BIG, BANG! & BOOM…

Nunca, em toda a história da ciência, houve um período em que novas teorias e hipóteses surgissem, florescessem e fossem abandonadas, em uma sucessão tão rápida quanto nos últimos 15 ou vinte anos…  (Willem De Sitter /1931)

Olhando para trás, para os anos revolucionários de 1915 a 1930, o astrônomo Willem De Sitter  identificou corretamente, o período como talvez, o mais extraordinário já vivido pelos cientistas.

Nas teorias da relatividade e quântica, físicos…   a começar por Albert Einstein elaboravam explicações inéditas e surpreendentes … sobre energia, matéria, gravidade… – e até espaço, e tempo.

Enquanto os astrônomos tentavam aplicar essas novas ferramentas à cosmologia… não deixavam de se impressionar com suas próprias revelações. Como exemplo, o conceito de ‘Grandes Galáxias’ de Shapley, foi logo seguido pela comprovação dos ‘Universos-Ilha’ de Hubble… – E, mais estranho ainda… – no final da década de 1920… – chegou a constatação de que o universo, como um todo, estava se expandindo…

Esta constatação, no entanto, demorou a ser assimilada… No início do século 20, a visão comum de mundo considerava o universo como estático – aparentemente o mesmo, por toda a eternidade. Einstein então, expressou a opinião geral em 1917, depois de De Sitter produzir equações que poderiam descrever um universo em expansão… – com um início.

Einstein então lhe escreveu dizendo… “Esta circunstância                                 muito me irrita…  —  admiti-la…  me parece sem sentido.”

Em suas equações de campo gravitacional, Einstein estava, simplesmente, elaborando uma ferramenta matemática compacta, que pudesse descrever a configuração geral da matéria e do espaçoconsiderando o universo como um todo. A peculiar curvatura do espaço – prevista nas equações, foi rapidamente confirmada em experimentos famosos,     e no início da década de 1920, a maioria dos principais cientistas admitia, nas equações   de campo de Einstein, a real possibilidade de uma revolução na cosmologia.

O único problema era que, encontrar uma solução para estas equações – isto é, produzir um modelo do universo, era um pesadelo matemático.

O início da ‘queda‘                                                                                                                  “Eu apenas erigi um sublime castelo no ar…Portanto, não vamos nos preocupar com uma resposta, mas sim nos encontrar outra vez, o mais rápido possível!” – (Einstein para De Sitter, 1916)

Durante 1916, em plena Primeira Guerra Mundial, Einstein encontrou-se com De Sitter, na neutra Holanda. Em meio a incentivos e críticas entre si, eles produziram 2 modelos cosmológicos – 2 soluções diferentes para as equações de campo. — Ambos os modelos, porém, pareciam precisar de ajustes especiais…

O modelo De Sitter só se estabilizariase não contivesse matéria.

DeSitter with Einstein

Albert Einstein (à esquerda) e Willem De Sitter (à direita) discutindo, no quadronegro, a teoria De Sitter, do universo em expansão. Esta foto foi tirada em 1932, no Instituto de Tecnologia da Califórnia / EUA… Copyright AP / Wide World Photos

De Sitter esperava que o modelo pudesse, de algum modo… ser ajustado para descrever o universo real — com a densidade da matéria suficientemente próxima de zero.

O mais impressionante contudo, sobre o seu universo vazio’… era um ‘estranho efeito’ sobre a luz – quanto mais distante do centro matemático (origem das coordenadas), mais lenta a frequência de vibrações da luz.

Isso significava que, quanto mais distante um objeto viajasse nesse “fantasmagórico” universo, mais desacelerada, a frequência da luz recebida, pareceria ser.

— A 1ª tentativa de Einstein em um modelo semelhante… não poderia conter matéria, e ser estável…As equações mostravam que, se o Universo fosse estático no início … a atração gravitacional da matéria faria tudo ‘colapsar’ sobre si mesmo (o que pareceu ridículo… – supor que o espaço fosse tão instável assim…)

Com efeito, Einstein logo descobriu que poderia estabilizar o seu modelo, adicionando um simples termo constante para as equações. Se esta constante fosse não nula, o modelo não entraria em colapso sob sua própria gravidade. Einstein, então admitiu…  “Esta constante cosmológica é apenas um ‘termo fictício’, não sendo exigido pela teoria, e portanto…não parecendo natural, do ponto de vista teórico.” (De fato — o ‘termo’ só é necessário, para possibilitar uma distribuição quase-estática de matéria.)

À luz das ‘Nebulosas’ distantes…                                                                                     Não obstante o problema no universo estático de Einstein, as medições de                 Slipher poderiam fornecer uma maneira de escolher entre os 2 modelos.

A poderosa crença em um universo estático, só poderia ser derrubada pelo peso de observações acumuladas. E, a 1ª dessas observações já havia sido relatada em 1915. Provavelmente essa observação era desconhecida por Einstein… – enquanto ele se correspondia com De Sitter, e desenvolvia sua teoria.

A 1ª Guerra Mundial interrompera as comunicações entre as nações de língua inglesa, e a Alemanha…onde Einstein trabalhava…  —  enquanto De Sitter…tinha apenas um relatório incompleto, de 2ª mão dessa prova observacional… Esta fora feita no Observatório Lowell, no Arizona. Seu fundador Percival Lowell, suspeitava que as ‘linhas espectrais observadas da luz de uma espécie de ‘nebulosa planetária’… — também poderiam ser encontradas no espectro das assim chamadas “nebulosas espirais”.

Em 1909, Lowell pediu para seu assistente, Vesto Slipher, obter espectros de ‘nebulosas espirais’. Slipher, inicialmente, duvidava que isso pudesse acontecer. Foi quando… então, percebeu que para nebulosas com suas superfícies estendidas, em contraste com imagens pontuais de estrelas… — o “fator instrumental crítico não era o tamanho do telescópio [o Observatório (rival) Lick…na Califórnia – tinha um telescópio muito maior…], mas sim a ‘velocidade do obturador ‘ (‘tempo de exposição’ para fotografar espectros de nebulosas).

Com uma nova câmera … sua velocidade aumentou por um fator de 30. Assim…em 17 de setembro de 1912… – Slipher obteve um ‘espectrograma‘ da “nebulosa” de Andrômeda, indicando a sua aproximação do sistema solar…a altíssima velocidade.

Slipher fez mais observações, expondo a mesma chapa fotográfica ao longo de várias noites…  —  Como resultado… foi encontrada uma velocidade média de 300 km/seg, considerada tão alta, que dela alguns astrônomos chegaram a duvidar.

Ao longo dos 2 anos seguintes…Slipher mediu velocidades para outras ‘nebulosas espirais’… – As primeiras medições revelaram nebulosas se aproximando no lado sul da nossa galáxia, e recuando no lado oposto.  

Slipher chegou a estabelecer uma hipótese provisória. Ele imaginou que a Via Láctea se movia (…para o sul) em relação às nebulosas. No entanto, mais observações de espirais contradisseram issoEspirais se afastando foram encontradas no lado sul… bem como   no lado do norte da nossa galáxia.

Slipher – no entanto, se agarrou à sua hipótese inicial… – Talvez mais observações, argumentou ele, pudessem encontrar ao menos uma preponderância de nebulosas           em aproximação no lado sul – direção a qual ele acreditava se mover nossa galáxia.

Não obstante … uma  interpretação diferente das velocidades observadas em nebulosas espirais, logo surgiu. O modelo De Sitter, de um universo estático, incluía uma redução     na frequência das vibrações de luz com o aumento da distância. Slipher tinha calculado velocidades…utilizando a regra de que a frequência da luz observada se modifica – se a fonte de luz estiver se afastando rapidamente… – mas…talvez isso fosse uma ilusão…

Talvez… objetos distantes não estivessem – realmente… se afastando à     grandes velocidades; apenas emitindo uma frequência diferente de luz.

A 1ª Grande Guerra Mundial tinha restrito as comunicações… — mas, em 1921…De Sitter sabia sobre as medidas de velocidade de Slipher, para 25 nebulosas espirais…Apenas três  estavam se aproximando — o que poderia se explicar como resultado de altas velocidades em  “direções aleatórias”…  —  sobrepostas em um afastamento sistemático muito menor.

Ainda assim, De Sitter hesitava em tirar conclusões… velocidades eram conhecidas, mas a outra metade da relação, as distâncias para as nebulosas, desconhecidas. Esta informação crucial só seria dada por Hubble no aprimoramento de suas medições dos ‘Universos-ilha

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Primeira Cefeida detectada em Andrómeda: manuscrito e chapa fotográfica

Surpreendente revelação de Hubble                                                                               Os resultados estabelecem para as nebulosas uma relação                                                  aproximadamente linear…entre velocidades e distâncias.” 

Em 1928, o astrônomo Edwin Hubble (1889-1953) participou de uma reunião da União Astronômica Internacional, realizada na Holanda. Lá, ele debateu com De Sitter teorias cosmológicas… – Hubble então, voltou ao ‘Observatório de Monte Wilson’ determinado     a testar a teoria De Sitter. Ele orientou seu assistente Milton Humason… observador meticuloso, a estudar esmaecidas nebulosas… que, presumia-se…seriam bem distantes. — Será que a frequência de suas luzes diferentes das que vêm de nebulosas próximas?

Com efeito, frequência mais lenta corresponde a comprimento de onda de luz mais longo, ou seja… uma luz mais próxima da extremidade vermelha do espectro… Portanto, o que o Hubble e Humason buscavam era um deslocamento para o vermelho de linhas espectrais  — o que mais tarde veio a ser chamado de “desvio para o vermelho”…Tal desvio (redshift) – Humason explicou mais tarde, era “o que se poderia esperar da teoria do espaçotempo curvo de De Sitter“.

Humason determinou velocidades, e Hubble distâncias…Eles encontraram uma relação basicamente linear – quanto maior a velocidade de afastamento da nebulosa, maior sua distância medida… Seus dados, sumários…e a interpretação, em detalhes, contraditória.

…Na verdade, descobriu-se mais tarde, que as distâncias medidas por Hubble para as nebulosas eram apenas a metade das distâncias reais.

Não obstante seus gráficos discordarem com o que os cientistas já sabiam sobre a idade do universo … a relação velocidade/distância era uma extrapolação ousada e brilhante.

Gráfico da relação velocidade/distância de Hubble (1929) para 46 nebulosas. Os pontos pretos e a linha cheia representam a resultado obtido a partir das 24 nebulosas para os quais as distâncias individuais foram determinadas, e utilizadas separadamente. Os círculos vazios e a linha tracejada representam a solução obtida pela combinação das nebulosas em grupos. A cruz representa a velocidade média de um conjunto de 22 nebulosas cujas distâncias não puderam ser estimadas individualmente.

Gráfico da relação velocidade/distância de Hubble (1929) para 46 nebulosas. Os pontos pretos e a linha cheia representam a resultado obtido a partir das 24 nebulosas para os quais as distâncias individuais foram determinadas, e utilizadas separadamente. Os círculos vazios e a linha tracejada representam a solução obtida pela combinação das nebulosas em grupos. A cruz representa a velocidade média de um conjunto de 22 nebulosas cujas distâncias não puderam ser estimadas individualmente.

Hubble enfatizou o aspecto ‘empírico/observacional’ de seu trabalho. Apenas, no último parágrafo de seu artigo de 1929, ele mencionou De Sitter…onde então, ele simplesmente observou que a relação velocidade/distância pode representar o efeito De Sitter… sendo assim, de interesse para a discussão cosmológica. – Seu objetivo principal era convencer os leitores mais céticos de que… – a ‘relação velocidade-distância‘ realmente existia.

Há mais no avanço da ciência do que novas observações e teorias. Em última análise, as pessoas devem ser persuadidas. Na ciência, como em um tribunal de justiça, defensores de cada lado de uma questão apresentam a melhor das hipóteses possível — na tentativa de alcançar a verdade. A imagem heroica da ciência primitiva pode prescindir do uso de habilidades retóricas. Persuasão no entanto, é parte integrante da ciência real. – Não há qualquer julgamento… – até que os argumentos sejam definidos, de forma clara e firme.

Nesse sentido…Hubble pregou uma campanha científica para implantar   sua relação velocidade/distância, à parte dos resultados observacionais.

Contudo…suas incontestáveis observações de que a luz das nebulosas apresentam desvio crescente ao vermelho, proporcional ao aumento de suas distâncias acabou por descartar   a possibilidade de que o “modelo estático” de Einstein representasse o “universo real“.

O modelo estático alternativo de De Sitter, sem matéria, também foi descartado pelas novas observações. (De Sitter supôs que a densidade de matéria no universo deveria estar perto o suficiente de zero, de modo a que seu modelo pudesse funcionar.) Uma         nova estimativa em 1927 da massa da ‘Via Láctea’, o fez reexaminar esse pressuposto,         e rejeitá-lo.

Não mais havendo a presunção de que o modelo alternativo de De Sitter p/ um universo vazio correspondesse à realidade…Einstein de pronto também reconheceu que o desvio para o vermelho havia derrubado sua antiga suposição, de um “universo estático“.

Um Universo em Expansão?                                                                                                 “Ambas as soluções (para as equações de campo de Einstein…e De Sitter) devem ser rejeitadas, e como estas são as únicas soluções estáticas das equações, a verdadeira solução, naturalmente, deve ser uma solução dinâmica”…    (Willem De Sitter, 1931)

Durante uma reunião da Royal Astronomical Society, em Londres, no início dos anos 30,   De Sitter admitiu que nem a sua solução, nem a de Einstein… para as equações de campo, poderiam representar o universo observado. Logo em seguida, o astrônomo inglês Arthur Eddington levantou uma intrigante questão… – ‘Por que haveria apenas estas 2 soluções?’  E, respondendo à sua própria pergunta…supôs que o problema era só termos levado em conta soluções estáticas. E com efeito alguns cientistas já tinham buscado outras soluções.

Alexander Friedmann in 1922 or 1923.

Alexander Friedmann in 1922 or 1923.

Em 1922…por exemplo… — o matemático russo Alexander Friedmann publicou um conjunto de possíveis soluções matemáticas às equações de Einstein, resultando em um universo dinâmico. Einstein…por sua vez — notou que este modelo, efetivamente oferecia uma solução matemática possível para suas ‘equações de campo’.

Mais tarde, Friedmann seria saudado como um grande representante da ciência soviética…Mas, durante os anos 20 …  —  ninguém demonstrou interesse por seu trabalho… – que parecia mera curiosidade teórica abstrata…  –  A maioria dos astrônomos continuava na certeza… – de que o universo real era estático.

Quando Friedmann republicou seu artigo, em 1924, este foi considerado como uma questão puramente teórica da relatividade… — sem qualquer interesse astronômico – sendo inclusive, omitido da pesquisa anual de trabalhos sobre este tema.

Mas, o astrofísico (e padre) belga Georges Lemaître, em 1927, também tinha publicado um modelo para um universo em expansão… – E, não obstante sua contribuição para a ciência ser hoje celebrada — à época… — seu estudo … pulicado nos Anais da “Sociedade Científica de Bruxelas”, passou inteiramente despercebido. Aqueles (incluindo Eddington) que leram o artigo, prontamente o haviam esquecido.

Apenas anos mais tarde, num relatório da reunião de 1930 da Real Sociedade Astronômica Lemaître escreveu a Eddington, seu ex-professor, para lembrá-lo do artigo de 1927…  Este, então, reconhecendo o valor do trabalho de Lemaître, o compartilhou com De Sitter, que logo após escreveu ao astrônomo Harlow Shapley, em Harvard…o seguinte comentário:

“Encontrei a verdadeira solução, ou pelo menos uma solução possível, que deve estar em algum lugar bem perto da verdade… em um artigo de Lemaître que havia escapado à minha atenção no momento”…(De Sitter para Shapley, 1930)

Einstein logo confirmou que o trabalho de Lemaître “se encaixa bem na teoria geral               da relatividade”.

Em 1931, De Sitter elogiou…publicamente… o   “universo em expansão” como uma ‘brilhante descoberta de Lemaître. – Nesse mesmo ano, Lemaître propôs que o universo representa… atualmente as “cinzas e fumaça de brilhantes fogos de artifício.”

Podemos agora, ver essa “teoria dos fogos de artifício” (como passou a ser chamada) como         uma primeira versão da teoria…”Big Bang“.         Mas, o que significava essa nova estranha frase… – universo em expansão?… Na verdade… – significava que a luz de uma nebulosa distante estava deslocada para o vermelho… – não por algum efeito peculiar ‘De Sitter’…mas, porque as nebulosas se afastavam de nós (Isto, não por algo de especial, ou perigoso). Hoje em dia, sabe-se     que ‘nebulosas’ são galáxias, mais ou menos como a nossa…Como cada uma dessas galáxias se afasta de todas outras – com o próprio espaço se expandindo entre elas,     não existe qualquer ‘ponto especial’ entre estrelas onde a “grande expansão” tivesse começado… – Nós… e todas as outras galáxias estamos dentro desse espaço. Assim, quanto mais distantes 2 galáxias quaisquer estiverem afastadas…mais rápido irão          se distanciar…exatamente conforme a relação (velocidade-distância) de Hubble.

O reconhecimento da expansão                                                                                           Muitas vezes pensamos que, quando nós completamos nosso estudo do um, sabemos  tudo sobre dois, porque ‘dois’ é ‘um mais um’. Esquecemos que ainda temos que fazer        um estudo sobre o ‘mais’.”  (Arthur Eddington)

http://www.astronoo.com/pt/biografias/edwin-powell-hubble.html

O ‘diagrama de Hubble’ representa a velocidade de galáxias de acordo com a distância, ou seja, quanto mais uma galáxia está distante de nós, mais parece se afastar rapidamente. É a partir deste estudo que o conceito de expansão do universo aparece.  [NASA]

Os cosmólogos reconheceram, de imediato, que um universo em expansão significa que, no futuro longínquo…as galáxias se distribuirão … — bem mais distantes…umas das outras…  Assim como, há muito tempo atrás o universo deve ter sido muitíssimo mais denso…

Será então, que o próprio tempo teve um começo?… As poucas medições de Hubble foram suficientes…para que os melhores cientistas do mundo, se convencessem em assumir… uma visão radicalmente nova – da natureza…origem…bem como…do destino do universo.

Talvez, os cientistas tenham logrado assumir este ponto de vista tão rapidamente, graças à tendência da teoria quântica, e da relatividade, para revelações surpreendentes… O pronto reconhecimento de que o universo está se expandindo…não foi menos revolucionário – no culminar de um período verdadeiramente excepcional na história da ciência.

A expansão do universo é reconhecida hoje, como uma das grandes descobertas científicas, e Hubble… geralmente, recebe os créditos. — No entanto, a bem da verdade… o seu grande mérito foi estabelecer uma fórmula empírica que levasse – a grande maioria dos cientistas, a acreditar na expansão… É uma questão histórica e filosófica em aberto, em que sentido a correlação dos dados de Hubble foi uma ‘descoberta’… e, exatamente…como a alegação de que o universo está se expandindo se desenvolveu nas mentes científicas.

Muitas observações têm confirmado o modelo de um universo em expansão, o qual a equação de Hubble validou… – Mas, Hubble não deve ser julgado, simplesmente, por suas conclusões serem agora consideradas corretas… Mais importante, foi a direção         que indicou– “utilizar as ‘galáxias’ como a (‘chave) para a história cosmológica”.

Cozinhando‘ os elementos                                                                                                     O trabalho de Hubble deve ser apreciado pelos pressupostos que derrubou… – e                pelos horizontes que abriu, como um marco da realização do intelecto humano’.

Na década de 1930…época da grande consolidação no desenvolvimento cosmológico, Georges Lemaître havia sugerido o surgimento do universo… — em uma espetacular explosão de um “ovo cósmico” primordial … criando um “universo em expansão”.       No início dos anos 1940…apesar da 2ª guerra brecar progressos significativos, novas tecnologias, que trariam grandes avanços científicos… foram também desenvolvidas.

O avanço da física nuclear por exemplo, ajudou a transformar especulações cosmológicas em cálculos quantitativos. Esta linha de investigação, iniciada no final da década de 1940, foi seguida, a princípio, principalmente por físicos, e não astrônomos.

http://www.aip.org/history/cosmology/ideas/gamow.htm

Em 1946, o físico George Gamow (ao lado) considerou que a fase inicial de um universo em expansão seria uma sopa superdensa de partículas… — e…começou a calcular a quantidade de vários “elementos químicos”, que poderiam ser criados nestas condições… – Agora, graças aos estudos nucleares, os físicos podiam encontrar números plausíveis para a abundância de diferentes elementos… – que teriam surgido de uma explosão cósmica.

Gamow era acompanhado por Ralph Alpher – estudante de graduação da Universidade George Washington, onde Gamow lecionava…e por Robert Herman, funcionário do Laboratório de Física Aplicada ‘Johns Hopkins’…local de suas pesquisas. – Ambos… filhos de emigrantes judeus russos… – nascidos nos EUA.

Gamow assumiu a expansão e resfriamento do universo, a partir de um estado inicial de densidade e temperatura quase infinita…Neste estado, toda a matéria seria formada por prótons, neutrons e elétrons – em um ‘oceano efervescente’ de radiação em alta energia. Gamow e Alpher denominaram esta mistura hipotética de ‘Ylem‘ (significado medieval para a palavra ‘matéria’).

Alpher fez cálculos detalhados para ‘processos nucleares‘ neste universo primordial. Nestes cálculos…ele utilizou alguns dos primeiros computadores eletrônico-digitais desenvolvidos durante a guerra, para calcular, entre outras coisas… as condições de explosão dentro de uma bomba nuclear…

Parecia que os elementos poderiam ser construídos como uma partícula, capturando neutrons, um a um…em uma espécie de ‘cozimento nuclear.

A contribuição desta teoria não foi equacionar uma solução final, mas sim – e não menos importante, resolver um grande problema – o quê determinou a abundância cósmica dos elementos? Poderiam ser, as abundâncias observadas, acompanhadas por cálculos que se aplicassem às ‘leis da física’… numa fase inicial tão densa, e extremamente quente, de um universo em expansão?

Gamow teve êxito em explicar a abundância relativa de hidrogênio e hélio…Seus cálculos, aproximadamente, concordavam com as observações das estrelas… – hélio representava cerca de 1/4 da massa do universo…e hidrogênioo responsável por quase todo o resto. No entanto, cálculos para os outros elementos não chegaram a uma resposta sensata para nenhum deles, além do hélio. Parecia que, juntar a este átomo mais neutrons, não geraria elementos estáveis.

Gamow, contudo… afirmou, com bom humor  que sua teoria já deveria ser considerada um sucesso…pois dava conta de 99% da matéria no universo… — Na verdade… sua teoria   não estava errada, apenas incompleta. Astrofísicos logo perceberam que, se os elementos mais pesados não foram formados durante a origem quente do universo … eles poderiam ser formados mais tarde, no interior das estrelas.

Com efeito, a teoria dependia de uma propriedade especial do carbono, que o astrônomo Fred Hoyle mediu, e encontrou, conforme previsto… A  cosmologia, enfim, entrava no laboratório’… Mas, a teoria de uma explosão cósmica inicial foi logo desafiada por uma nova velha hipótese — a de que o universo poderia estar, afinal, em um ‘estado de equilíbrio‘.

Tommy Gold (à esquerda), com Hermann Bondi (centro), e Fred Hoyle (à direita); década de 1960.

Tommy Gold (à esquerda), com Hermann Bondi (centro), e Fred Hoyle (à direita); década de 1960.

A ‘contra-revolução’                             “The ‘Big Bang’ is an irrational process that cannot be described… in scientific terms…”  (Fred Hoyle)

O triunfo de Hoyle em explicar…como poderiam, a maioria dos elementos, ser criados no interior das estrelas ficou de fora desta teoria – na qual… – todos os elementos eram criados no início.

Este fato, aliás… foi interpretado como favorecendo a teoria rival – criada pelo próprio Hoyle – que assumia assim um papel importante na criação e propagação da tese, e antítese cosmológica. Nesta nova teoria, o universo não precisava de um início, pois nunca teria havido um “big bang(…apelido, com intento pejorativo, que Hoyle inventou em 1950).

Há, inclusive, uma interessante história – não levada muito a sério por historiadores… de como se deu o início da ‘teoria do estado estacionário. A ideia teria surgido em 1947, segundo Hoyle, quando ele e os colegas Hermann Bondi e Tommy Gold foram ao cinema.

Os 3 se conheceram em pesquisas sobre radar, compartilhas durante a II Guerra Mundial. Hoyle era versátil, intuitivo e indisciplinado; Bondi tinha uma mente matemática afiada e ordenada…e Gold, uma imaginação física ousada, aberta a novas perspectivas… O filme foi uma história de fantasmas, que terminou da mesma forma que começou. E isto deixou os cientistas pensando num universo imutável – mas… dinâmico. De acordo com Hoyle:

“As pessoas tendem a pensar em situações imutáveis, como sendo necessariamente estáticas. – O que, acentuadamente, o filme fantasmagórico fez para todos nós, foi remover essa noção errada…Pode-se ter situações imutáveis que sejam dinâmicas,         como, por exemplo, a fluidez de um rio.”

Mas, como pareceria o universo sempre o mesmo, estando em uma expansão contínua? Não demorou muito tempo para se descobrir uma possível resposta — a matéria estava, continuamente…sendo criada. — Assim… novas estrelas e galáxias poderiam se formar, preenchendo o espaço deixado pelas mais antigas… – que se afastavam para bem longe.  

Para muitas mentes filosóficas, o universo do ‘estado estacionário‘ … proposto por Hoyle, Bondi e Gold,  tinha uma grande vantagem sobre o universo em expansão do big-bang… Qual seja, a densidade global deste universo se mantinha constante, pela criação contínua de matéria. No universo big-bang, com sua densidade mudando radicalmente, várias leis da física não poderiam ser aplicadas da mesma forma – em todos momentos.

Seria impossível extrapolar… — com confiança… — a                                       partir do presente, de volta à sua origem superdensa.

Em 1948, a ‘teoria do estado estacionário também possuía uma outra vantagem (observacional) sobre a teoria do big bang. — A ‘taxa de expansão’…então encontrada, quando calculada retroativamente — até um ‘big bang’ inicial…fornecia uma idade do universo de apenas alguns bilhões de anos, bem abaixo da conhecida idade do sistema solar! E esse foi, certamente, um problema constrangedor para os defensores da teoria ‘bigbancionista’.

http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/intrcosm/Glossario/PrincCosmol.html

Por outro lado, por algum tempo os cosmólogos mantiveram cautela em relação  ao   ‘princípio cosmológico’  que afirmava…que as propriedades do universo…em larga escala… são independentes – da localização do “observador” … (copernicanismo).

Em outras palavras, qualquer teoria que nos colocasse…’seres humanos, em algum lugar especial (… como o centro do universo)… – poderia ser prontamente descartada.

Nesse sentido… – levado às últimas consequências, Bondi e Gold foram obrigados a assumir… um “universo homogêneo – não apenas no espaço… mas, também no tempo (‘parecendo o mesmo, em qualquer lugar… e a qualquer momento’). Eles insistiram que a teoria deveria ser deduzida…a partir do axioma de não estarmos em qualquer lugar especial…tanto no espaço, como no tempo. E eloquentemente, chamaram essa hipótese de ‘Princípio Cosmológico Perfeito’.

Hoyle foi menos enfático, na afirmação de que o “princípio cosmológico perfeito” fosse um axioma básico. Ele preferia uma teoria deduzida da modificação que propôs para o universo relativista de Einstein, na qual acrescentava a criação da matéria. Com efeito, as 2 diferentes teorias de ‘estado de equilíbrio’ tinham bastante em comum, para serem consideradas como uma única – para a maioria dos propósitos.

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Big Bang x Estado Estacionário

A maior parte do desenvolvimento posterior da … “teoria do estado estacionário veio em resposta às críticas, cujos argumentos, a grande parte… foram de natureza filosófica, com pouco apelo prático.

A discussão cosmológica adquiria aspectos religiosos e políticos… O próprio Papa Pio XII… em 1952… chegou a anunciar… que a cosmologia do ‘big-bang’ afirmava a noção do “criador transcendente“…estando – portanto…em plena harmonia com o ‘dogma cristão’.

A ‘teoria do estado estacionário, negando qualquer começo ou fim dos temposfoi, para alguns, vagamente associada com o ateísmo…Gamow até mesmo sugeriu, com outra dose de ironia, que a teoria do estado estacionário estivesse anexada à linha ideológica do ‘partido comunista‘ — muito embora, os astrônomos soviéticos houvessem taxado ambas cosmologias, do big bang e do estado estacionário… – como ‘idealistas‘ e ‘infundadas’.

Astrônomos norte-americanos por sua vez, consideraram a teoria do estado estacionário interessante, mas assumiram uma abordagem pragmática. Os créditos do embate estado estacionário x big bang deveriam ser “homologados”…por meio de testes observacionais. Um destes, envolveu as idades das galáxias.

Em um estado de equilíbrio, com contínua criação de matéria, haveria uma mistura de galáxias recentes e antigas – espalhadas ao longo do universo… – Em um big bang, com apenas uma criação inicial, as galáxias envelheceriam com o tempo. Assim os astrônomos poderiam olhar para trás no tempo…procurando pelas galáxias mais distantes, para saber se, observar uma galáxia com um bilhão de anos-luz de distância – significaria observá-la em uma luz que a tinha deixado um bilhão de anos atrás.

E… observações relatadas em 1948… confirmaram que galáxias mais distantes eram, na verdade, mais antigas. (Ponto para o big bang)

Bondi e Gold…então, cuidadosamente reviram os dados…e, em 1954, informaram que o efeito anunciado era espúrio (O teste de idades poderia, em tese ser capaz de distinguir entre as teorias rivais, mas não na prática) – (Ponto para o ‘estado estacionário’). 

Outro possível teste envolvia a taxa de expansão do universo’… Em um big bang, a taxa de expansão diminuiria; já em um universo de estado estacionário, permaneceria constante… Os dados do Observatório de Monte Wilson pareciam favorecer ao big bang, mas, certamente, não o suficiente para se constituir num teste crucial.

Walter Baade (1893-1960)

Walter Baade (1893-1960)

Enquanto isso foi descoberta solução para o embaraçoso cálculo que colocava a idade do universo – tipo big-bang menor do que a idade do sistema solar… – Walter Baade  comprovou que as estimativas das distâncias de galáxias haviam misturado 2 tipos diferentes de estrelas. – Como resultado, o tamanho do ‘universo observável’ havia sido subestimado, por um fator de 2.

Se – com efeito… as galáxias estivessem 2 vezes mais distantes do que se pensava — então, os cálculos com       a “taxa de expansão” observada dariam uma idade do universo 2 vezes maior que a calculada anteriormente       e, portanto — bem maior que a idade do sistema solar. (desfazendo aquele argumento contrário ao Big Bang)

Curiosamente…no entanto — o maior desafio à teoria do estado estacionário veio através de uma ciência recém-fundada, denominada Radioastronomia… — Conhecimentos fundamentais, sobre técnicas de deteção dos fracos sinais de rádio avançaram bastante na 2ª Guerra Mundial, e… especialmente, na Inglaterra, com pesquisas sobre radar.

Depois da guerra…os programas de pesquisa em Cambridge, Manchester e Sydney, na Austrália…voltaram-se então para a pesquisa científica… — dominando o horizonte da Radioastronomia por décadas, com a criação e desenvolvimento dos “radiotelescópios” com o objetivo fundamental de detetar sinais do espaço sideral nesta faixa do espectro.

Ryle, à direita, com seu colega Hewish, soldando parte da antena.

Ryle, à direita, com seu colega Hewish, soldando parte da antena.

O programa em Cambridge foi liderado por Martin Ryle, que… em 1974… receberia o “Nobel de Física”…por suas contribuições gerais à Radioastronomia… – Em 1951, Ryle acreditava que todas fontes de rádio se localizavam dentro de nossa galáxia… sem ter – portanto… interesse cosmológico. Porém, nos anos seguintes… se convenceu de que grande parte das fontes de rádio então detetadas tinham origem extragalática. — Suas observações assim, seriam usadas no teste de novos ‘modelos cosmológicos’.

Ryle argumentou que sua amostra de quase 2.000 fontes de rádio (…completada em 1955) contradizia a “teoria do estado estacionário” – tendo em vista que … fontes mais distantes — e… — portanto…mais antigas pareciam estar distribuídas de uma forma diferente, das mais próximas.

Mas, de fato, ele havia exagerado a importância de seus dados iniciais…Somente depois de mais alguns anos de trabalho…teriam as observações radioastronômicas argumentos conclusivos contra a ‘teoria estacionária‘. Daí, Hoyle queixar-se, amargamente…que Ryle não estava motivado pela busca da verdade — mas, apenas, pelo desejo de destruir a “teoria do estado estacionário”… — E, de fato… Ryle…e muitos astrônomos observacionais da época … — não respeitavam ‘cosmólogos teóricos’

A microondas cósmica                                                                                                           “Mesmo que, efetivamente…nunca tenhamos sucesso nas medições em radiofrequência, com uma precisão suficiente para refutar qualquer teoria cosmológica, a ameaça pode desencorajar… e muito, um senso de irresponsabilidade por parte dos cosmólogos, que sempre viveram a ‘sorte’ de poder postular teorias, que nunca teriam qualquer chance   de serem refutadas.” (Martin Ryle)

Um duro golpe contra a ‘teoria do estado estacionário foi desferido em 1965… com uma descoberta surpreendente. Em um artigo de 1948, Gamow argumentou que o universo big-bang – a princípio, teria sido dominado pela radiação – um mar revolto de energia. Com sua expansão, a energia majoritariamente, se converteria em matéria.

Alpher e Herman haviam previsto que um remanescente da radiação permaneceria…uma ‘radiação cósmica de fundo‘ que permearia todo o espaço. – À medida que o universo se expandisse … essa radiação — que tinha inicialmente sido muito mais quente do que se poderia imaginar, esfriaria a um nível de energia bem baixo… Foi inclusive previsto que a temperatura do universo deveria estar hoje em torno de 5 graus Kelvin…um pouco acima do zero absoluto.

Havia muito pouca comunicação naqueles tempos, entre físicos nucleares, astrônomos observacionais, e cosmólogos mais teóricos…Além disso, só o fato de Alpher e Herman terem trabalhado em pesquisa industrial, poderia influenciar na comunidade científica. Além disso, Gamow, Alpher e Herman estavam mais interessados em física do que cosmologia.

Suas estimativas de ‘energia de radiação’ eram imprecisas…e variavam ao longo dos cálculos. – Entretanto, no momento em que publicaram suas ideias ninguém poderia testá-las, pois a radiação de uma temperatura tão baixa seria em ‘microondas  na     faixa entre raios infravermelhos e ondas de rádio…sendo portanto, de difícil detecção.       E, além disso, ao final década de 40 ainda não existiam equipamentos que pudessem identificar radiação em microondas a uma temperatura muito abaixo dos 20 ºK.

Mas, enquanto as microondas eram consideradas úteis às comunicações       (e radar)… novas técnicas foram em breve incrementadas. Em 1963, Arno Penzias e Robert Wilson pesquisando   o ‘ruído de fundo‘ em ‘microondas’, perceberam esta radiação para todo o céu, sendo portanto, uma radiação de fundo cósmico. – Robert Dicke, físico da Universidade de Princeton…soube da notícia, e em 1965, apesar de nada saber sobre a previsão de Herman…e Alpher – a interpretou corretamente como a ‘radiação cósmica de fundo de cerca de 3ºK…  que restou do Big Bang.     É que… mesmo antes de saber dessas observações…Dicke havia orientado seu ex-aluno, James Peebles, no cálculo da natureza dessa radiação. – Quanto à previsão de Alpher e Herman… – só mais tarde…foi resgatada e apreciada.

A conclusão do debate

Penzias e Wilson tinham diferentes sentimentos – a cerca da definição teórica de sua descoberta. Wilson, que havia estudado cosmologia com Hoyle, mais tarde confessou que…“Apreciava muito a ‘teoria estacionária’… – E filosoficamente, de alguma forma, ainda gosto. Arno e eu achávamos bom ter uma explicação, porém também poderiam existir outras.”

À época…poucos astrofísicos compartilhavam do bom-senso de Wilson… – Ansiosos por enterrar a ‘teoria do estado estacionário’… já amplamente desacreditada pelas pesquisas de radiofontes – eles, sumariamente… consideravam as novas observação como o ‘golpe     de misericórdia’ teórico… – Contudo, uma minoria fiel à ‘teoria do estado estacionário’, ainda não convencida da evidência do big bang, questionava se… – ‘Não poderia ter a singular observação de Penzias e Wilson, algum outro tipo de explicação?’…

Hoyle, inclusive, chegou a sugerir que… – ‘Apenas um certo número de medidas em diferentes frequências poderia confirmar as propriedades previstas da radiação de um remanescente do Big Bang’.

Foi somente no início dos anos 1970, que técnicas avançadas o suficiente para fazer tais medições trouxeram a confirmação definitiva… No entanto, para a maioria, a discussão entre big bang e estado estacionário já havia terminado…em 1965, com o primeiro  como indiscutível vencedor…Defensores do estado estacionário se contentavam a criar argumentos (ad hoc) de pouca plausibilidade… – sendo cada vez mais marginalizados.

Lá pelo início dos anos 1970, a cosmologia se tornava, cada vez mais…uma ciência observacional, com suas controvérsias e debates demandando uma arbitragem empírica. No entanto, apesar da muito melhorada – e às vezes inteiramente remodelada instrumentalmente…as considerações filosóficas permaneceram no centro da cosmologia…tendo fundamental importância em seu desenvolvimento seguinte…a ‘teoria inflacionária’…(texto original) **********************************************************************

A TEORIA COSMOLÓGICA DO ESTADO QUASE ESTACIONÁRIO (Nov, 2001)

F. Hoyle - frases

O astrofísico, e cosmólogo Fred Hoyle — falecido recentemente, no dia 20/08/2001, aos 86 anos de idade, contribuiu … de forma crucial à ciência contemporânea.

De sua abundante contribuição científica destacam-se aqui… – alguns ‘aspectos cosmológicos’,    a saber…as teorias do estado estacionário“…e do estado quase estacionário“.

Apresenta-se também um breve relato a respeito das observações recentes de supernovas em grandes desvios para o vermelho … as quais confirmam uma das previsões de Hoyle e colaboradores…qual seja… – a de um universo atualmente emexpansão acelerada“. 

Introdução Cosmológica

Pode-se afirmar que a cosmologia, como hoje é entendida, teve o seu início em 1917, quando o físico alemão Albert Einstein propôs o seu modelo do universo. Baseado na teoria da relatividade geral (TRG), de sua autoria, e na sua percepção do mundo físico, Einstein estabeleceu um modelo do universo que, em grande escala, era homogêneo, isotrópico e estático. A ideia de um universo em expansão, tão popular hoje em dia, não era de forma alguma óbvia.

As soluções das equações da TRG que admitiam a expansão do universo foram obtidas pela primeira vez pelo russo Alexander Friedmann, tornadas públicas em artigos científicos datados de 1922 e 1924. Estes trabalhos foram seguidos, de forma independente, pelas pesquisas do cosmólogo belga Georges Lemaître, publicadas em 1927 e 1931, que também resultaram em modelos de universo em expansão.

Tais modelos alcançaram projeção no mundo científico a partir da descoberta da relação proporcional entre o desvio para o vermelho e a distância das galáxias. Esta relação, investigada por vários astrônomos, foi estabelecida de forma segura e definitiva em 1929 pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble. Verificara-se observacionalmente, que a luz emitida pelas galáxias possuía comprimentos de onda cujos valores eram deslocados em direção ao vermelho, no espectro de luz visível, e a relação mostrava que este desvio era proporcional à distância das galáxias.

Este tipo de relação…entre comprimento de onda da radiação e distância     era, exatamente, aquele previsto pelas soluções de Friedmann e Lemaître.

A invenção portanto do conceito de um universo em expansão decorreu de dois aspectos, a saber, de resultados teóricos e de observações astronômicas. Isto significa que a expansão do universo não é um fato empírico, ou seja, deduzido diretamente da observação da natureza… – como o é, por exemplo… – e para mencionar um caso estreitamente relacionado à cosmologia… – a existência individualizada das galáxias.

edwin-hubbleO grande astrônomo Edwin Hubble teve aqui também atuação decisiva. Foi ele quem mostrou, de forma brilhante e definitiva, que as chamadas “nebulosas espirais” eram objetos astronômicos independentes de nosso sistema estelar, a galáxia da Via Láctea. A sua descoberta foi baseada apenas em relações empíricas, obtidas a partir das observações astronômicas… – Quer dizer, as galáxias não foram “inventadas” mas, de fato, descobertas.

Ao se aceitar a expansão do universo, as conseqüências são dramáticas. Uma simples extrapolação temporal da expansão do universo para épocas passadas leva a um estado de densidade e temperatura tão altas… que, a princípio, não tem limites… – estabelecendo-se assim… um ‘início’ para a história do universo como um todo.

Muitos cientistas, contemporâneos destes desenvolvimentos científicos, não aceitaram estas ideias, reputando-as como simplórias e até mesmo repugnantes. Entre eles estão os astrônomos britânicos Arthur Eddington e Fred Hoyle, este último, personagem principal da história aqui contada. Fred Hoyle tentou inclusive ridicularizar o modelo de Friedmann-Lemaître apelidando-o de universo da “grande explosão” (big bang). O nome no entanto passou a pertencer ao jargão científico, sem as características de ridicularização que o motivaram.

Várias tentativas foram feitas no sentido de se evitar a cientificamente ‘desconfortável’ singularidade – eufemismo para “fase desconhecida” – predita no universo da grande explosão. Menciona-se aqui apenas duas delas, das quais a segunda será o objeto de uma descrição mais detalhada. – A 1ª… o modelo de Eddington-Lemaître, foi proposto com o fim específico de se evitar a singularidade inicial. Neste modelo, a extrapolação temporal para o passado termina num estado inicial com características semelhantes ao universo estático de Einstein. Em todas outras fases…é indistinguível do modelo com singularidade.

A 2ª, de caráter mais amplo e revolucionário,                                                         foi proposta por Fred Hoyle, e colaboradores.

Esta segunda tentativa se ramifica em duas, separadas por quase 50 anos. A primeira, denominada “cosmologia do estado estacionário” foi proposta por Hoyle e pelos cientistas, também britânicos, Hermann Bondi e Thomas Gold, em 1948. A segunda surgiu am 1993, após o fracasso da primeira, e foi idealizada por Hoyle, por Geoffrey Burbidge e pelo físico teórico indiano Jayant Narlikar, e denomina-se “cosmologia do estado quase estacionário”. A semelhança dos nomes reflete alguns pontos que elas têm em comum, como se verá em algum detalhe a seguir.

Cosmologia do estado estacionário

Em 1948… Hoyle e… independentemente, Bondi e Gold… propõem o modelo do “estado estacionário“… – O universo é homogêneo, isotrópico… e espacialmente infinito… – além disso, ao contrário do universo da grande explosão… tem uma idade infinita. O modelo expande-se como na ‘grande explosão’… – mas a matéria é contínua e uniformemente criada… de forma a garantir a homogeneidade e isotropia. – A teoria porém, não indica de que forma a matéria é criada… – Esta violação da ‘lei da conservação’ da matéria (lei implícita na TRG) foi contornada por Hoyle em um ‘artifício matemático’…

Hoyle propôs uma pequena modificação na TRG para permitir a criação de matéria a partir de um “reservatório” de energia negativa. À medida que a matéria é criada, a conservação da energia resulta num reservatório de energia cada vez mais negativo. A expansão do universo, no entanto, mantém a densidade de energia do reservatório e a densidade média da matéria no universo constantes… Daí o termo “estacionário” na teoria.

A ideia de criação contínua de matéria foi fortemente questionada durante as décadas de 50 e 60… anos que se seguiram à sua proposição. Verifica-se, no entanto, que após os desenvolvimentos das teorias inflacionárias, a partir de meados de 1980, torna-se, de certa forma, muito mais respeitável. Na época em que foi proposta era uma teoria bastante atrativa pois atribuía uma idade infinita ao universo. Isto era uma grande vantagem em relação à teoria da grande explosão, a qual implicava numa idade do universo cerca de dez vezes menor que a idade geológica da Terra!

Esta inconsistência básica foi o principal sustentáculo… – durante muitos anos, do modelo do estado estacionário. – A situação entretanto mudou na década de 60…

A descoberta da “radiação cósmica de fundo”… em 1965… pelos norte-americanos Arno Penzias e Robert Wilson – a revisão da estimativa da idade do universo, à luz de novos dados observacionais – a descoberta dos ‘quasares’… que, de certa forma, implicava num quadro consistente de evolução de galáxias… e ainda outros desenvolvimentos teóricos, experimentais e observacionais… – levaram paulatinamente a um descrédito na teoria do estado estacionário, e o modelo da grande explosão ocupou de vez o ‘cenário cosmológico’.

O ‘despertar’ do Big-Bang

Os modelos de Friedmann-Lemaître (da grande explosão), tornaram-se definitivamente a base do chamado modelo cosmológico padrão, que passou a ser conhecido popularmente pelo termo em inglês Big Bang. Mas o modelo padrão logo revelou-se um celeiro de problemas.

O 1º deles é a discordância entre os valores predito e observado da densidade de matéria no universo. O valor predito decorre do ajuste da teoria, na fase inicial da expansão, tendo por objetivo o cálculo das abundâncias químicas dos elementos de massa pequena, a chamada nucleossíntese primordial. Estes elementos atômicos, deutério, hélio e lítio, foram sintetizados na fase quente e densa da grande explosão e serviram de matéria prima para a formação dos demais elementos, no interior das estrelas.

O valor observado da densidade de matéria é obtido a partir do censo, i.e., da contagem de objetos luminosos (estrelas, galáxias, etc) no universo. A discrepância entre os dois valores, o predito e o observado, é da ordem de um fator de 100!

O 2º problema reside na radiação cósmica de fundo. Esta radiação é, de acordo com a teoria, a manifestação atual da bola de fogo inicial da grande explosão. As observações mostram que ela é exageradamente uniforme em intensidade. As flutuações de densidades observadas hoje na distribuição de galáxias não se conciliam com a homogeneidade da radiação cósmica de fundo, a não ser que ajustes artificiais e hipóteses ad hoc sejam introduzidos na teoria.

O 3º problema é a “singularidade inicial“… – A expansão iniciou-se no inexplicável ponto onde todas leis da física – como assim a conhecemos… não se aplicam. – As raras tentativas de abordagem desta singularidade… como, por exemplo, as ‘teorias inflacionárias‘… são difíceis de serem testadas observacional e experimentalmente.

estado estacionario

Cosmologia do estado quase estacionário

Os problemas delineados acima, e muitos outros mais levaram Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge e Jayant Narlikar… em 1993, a propor um novo ‘modelo cosmológico’ – semelhante à teoria do estado estacionário, mas com algumas correções em seus defeitos. A nova teoria foi denominada cosmologia do estado quase estacionário (CEQE).

Como na velha teoria, a CEQE prevê a criação contínua de matéria no universo, ao invés da criação de toda a matéria do universo num único evento, como na teoria da grande explosão. Matematicamente, a influência dos inúmeros eventos de criação de matéria é o estabelecimento de uma oscilação cósmica em torno da solução estacionária das equações cosmológicas. Dai o nome “quase estacionária” para a teoria.

O universo presentemente está numa época de expansão que será seguida de uma contração, e assim sucessivamente… – O período de oscilação é da ordem de 20 a 30 bilhões de anos.

A ‘CEQE’ oferece cenários alternativos aos do ‘modelo padrão’ para a síntese primordial dos elementos leves – onde  todos os elementos são formados no interior das estrelas; para a homogeneidade e isotropia da radiação cósmica de fundo – resultante da termalização da energia liberada na criação dos elementos leves; e para a formação da distribuição de galáxias no universo…onde estas se originam de galáxias pré-existentes. E assim, mantém acesa a chama da busca científica por um modelo consistente para o universo como um todo, sendo Fred Hoyle destacado representante entre aqueles que trabalham nesta busca.

Pursuit_mosaic,_National_Gallery

Mosaico (Boris Anrep) descrevendo Fred Hoyle como um alpinista subindo às estrelas, com um livro sob os braços.

A teoria matemática subjacente à CEQE é uma pequena modificação da TRG, constituída pela introdução de um ‘campo escalar’ adicional…

Para uma discussão introdutória há excelente material no capítulo 18 do livro “Cosmology, the science of the universe”, do astrônomo Edward Harrison; e para uma introdução completa às teorias cosmológicas propostas por Hoyle, ver “A different approach to cosmology”, de Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge e Jayant Narlikar, ambos editados pela Cambridge University Press, 2000.

‘Energia escura’… (o desafio final)

Resultados observacionais recentes têm se mostrado consistentes com a CEQE. É oportuno portanto terminar este relato sobre as teorias de estado estacionário com uma apresentação de uns dos últimos, e mais importantes acontecimentos em cosmologia observacional…

Trata-se dassupernovasdo tipo Ia… em galáxias com desvios para o vermelho próximos de 1… A partir de observações pelo Telescópio Espacial Hubble… – mostrou-se serem estas… – excelentes indicadores de distâncias.

Supernovas do tipo I são objetos deficientes em hidrogênio. Existem supernovas do tipo Ia, Ib (e segundo alguns pesquisadores do tipo Ic). As diferenças entre os vários subtipos são resultantes, entre outros aspectos, de diferenças nas estrelas progenitoras dos eventos e nas características da radiação emitida pelas supernovas. – As supernovas do tipo Ia são intrinsecamente mais brilhantes… e resultem da explosão de anãs brancas, em sistemas binários. Já supernovas do tipo II são ricas em hidrogênio, e originem-se de estrelas de grande massa. São caracterizadas por colapso do “caroço estelar”, por rebote energético induzido por neutrinos, e… eventualmente, pela presença de jatos.

O principal objetivo das observações com supernovas do tipo Ia é estabelecer uma extensão do ‘diagrama de Hubble’, da relação entre desvio para o vermelho e distância… – no caso… para grandes ‘redshifts’ (valores em torno de 1), a fim de determinar parâmetros cosmológicos fundamentais… – Especificamente… este parâmetro relevante é o parâmetro de desaceleração, crucial em modelos de universo em expansão, tais como os de Friedmann-Lemaître, e a CEQE.

Dois grupos de pesquisa, o Supernova Cosmology Project, liderado por Saul Perlmutter, e o High-z Supernova Team, liderado por Brian P. Schmidt, usaram amostras de supernovas Ia diferentes, bem como técnicas de análise também diferentes, e chegaram à mesma conclusão: o universo está atualmente em expansão acelerada!…(Os valores típicos são qo<1/2, para universos abertos, qo=1/2, para o universo plano (Euclidiano), e qo> 1/2, para universos fechados. E, em termos de qo, os 2 grupos afirmam que as observações indicam valores negativos!)

Em outras palavras, o parâmetro de desaceleração, usualmente representado por qo, destes modelos é sempre positivo. O resultado é surpreendente, do ponto de vista dos modelos derivados do paradigma de Friedmann-Lemaître, os quais prevêem universos desacelerados. Vem dai, talvez… a preferência pela definição de um parâmetro de desaceleração – não aceleração… – trabalhando-se naqueles modelos com ‘números positivos’.

O modelo padrão pode ser reconciliado com a expansão acelerada desde que haja uma componente energética no universo responsável pela aceleração. Historicamente, uma candidata sempre à disposição dos interessados… é a velha “constante cosmológica, introduzida por Einstein nas equações cosmológicas da TRG em 1917, para manter o seu modelo de “universo estático”. – Einstein queria, com este termo de “pressão negativa”, supostamente presente no universo… – contrabalançar os “efeitos atrativos” da gravidade.

Após o surgimento das evidências observacionais, em especial a partir dos trabalhos de Edwin Hubble em favor de modelos expansivos de universo, Einstein, rapidamente, abdicou da ideia… – de tal “constante cosmológica”.

Há um problema, não obstante, com a consideração de uma constante cosmológica, um problema sério de auto-consistência teórica… – Com o advento das teorias quânticas de campo, impõe-se restrições bem definidas para os valores presumíveis da constante cosmológica, que de forma quase que definitiva a excluem como solução para o problema da expansão acelerada. Para se ter uma ideia da gravidade do problema basta mencionar que o valor preconizado pelas teorias quânticas de campo, para a constante cosmológica, levam a um universo cuja idade seria da ordem de 10e-10 do segundo… e cujo horizonte de eventos estaria a 3 cm do observador!

energiaescura - grafico

Com a finalidade de se preservar o “modelo padrão”, recorre-se a uma alternativa energética que forneça a “pressão negativa” necessária à manutenção da “expansão acelerada”, e que não sofra das restrições impostas à constante cosmológica. – Esta componente energética recebeu o nome de ‘energia escura‘. O termo “escura” do nome é outro eufemismo astronômico, já tradicional, para “desconhecida”.

Desconhecida, mas não desqualificada… – Para Michael Turner… que cunhou a expressão, a ‘energia escura’ tem as seguintes propriedades: não emite luz (radiação eletromagnética de modo geral), exerce uma grande pressão negativa (…comparável, em módulo… à sua densidade de energia), e é…aproximadamente… ‘homogênea’ (desacoplada da matéria em escalas pelo menos tão grandes quanto de “aglomerados de galáxias”).

Estas propriedades, qualitativamente bem diferentes da ‘matéria escura’, comprovam que “energia” é o termo correto para qualificar esta nova componente escura. 

De acordo com o modelo padrão, e a serem confirmados os resultados das supernovas, teríamos um universo constituído aproximadamente de 2/3 da suposta energia escura, 1/3 (da suposta) matéria escura (bariônica e não bariônica) e 1/200 de matéria luminosa! É importante ressaltar que nesta contabilidade está implícita a aceitação do paradigma inflacionário – o qual prevê que a soma das três componentes seja, exatamente igual a 1.

Segundo Turner… – “o maior desafio da cosmologia moderna é entender o real significado desta energia escura”. Deve-se acrescentar que tal entendimento é vital para a própria sobrevivência do ‘modelo padrão’… – E, o que preconiza a “Cosmologia do Estado Estacionário” a respeito da expansão do universo?… – Desde o início, bem antes dos projetos de supernovas; desde a época de Hoyle, Bondi e Gold… – e, apesar da quase unanimidade dos modelos desacelerados de Friedmann-Lemaître… – nada mais, nada menos, que uma expansão acelerada!… (Domingos Soares – Dpto. Física /UFMG) texto  ************************************************************************************

“BINGO”…ondas acústicas de Hidrogênio no Universo Primitivo‘ (FEV/2017)

telescopio-bingo

O radiotelescópio será montado na cavidade abandonada de uma mina de ouro. [Ilustração: fing.edu.uy]

Deve começar neste ano, no Uruguai, a construção de um radiotelescópio com o qual se planeja identificar uma certa frequência da radiação eletromagnética, emitida pelo hidrogênio há bilhões de anos. Com esse novo equipamento, físicos brasileiros, ingleses, suíços, uruguaios e chineses esperam obter mais informações sobre distribuição galática, e demais fenômenos ocorridos 370 mil anos após o Big Bang, com a separação entre matéria e radiação eletromagnética. Nessa época da separação entre matéria e radiação, as partículas atômicas formavam um plasma, com temperatura de cerca de 3 mil graus Celsius… — como explicou o físico Élcio Abdalla, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) e coordenador do projeto… 

“No plasma primordial havia ondas formadas pela interação entre matéria e radiação eletromagnética. Após a separação de matéria e radiação… — as ondas que se propagavam no espaço congelaram… gerando correlações na distribuição de matéria”.

O radiotelescópio ganhou o nome de Bingo, sigla de Baryon Acoustic Oscillations in Neutral Gas Observations ou observações de gás neutro (neste caso, o hidrogênio) das oscilações acústicas bariônicas, que são as ondas geradas pela interação dos átomos (ou matéria bariônica) com a radiação. O objetivo é medir uma radiação típica do hidrogênio, elemento mais comum do Universo, em uma linha de emissão eletromagnética com um comprimento de onda de 21 centímetros — o equivalente, em frequência, a 1,421 gigahertz (GHz), que chega à Terra com frequências entre 0,9 e 1,2 GHz… devido à distância percorrida – desde quando essa radiação foi emitida.

“Do ponto de vista científico, esse é um projeto de 1ª linha…que investigará um dos maiores mistérios da natureza — o fato de uma parte desconhecida do Universo ser responsável por 95% de sua constituição” concluiu Abdalla.

Para Steve Torchinsky – físico do Observatório de Paris, e membro do comitê supervisor do projeto…“Dizemos que o Universo está em expansão acelerada, mas não sabemos por quê. Chamamos esse mistério de ‘energia escura’ por não conhecemos sua natureza nem funcionamento. – É possível que o Bingo ajude a desvendar esse mistério, trazendo uma enorme contribuição à nossa compreensão do Universo… – a um custo bastante acessível”.

As informações obtidas com o radiotelescópio devem também ajudar no teste da hipótese do grupo da USP de que a “energia escura”…(forma hipotética de energia do Universo, responsável por sua acelerada expansão) poderia interagir com a “matéria escura”, explicando assim … a formação e distribuição de massas no universo. (texto 1) # (texto 2)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
Esse post foi publicado em astronomia, cosmologia, física e marcado , , , . Guardar link permanente.

2 respostas para BIG, BANG! & BOOM…

  1. JMFC disse:

    Uma interessante resenha histórica da evolução do conhecimento cosmológico no século XX.

    Curtido por 1 pessoa

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