã branca e temos fortes argumentos contra qualquer tipo de explosão que tenha ocorrido na anã branca”. Em particular, explicou, “não há linhas de emissão amplas em raios-X ou espectros ópticos, portanto não pode haver vento forte a ser gerado”, considerou.

“Em alguns casos, a fusão nuclear pode ser constante na superfície de uma anã branca, mas não pode começar imediatamente como uma fusão constante. Deve haver uma explosão de algum tipo quando a fusão começar”.

“Em alguns casos, a fusão nuclear pode ser constante na superfície de uma anã branca, mas não pode começar imediatamente como uma fusão constante. Deve haver uma explosão de algum tipo quando a fusão começar”.

Por tudo isto, acreditam os cientistas, a fonte das emissões agora detectadas não pode ser fruto da fusão, mas antes de acreção, o processo de acumulação de material na superfície de um astro. Neste caso em particular, na superfície da anã-branca.

Duas formas de emissão

No novo estudo, os cientistas sustentam que o sistema em causa consiste numa estrela gigante vermelha altamente evoluída e uma anã-branca com um disco de emissão extremamente grande à sua volta. A velocidade de entrada de material através do disco é instável e, quando o material começa a fluir mais rapidamente, o brilho do sistema dispara para cima da superfície.

“O que estamos a observar aqui é um episódio transitório de uma emissão super-suave, mas sem nenhum dos sinais que associamos à fusão nuclear”, disse Maccarone. “Se uma nova [emissão] ocorresse, esperávamos ver o material a afastar-se da anã branca – o que não acontece aqui. Em vez disso, o que estamos a ver é uma emissão quente do disco que transporta o material da estrela companheira até à anã branca. A massa está a ocorrer numa taxa maior do que em qualquer sistema que tenhamos detectado no passado”.

Sinteticamente, a nova descoberta frisa que existem duas formas para a emissão deste tipo de raios: a acreção e a fusão nuclear. “Os nossos resultados vão contra o consenso de longa data sobre como a emissão de raios-X nas anãs-brancas é produzida (…) Sabemos que a emissão de raios-X pode ser feita de duas formas diferentes”, acrescentou.

“Estou animado com este resultado”, disse Maccarone, notando que este é um “fenómenos totalmente novo e, sempre que é encontrado, é muito emocionante”.

Por mais emocionante que seja, a descoberta pode mudar a forma como os astrofísicos medem a expansão do cosmos – essa pode ser a sua grande virtude. Acreditava-se, até então, que este tipo de super-novas eram uma das formas principais da expansão do Universo, onde as anãs-brancas cresciam em massa explodindo, eventualmente como super-novas do Tipo Ia.

“Estes sistemas são também a forma como medimos a expansão do Universo”, disse Maccarone. Neste sentido, medir a expansão do Universo acaba de se complicar. Para perceber este crescimento, é preciso entender a origem das super-novas do Tipo Ia, que acabam agora de ganhar uma nova forma de produzir explosões de raios-X. Os cientistas precisam agora de refinar o método de medição, tendo em conta o fenómeno da acreção.

SA, ZAP // EuropaPress / AstronomyNow

Por SA
13 Dezembro, 2018

 

1202: ONDAS GRAVITACIONAIS PODEM EM BREVE FORNECER MEDIÇÃO DA EXPANSÃO DO UNIVERSO

Cientistas da Universidade de Chicago estimam, com base na primeira deteção de uma colisão de duas estrelas de neutrões pelo LIGO, que podem ter uma medição extremamente precisa da velocidade de expansão do Universo dentro de 5 a 10 anos.
Crédito: Robin Dienel/Instituto Carnegie

Há vinte anos, os cientistas ficaram chocados ao perceber que o nosso Universo não está apenas a expandir-se, mas que está a expandir-se mais depressa com o passar do tempo.

A determinação da taxa exacta de expansão, chamada constante de Hubble, em honra ao famoso astrónomo Edwin Hubble, tem sido surpreendentemente difícil. Desde então, os cientistas usaram dois métodos para calcular o valor, com resultados angustiantemente diferentes. Mas a surpreendente captura de ondas gravitacionais do ano passado, oriundas de uma colisão de estrelas de neutrões, forneceu uma terceira forma de calcular a constante de Hubble.

Esse foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas num novo estudo publicado no dia 17 de Outubro na revista Nature, três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, dada a rapidez com que os investigadores viram a primeira colisão entre estrelas de neutrões, podem ter uma medida muita precisa da constante de Hubble dentro de cinco a dez anos.

“A constante de Hubble diz-nos o tamanho e idade do Universo; é o ‘santo Graal’ desde o nascimento da cosmologia. O seu cálculo, recorrendo às ondas gravitacionais, poderá dar-nos uma perspectiva inteiramente nova do Universo,” comenta o autor Daniel Holz, professor de física na Universidade de Chicago que foi co-autor do primeiro cálculo do género aquando da descoberta de 2017. “A questão é: quando é que muda o jogo para a cosmologia?”

Em 1929, Edwin Hubble anunciou que, com base nas suas observações de galáxias para lá da Via Láctea, estas pareciam estar a afastar-se de nós – e que quanto mais distante a galáxia, mais rápido estava a retroceder. Esta é uma pedra fundamental da teoria do Big Bang e iniciou uma busca de quase um século pela taxa exacta a que isto ocorre.

Para calcular a taxa de expansão do Universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância até um objecto distante; o outro é quão rápido o objecto se afasta de nós devido à expansão do Universo. Se pudermos vê-lo com um telescópio, o segundo valor é relativamente fácil de determinar, porque a luz que vemos quando olhamos para uma estrela distante desvia-se para o vermelho à medida que se afasta. Os astrónomos há mais de um século que usam este truque para ver a velocidade com que um objecto se move – é como o efeito Doppler, no qual uma sirene muda de tom quando a ambulância passa por nós.

Grandes questões nos cálculos

Mas obter uma medida exacta da distância é muito mais difícil. Tradicionalmente, os astrofísicos usam uma técnica chamada escada de distâncias cósmicas, na qual o brilho de certas estrelas variáveis e super-novas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam até ao objecto em questão. “O problema, é que para lá chegar, existem muitos passos com muitas suposições,” comenta Holz.

Talvez as super-novas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensa. Talvez estejamos a confundir alguns tipos de super-novas com outros, ou exista algum erro desconhecido nas nossas medições das distâncias até estrelas próximas. “Há muita astrofísica complicada que pode prejudicar as leituras de várias maneiras,” realça.

A outra maneira importante de calcular a constante de Hubble é olhar para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas – o pulso de luz criada no início do Universo, que ainda é vagamente detectável. Embora também seja útil, este método baseia-se igualmente em suposições sobre como o Universo funciona.

O surpreendente é que, embora os cientistas que fazem cada cálculo estejam confiantes nos seus resultados, estes não são iguais. Um diz que o Universo está a expandir-se quase 10% mais depressa do que o outro. “Esta é uma grande questão da cosmologia,” afirma o autor principal do estudo, Hsin-Yu Chen, na altura estudante da Universidade de Chicago e agora membro da Iniciativa Black Hole da Universidade de Harvard.

Então os detectores do LIGO captaram a sua primeira ondulação no tecido do espaço-tempo a partir da colisão de duas estrelas no ano passado. Isto não somente abalou o observatório, mas o próprio campo da astronomia: ser capaz de sentir a onda gravitacional e ver a luz do rescaldo da colisão com um telescópio deu aos cientistas uma nova e poderosa ferramenta. “Foi uma espécie de constrangimento de riquezas,” comenta Holz.

As ondas gravitacionais fornecem uma maneira completamente diferente de calcular a constante de Hubble. Quando duas estrelas massivas colidem uma com a outra, emitem ondulações no tecido do espaço-tempo que podem ser detectadas na Terra. Medindo esse sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e da energia das estrelas em colisão. Quando comparam essa leitura com a força das ondas gravitacionais, podem inferir a que distância elas estão.

Esta medição é mais limpa e contém menos suposições sobre o Universo, o que deve torná-la mais precisa, disse Holz. Juntamente com Scott Hughes do MIT, ele sugeriu a ideia de fazer esta medição com ondas gravitacionais emparelhadas com observações telescópicas em 2005. A única questão é a frequência com que os cientistas podiam captar estes eventos, e quão bons seriam os dados.

‘Só vai ficar mais interessante’

O artigo prevê que, assim que os cientistas tenham detectado 25 leituras de colisões de estrelas de neutrões, possam medir a expansão do Universo com uma precisão de 3%. Com 200 leituras, esse número diminui para 1%.

“Para mim foi uma grande surpresa quando entrámos nas simulações,” disse Chen. “Ficou claro que poderíamos alcançar precisão e que poderíamos alcançá-la rapidamente.”

Os cientistas dizem que um novo número preciso para a constante de Hubble seria fascinante, não importa a resposta. Por exemplo, uma razão possível para a incompatibilidade nos outros dois métodos é que a natureza da própria gravidade pode ter mudado com o tempo. A leitura também pode lançar luz sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do Universo.

“Com a colisão que vimos no ano passado, tivemos sorte – estava perto de nós, foi relativamente fácil de encontrar e analisar,” comenta Maya Fishbach, estudante da Universidade de Chicago e outra autora do estudo. “As detecções futuras estarão muito mais distantes, mas assim que tivermos a próxima geração de telescópios, poderemos encontrar também contrapartes para essas detecções distantes.”

Está planeado que os detectores do LIGO comecem uma nova campanha de observações em Fevereiro de 2019, juntamente com os seus homólogos italianos no VIRGO. Graças a uma actualização, a sensibilidade dos detectores será muito maior – expandindo o número e distância de eventos astronómicos que podem captar.

“Só vai ficar mais interessante,” conclui Holz.

Astronomia On-line
26 de Outubro de 2018

 

180: Nada de energia escura: matemáticos propõem nova explicação para aceleração cósmica

(dv) UC Davis

Matemáticos propuseram uma explicação diferente para a expansão acelerada do universo, que não necessita de energia escura.

De acordo com o estudo, publicado na Proceedings of the Royal Society A, as equações originais de Einstein para a relatividade geral já predizem a aceleração cósmica devido a uma “instabilidade”, e não precisam desse elemento alusivo.

Pouco depois de Albert Einstein ter escrito as equações para a relatividade geral, descrevendo a gravidade, o físico incluiu um factor “anti-gravidade” chamado de “constante cosmológica” para equilibrar a atracção gravitacional e produzir um universo estático.

Mais tarde, Einstein classificou a constante cosmológica como o seu maior erro.

Sabemos há algum tempo que o universo não é estático: Não só está em expansão, como essa expansão está a acelerar. Para explicar isso, os cosmólogos invocaram uma força misteriosa chamada “energia escura”.

Quando os cosmólogos modernos começaram a estudar a aceleração cósmica, trataram a constante cosmológica de Einstein como permutável com a energia escura, dado o novo conhecimento. Essa explicação, no entanto, não satisfazia os matemáticos Blake Temple e Zeke Vogler, da Universidade da Califórnia, e Joel Smoller, da Universidade de Michigan.

“Propusemo-nos a encontrar a melhor explicação possível para a aceleração anómala das galáxias dentro da teoria original de Einstein, sem a energia escura”, disse Temple.

De acordo com os autores, a teoria original deu previsões corretas em todos os outros contextos, e não há prova directa da energia escura. Então, por que adicionar um factor incerto, como a energia escura ou a constante cosmológica, a equações que já parecem corretas?

No artigo, os matemáticos argumentam que as equações estão de facto corretas, e é a hipótese de um universo com galáxias em expansão uniforme que está errada, com ou sem energia escura, porque essa configuração é instável.

Os modelos cosmológicos começam a assumir que toda a matéria está em expansão, mas distribuída uniformemente no espaço a todo momento. Isso é chamado de “Universo de Friedmann”, a partir de um conjunto de equações que governam a expansão métrica do espaço em modelos homogéneos e isotrópicos, dentro do contexto da teoria da relatividade geral.

Temple, Smoller e Vogler resolveram as equações da relatividade geral sem invocar a energia escura. As soluções mostram que o espaço-tempo de Friedmann é na verdade instável: qualquer perturbação – por exemplo, se a densidade da matéria é um pouco menor do que a média – empurra o espaço-tempo para um universo acelerado.

Temple compara isso a um pêndulo invertido. Em posição normal, é estável no ponto mais baixo. Mas se o virar ao contrário, o pêndulo pode se equilibrar se for correctamente centrado, no entanto, qualquer rajada pequena irá fazê-lo cair.

Isso diz-nos que não devemos esperar medir um universo de Friedmann, porque é instável. O que devemos medir, em vez disso, são espaços-tempos locais que aceleram mais rápido.

Notavelmente, esses espaços-tempos locais criados pela instabilidade exibem precisamente a mesma gama de acelerações cósmicas obtidas em teorias de energia escura.

De acordo com Temple, o que isso mostra é que a aceleração das galáxias pode ter sido predita na teoria original da relatividade geral, sem invocar a energia escura ou constante cosmológica.

“A matemática não é controversa, a instabilidade não é controversa. O que não sabemos é se a nossa galáxia está próxima do centro de uma grande região de sub-densidade da matéria no universo”, disse Temple.

Segundo os autores, a hipótese inclui previsões testáveis que distinguem o modelo dos de energia escura.

 

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