“Turbulências” são fenômenos que ocorrem em fluidos…líquidos e gases…geralmente submetidos a movimentos completamente desordenados…conhecidos como ‘vórtices’. Nestes fluidos ou plasma sob a tensão de forças não-lineares…com um nº de graus de liberdade infinito a conotação ‘caótica’ da palavra turbulência se justifica plenamente.
![Simulação numérica mostra como se forma a turbulência durante a condensação de Bose-Einstein, induzindo forte cinética não equilibrada no superfluido.[Imagem: Physics Review Letters]](https://questcosmic.files.wordpress.com/2015/03/turbulencia-quantica.jpg)
Simulação numérica mostra como se forma a turbulência durante a condensação de Bose-Einstein, induzindo forte energia cinética não equilibrada no superfluido.[Physics Review Letters]
“Quando o fluido apresenta muitos vórtices em um movimento totalmente desordenado, caracteriza-se a…’turbulência’. – Trata-se de um fenômeno muito difícil de ser estudado, sendo atualmente…uma das principais fronteiras do conhecimento na física… Porém, ao contrário do que ocorre em um líquido comum, na turbulência quântica, associada a qualquer ‘superfluido’ – esses vórtices são muito bem comportados…os tornando assim, fundamentais para o estudo de fenômenos da turbulência…O ‘hélio líquido’ é um desses ‘superfluidos’ que escoam sem esforço … e onde a mecânica quântica predomina — mas a vantagem do ‘condensado de Bose-Einstein‘ é que vemos tais fenômenos diretamente”.
O condensado de Bose-Einstein
‘Hélio líquido’ era o único sistema quântico à disposição para a análise dos “fenômenos de turbulência“…nele porém…não é possível observar tais fenômenos – como podemos observar numa xícara de café, por exemplo. Mas…em 1995 surgiu um novo superfluido, o…“condensado de Bose-Einstein“. Tal estado da matéria foi previsto por Einstein, em 1925, a partir do trabalho de Satyendra Bose, com base na “mecânica quântica”…Só 70 anos mais tarde…Eric Cornell e Carl Wieman conseguiram produzir o “condensado”. De acordo com Bagnato: “Este condensado se transforma em um superfluido quando submetido a uma temperatura próxima do ‘zero absoluto‘. A questão era saber se nesse sistema também há possibilidade da existência do fenômeno de ‘turbulência’. A área de pesquisa desse fenômeno nos ‘superfluidos líquidos’ é muito ativa…Sabíamos que seria importante identificar outros superfluidos, para criar alternativas de pesquisa. É muito mais fácil produzir o…‘Bose-Einstein’…menos denso, com vórtices maiores, também sendo um ‘fluido quântico‘. Agora, podemos verificar que a turbulência ocorre também no condensado, onde observamos o fenômeno a olho nu… Poderemos assim, realizar testes que seriam impossíveis com o hélio líquido. Programamos um experimento para observar em detalhes fatos relevantes – como, por exemplo, o tempo que a turbulência gasta para sumir do fluido quântico, e quais as consequências”. (texto base, ago/2009) *********************************************************************************
Turbulência quântica em condensados Amostras de átomos nessas condições são bem conhecidas e estudadas, mas não se sabia qual o resultado da introdução de uma grande “desordem” nesse tipo de “sistema quântico”.
Perturbação introduzida em nuvem de átomos frios de rubídio produz fenômeno ondulatório similar ao da luz (imagem: Wikimedia)
Quando submetidos a condições específicas que caracterizam…”sistemas quânticos“…os átomos deixam de se comportar como partículas; então passando a manifestar seu ‘caráter ondulatório’. Nesse ‘estado da matéria’, aparecem efeitos que violam a intuição clássica, como barreiras antes intransponíveis sendo atravessadas por átomos.
E agora – um grupo de pesquisadores do ‘IFSC-USP’ captou aspectos ondulatórios preservados de uma nuvem confinada de átomos de rubídio, mesmo após perturbada – por vórtices gerados, e evoluir à condição de…”turbulência quântica”.
Os pesquisadores descrevem – em artigo publicado em outubro na revista “PNAS“, que…à medida que a nuvem se expande, surge um padrão granular característico da interferência de ondas, como a que ocorre quando a luz laser é projetada num anteparo…Na amostra de átomos resfriados de rubídio, o padrão apresenta a forma de manchas em três dimensões. O grupo da USP estuda um ‘condensado de Bose-Einstein’…superfluido formado por uma nuvem de centenas de milhares de átomos de rubídio presa em uma armadilha magnética.
Nesse sistema, os “efeitos quânticos” começam a aparecer quando ele é resfriado a temperaturas da ordem de 1 milionésimo de grau acima do chamado zero absoluto, zero Kelvin…ou 273,15 graus Celsius negativos… — Nessa condição…o conjunto de átomos perde toda viscosidade…e se torna superfluido, um dos estados da matéria. Os físicos então introduzem turbulência na nuvem, usando um “campo magnético” para induzir a formação de vórtices. A seguir, desligam a armadilha, e registram a expansão do condensado…Nesse momento de instabilidade, surge a…”granulação”.
A equipe de São Carlos foi uma das pioneiras em introduzir turbulência em condensados. Em parceria com colegas da Universidade de Florença /Itália, os pesquisadores paulistas mostraram…em 2009…que este condensado é mais simples para estudar turbulência em superfluidos do que hélio líquido, usado normalmente. O trabalho amplia possibilidades de estudo do comportamento desses padrões em “turbulência quântica”. (texto base) ***********************************************************************************
As primeiras luzes do ‘esqueleto cósmico’ (Nov, 2009) “A matéria não está distribuída uniformemente no universo. Ao longo de nossa vizinhança cósmica…estrelas se formam nas galáxias, e estas se encontram, normalmente, em grupos e aglomerados… As ‘teorias cosmológicas’ mais aceitas preveem também, que a matéria se aglutina em larga escala sob uma…‘teia cósmica‘…na qual, galáxias imersas em filamentos crescendo entre vazios, desenvolvem uma gigantesca estrutura.” (Masayuki Tanaka /ESO).
Embora acredite-se ser esta a 1ª imagem da teia cósmica, suas observações mostram a estrutura apenas à frente do quasar, não havendo, por enquanto, meios para demonstrar que ela se estende por todo o espaço. [A. Klypin/J. Primack/S. Cantalupo]
Embora astrônomos…muitas vezes…tenham observado espessas estruturas filamentosas à distâncias relativamente próximas, uma prova sólida de sua existência…no universo mais distante…ainda estava faltando… – até agora.
As galáxias localizadas na estrutura recém-descoberta são mostrados em vermelho. Galáxias que estão ou na frente ou atrás da estrutura estão representadas em azul. (ESO / Subaru / Observatório Astronômico Nacional do Japão / M. Tanaka)
Quando a equipe liderada por Tanaka descobriu, em imagens obtidas anteriormente… uma ampla estrutura ao redor de um remoto aglomerado de galáxias — eles utilizaram 2 grandes ‘telescópios terrestres’ para estudar essa estrutura em maior detalhe… – medindo distâncias…de mais de 150 galáxias; obtendo assim a visão 3D da estrutura.
Nesse trabalho de observações espectroscópicas, foram utilizados… – o instrumental ‘VIMOS’, no telescópio da ‘ESO’; e o ‘FOCAS’…no ‘Telescópio Subaru’ (“Observatório Astronômico do Japão”).
Os astrônomos então…puderam realizar – um verdadeiro “estudo demográfico” da estrutura, identificando vários grupos de galáxias à volta do ‘aglomerado principal‘…Eles conseguiram distinguir dezenas desses objetos, cada um 10 vezes (média) mais massivo que a ‘Via Láctea’.
Ao estimarem a massa total do aglomerado em, ao menos 10 mil vezes a massa da nossa galáxia, alguns dos filamentos sob a ação gravitacional do aglomerado…inevitavelmente acabariam sendo absorvidos por ele…O filamento fica a cerca de 6,7 bilhões de anos-luz de nós, e se alonga ao menos por 60 milhões de anos-luz. A estrutura, recém descoberta, provavelmente se estende para além do campo investigado… Futuras observações estão planejadas, para se obter uma medida definitiva de seu tamanho. – E…concluiu Tanaka:
“Esta é a 1ª vez que observamos uma estrutura tão rica e proeminente no universo longínquo…Podemos agora, passar da demografia à sociologia, e estudar como as propriedades das galáxias dependem de seu ambiente, quando o Universo tinha apenas 2/3 de sua idade atual”. (texto original) *********************************************************************
“Esqueletos da turbulência” ‘Embora a ‘turbulência’ seja um fenômeno que se caracteriza pela movimentação caótica das partículas de um fluido, há técnicas capazes de identificar estruturas coerentes em seu interior … permitindo assim uma previsão desses movimentos.’
Identificadas estruturas coerentes formando o esqueleto de fluxos turbulentos.[Chian/Rempel]
Lâminas de corrente
No 1º trabalho os cientistas estudaram o ‘campo magnético‘ relacionado às estruturas coerentes da turbulência verificada no plasma solar. De acordo com Chian…utilizando dados de instrumentos a bordo da… “missão Cluster“… o grupo determinou 2 estruturas coerentes, na forma denominada…‘lâminas de corrente’, a frente de uma uma nuvem magnética interplanetária. Segundo os pesquisadores: “a análise de dados das flutuações magnéticas comprovou que o vento solar exibe um bem acentuado comportamento de turbulência — do “tipo Kolmogorov” … nas vizinhanças dessas estruturas coerentes, similar à encontrada nas bordas da turbulência – de um plasma, em fusão termonuclear, na atmosfera solar…no meio interestelar…ou mesmo num túnel de vento; ou na copa da floresta amazônica…por exemplo. — Eventos extremos na natureza… tais como ciclones, tsunamis, precipitação de chuvas em regiões localizadas, manchas…e ejeções de massas solares estão intimamente relacionados às estruturas coerentes da…turbulência – assim podendo causar grande impacto…nos climas terrestre…e no ambiente solar…e espacial.”
A caracterização dinâmica da borda dianteira de uma nuvem magnética interplanetária é fundamental ao monitoramento e previsão do “clima espacial”, pois há indícios de que a tempestade magnética na Terra pode começar…pela chegada de uma nuvem magnética de uma erupção solar.
Dínamo cósmico
No 2º estudo — a equipe investigou as estruturas coerentes lagrangianas da turbulência astrofísica… com base na simulação numérica de um modelo não-linear de dínamo… — “Estruturas coerentes lagrangianas” são linhas, ou superfícies materiais que atuam como “barreiras de transporte” … na turbulência. – São determinadas pelo máximo expoente de Lyapunov de tempo finito – o qual fornece o valor médio da taxa de ‘máxima divergência’; ou, do “alongamento” entre as trajetórias das partículas…em um certo intervalo de tempo. Isso permite identificar as trajetórias do ‘campo de velocidade’ de um fluido…revelando o “esqueleto da turbulência”…que forma barreiras para o transporte das partículas. Os cruzamentos entre barreiras são os responsáveis pela mistura caótica dessas partículas.
Esse modelo de dínamo pode explicar, por exemplo, a origem e evolução dos ciclos solares, e o aparecimento de períodos prolongados de atividades calmas do Sol — conhecidos como os ‘Grandes Mínimos’. Essa nova técnica não-linear permite a visualização mais acurada da dinâmica…e estrutura complexa dos fluidos… que não seria possível com as técnicas tradicionais.
Coerência no CAOS “A ideia do Caos Cósmico pretende postular que as condições iniciais do Universo devem ser consideradas totalmente arbitrárias…devido à existência de um estágio altamente anisotrópico pelo qual o Universo teria passado…antes da fase atual de Friedmann. Estas anisotropias, teriam se dissipado como consequência inevitável de processos viscosos – graças a neutrinos (Misner)…ou a processos quânticos de criação de matéria por curvatura de campo gravitacional (Zeldovich). – Qualquer configuração inicial, resultaria numa fase semelhante à que vivemos”. M. Novello
O estudo das ‘estruturas coerentes lagrangianas‘, segundo os autores, tem aplicações em diversas áreas, como a previsão do movimento dos poluentes – na atmosfera e no mar; a migração dos fitoplânctons no oceano…o fluxo aperiódico em furacões; a interação entre o fluido e a estrutura de válvulas cardíacas…o “plasma termonuclear”…em confinamento magnético, etc… Usando as imagens da turbulência de plasma simuladas para modelar a geração do campo magnético nas camadas convectivas do Sol… e de outras estrelas — foi comprovado pelo estudo que estruturas coerentes lagrangianas são capazes de distinguir nitidamente, detalhes da complexa distribuição espacial de barreiras de transporte entre 2 regimes diferentes do “dínamo“…Essas estruturas coerentes marcam algumas direções preferenciais das partículas de fluidos em movimento…Quando um poluente é arrastado pelos vórtices e correntes do oceano…por exemplo, identificação de estruturas coerentes permitem detetar linhas de atração que podem prever para onde o fluido irá se mover. O mesmo fenômeno também aconteceria – com cinzas expelidas na atmosfera por vulcões.
Rempel coordenou o projeto “Simulação numérica, e análise de transição para turbulência em plasmas espaciais” – uma abordagem baseada em “sistemas dinâmicos”. – Segundo suas palavras…”Na camada convectiva do Sol…região intensamente turbulenta, as partículas se movimentam como se aprisionadas em vórtices. As estruturas coerentes lagrangianas, definem as fronteiras desses vórtices…delimitando regiões do fluido onde partículas não se misturam.”
Os resultados foram obtidos numa simulação ainda bastante simplificada da camada convectiva do Sol.
“No enfoque astrofísico…nosso objetivo era saber qual o impacto do campo magnético sobre movimentos turbulentos do plasma de uma estrela. Ao estudarmos estruturas coerentes, vemos que algumas partículas podem se cruzar…indo para outras regiões do fluido. No caso da estrela observamos que, quanto mais forte o “campo magnético”, menos cruzamentos…e assim, a turbulência diminuía”. (texto 1) (texto 2) (julho/2011) ********************************************************************************
Sincronizando o CAOS (julho/2010) ‘A demonstração da dualidade da sincronização de amplitude/fase das flutuações é um avanço significativo…que pode ser aplicado a muitos problemas de sistemas complexos como – por exemplo – o funcionamento do coração…ou flutuações da bolsa de valores’.
Estudos sobre fisiologia respiratória…manchas solares, meteorologia…e outras áreas tão diversas…poderão se beneficiar de uma pesquisa — recentemente publicada no “Physical Review Letters“… O trabalho foi realizado por cientistas do Inpe (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais)…e, do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)…em cooperação com universidades de Kyoto…e, Hokkaido…Por simulações numéricas computacionais, o grupo analisou o fenômeno chamado “intermitência espaço-temporal“… – encontrado em fluidos, plasmas, óptica, reações químicas…biomédicas…e vários outros.
A comprovação da “dualidade” na sincronização de amplitude/fase feita pelo grupo pode ser aplicada em ciclos solares, variabilidades climáticas, plasmas de ‘fusão termonuclear controlada’ – ritmos cardíacos e respiratórios, sinais sísmicos, e ‘frentes de ionização’ no universo, entre outros exemplos. A ‘intermitência’ se caracteriza por uma série temporal que exibe…”períodos laminares“… que – por sua vez… são intercalados por surtos de flutuações de grandes amplitudes…Já na intermitência espaço-temporal, o sistema apresenta no tempo, e também no espaço, um ‘comportamento caótico’. O grupo foi liderado pelo pesquisador do INPE…Abraham Chian – e investigou o ‘mecanismo físico’ da intermitência tipo on/off, na transição do ‘caos temporal’ ao ‘caos espaço-temporal’, com base na simulação numérica de um ‘modelo não-linear de ondas longas‘…Tal modelo matemático pode ser utilizado, para descrever fenômenos…como a evolução de “ondas de deriva” em plasma… – ou até mesmo, de um “tsunami”… – em pleno oceano.
A metodologia desenvolvida durante o trabalho poderá ser aplicada na resolução de uma grande variedade de problemas…em sistemas físicos, biológicos, químicos e tecnológicos. Problemas no ritmo cardíaco e crises nas bolsas de valores são exemplos de instabilidade nesses sistemas. – Quando essa instabilidade evolui para um “sistema não linear”… o ‘fenômeno caótico‘ aparece…A pesquisa focou nesse ‘ponto de transição‘… entre os períodos de ‘fluxo laminar‘, e o ‘turbulento‘… O fato desse estudo também poder ser aplicado na análise de imagens… – implica que poderá auxiliar no estudos de manchas solares. Chamadas ‘regiões solares ativas’, essas manchas têm um ‘comportamento turbulento‘…enquanto que as regiões à sua volta, apresentam comportamento ‘laminar‘.
Entender a transição de sistemas laminares para sistemas turbulentos pode ajudar também nas investigações sobre o clima…na formação de fenômenos meteorológicos…do tipo furacões e tornados (por exemplo).
A investigação atual está relacionada — a outro trabalho… publicado anteriormente, também na “Physical Review Letters“. Na época, o grupo de Chian definiu uma nova estrutura chamada de “selas caóticas“, que ajudam a prever o “comportamento de sistemas caóticos“, ao controlar caos e turbulência nesses sistemas, pela estabilidade estrutural numa direção — e instabilidade em suas direções transversais. (texto base) *******************************************************************************
100 milhões de anos-luz de estruturas do universo primordial simulado computacionalmente em larga escala, mostrando movimentos coerentes resultantes de galáxias fluindo em direção ao centro de massa (ESO)
O Caótico surgimento do Universo
Segundo um novo estudo o caos em nosso universo teria começado, um infinitésimo de segundo após o ‘Big Bang’… – E teria durado um tempo ainda mais curto. Durante este período o universo se expandiu, e essa expansão provavelmente também foi caótica.
A ideia do ‘caos‘ é para ser realmente assustadora. Estudos anteriores já haviam sugerido que o caos havia reinado no universo durante seus primeiros momentos…mas essa nova pesquisa mostra o que cientistas chamam no caso, de ‘argumento férreo’.
Estudos anteriores, obtiveram resultados diversos, sendo isso sugerido porque variados observadores tendem a perceber o tempo…de formas diferentes. Contudo…os novos cálculos demonstram que…no caso em questão… essa propriedade universal não depende das coordenadas relativas ao observador.
Eles se basearam na aplicação dos cálculos… para “modelos cosmológicos“ mais recentes do universo. Se estes se provarem imprecisos… então o universo pode não ter nascido no caos. A principal vantagem da pesquisa… é a possibilidade de uma definição universal do caos independente do observador. (problema há tempos s/solução) texto base (out/2010) ***********************************************************************************
Modelando a ordem no Caos (junho/2011) Na natureza – enxames de vagalumes…enviam sinais luminosos uns para os outros. Inicialmente, isso é feito de uma forma autônoma, individual e independente. Porém, sob determinadas circunstâncias…pode dar origem ao fenômeno de natureza coletiva chamado “sincronização“… – Como resultado… milhares de vagalumes piscam em uníssono de modo ritmado … emitindo sinais luminosos em sincronia com os demais.
Há pouco mais de 20 anos descobriu-se que a ‘sincronização’ também ocorre em ‘sistemas caóticos’… sistemas complexos de comportamento imprevisível – nas mais variadas áreas, como economia, clima ou agricultura. Outra descoberta mais atual foi que a sincronização resiste a atrasos na propagação de sinais emitidos. – Nessas situações… sob determinadas circunstâncias, a sincronização emerge em sua forma isócrona – i.é, com atraso zero. Isso significa que, equipamentos como ‘osciladores‘ estão perfeitamente sincronizados no tempo, mesmo recebendo sinais atrasados dos demais… – Entretanto… ‘modelos teóricos’ criados para explicar o fenômeno, não levaram esse fato em consideração, até o momento.
Nesse sentido…uma nova pesquisa realizada por cientistas do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)…e do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) resultou em um modelo teórico para demonstrar como a sincronização ocorre quando há atraso na emissão e recebimento de informação entre osciladores caóticos. Durante o estudo, buscou-se explicar a sincronização — quando há atraso no recebimento da informação entre os osciladores, para determinar as condições sob as quais o fenômeno ocorre em sistemas reais. Segundo o engenheiro de sistemas José Mario Grzybowski… “Usando a ‘teoria da estabilidade de Lyapunov’ na análise da estabilidade em sistemas dinâmicos, firmamos critérios que, a partir de parâmetros como tempo de atraso no recebimento das informações entre os osciladores, permitem determinar se os osciladores entrarão em estado de sincronização isócrona. Foi a 1ª demonstração de forma totalmente analítica da estabilidade da “sincronização isócrona” (…não há similares na literatura).
![Visão artística das diversas sondas espaciais que formarão o telescópio espacial Terrestrial Planet Finder[Imagem: T.Herbst(MPIA)/NASA]](https://questcosmic.files.wordpress.com/2015/03/sondas-espaciais.jpg)
Visão artística das diversas sondas espaciais que formarão o telescópio espacial ‘Terrestrial Planet Finder’ [Imagem: T.Herbst(MPIA)/NASA]
“Nesse caso…o referencial pode ser estabelecido por meio de um fenômeno que emerge naturalmente – desde que sejam proporcionadas as condições necessárias, diminuindo…ou até dispensando…a utilização de algoritmos”.
Nessa pesquisa foi analisada a sincronização com um atraso de tempo na transmissão da informação entre 2 osciladores. – Mas, no trabalho atual que desenvolvem Elbert Macau, pesquisador do INPE, e co-autor do estudo…e Takashi Yoneyama, engenheiro eletrônico do ITA, os resultados serão expandidos para uma rede de osciladores de modo a ampliar a escala do problema, e de sua solução. Dessa forma, segundo eles será possível modelar fenômenos baseados na sincronização isócrona em escala de rede…e abarcar fenômenos naturais que exibam nível de complexidade bem superior… Assim, concluiu Grzybowski:
“Em princípio qualquer fenômeno real com base na sincronização isócrona poderá ser tratado por esses elementos teóricos, para servir em projetos de redes tecnológicas…ou para compreender comportamentos emergentes em redes naturais, mesmo onde não podemos influir diretamente”. (texto base) ***********************************************************************
Campos eletromagnéticos auto-organizados (Out/2012) “Experimentos feitos com plasma…gerado por laser…podem estudar a microfísica da interação de plasma…bem como a formação de estruturas em condições controladas”.
Um dos mistérios da ciência moderna, é entender como estruturas altamente ordenadas se formam em meios turbulentos, com partículas se movendo aleatoriamente. Exemplos de ordem emergindo do Caos podem ser encontrados, tanto em objetos astrofísicos, que se estendem por milhões de anos-luz…quanto na origem da vida na Terra. – Para o caso astrofísico, foi feito um experimento tentando explicar como “campos eletromagnéticos” ajudam a organizar o plasma em estrelas jovens. Como resultado, foi criado um modelo de “fluxos opostos”, em que estes campos magnéticos – depois de determinado período, acabam por dar forma ao jato de plasma, criando estruturas complexas no gás ionizado.
Os “jatos de plasma” se movendo rapidamente… a princípio, deveriam passar uns pelos outros livremente; a observação de estruturas organizadas foi surpreendente. – Temos assim uma nova ferramenta para explorar como a ‘ordem emerge do caos’. (texto base) *********************************************************************************
A 2-dimensional vision of the solar wind turbulence at the smallest scale seen yet, thanks to observations by Cluster satellites (NASA)
Turbulência no espaço (1ºs resultados)
A turbulência pode ser estudada na Terra facilmente, mapeando coisas tais como, a densidade… e, a velocidade de fluidos em um tanque. No espaço, entretanto… onde a ocorrência de ‘turbulência’… seria de se esperar, em situações como vento solar… e discos de acreção em torno de “buracos negros”… não é tão fácil medir fluidos no tempo e espaço… Tentando resolver esse problema…um conjunto de 4 satélites de observação de plasma chamado ‘Cluster’, forneceu, enfim…um primeiro resultado.
O fluido em questão é o vento de partículas que fluem em direção a Terra…vindas do Sol, enquanto o local é onde o vento solar é perturbado ao passar pela magnetosfera da Terra. Conforme as observações, as ondas no plasma acima do arco de choque, empurradas pra lá e pra cá por complexos campos magnéticos, se comportam de maneira muito parecida com o chamado… ‘Modelo Kolgomorov’ – principal teoria sobre a turbulência de fluidos.
A ‘função Kolmogorov‘ quantifica precisamente o melhor ajuste de um modelo individual – em função dos dados individuais disponíveis. ******************************************************************
A “Complexidade Kolmogorov” é uma teoria da informação e aleatoriedade que trata da quantidade de informação de “objetos individuais”…medida através do tamanho de sua menor descrição ‘algorítmica‘… Definida como uma “teoria algorítmica da informação”, representa uma noção moderna de aleatoriedade, em relação a um conceito pontual, ao invés de uma aleatoriedade média…como o faz a teoria das probabilidades…É estimada um consistente ramo derivado da “teoria da informação” de Claude Shannon; na qual o mecanismo usado para definir seus ‘objetos‘ (“algoritmos”)…é a “Máquina de Turing“. Em 1973…Kolmogorov propôs uma ‘abordagem não-probabilística’ – por estatísticas e modelagem… “Deixe cada informação ser uma ‘sequência binária finita’ … considere classes de modelos — consistindo cada um em conjuntos finitos de sequências binárias de uma dada complexidade máxima”. A ‘função de estrutura de Kolgomorov‘ para uma sequência de dados discretos … dá a relação entre a restrição do nível de complexidade numa classe de modelos – e a menor cardinalidade algorítmica…numa classe de dados.
Assim, a ‘função estrutural’ determina todas as propriedades estocásticas da sequência individual, para cada classe reduzida de modelo, exibindo seu melhor ajuste individual, independente se o…“verdadeiro modelo“…está na classe de modelo considerada. Mais conhecida por ‘Kolmogorov complexity‘, é utilizada na ‘teoria algorítmica‘ ao descrever a estrutura de uma ‘sequência de caracteres’ – em modelos de complexidade crescente. *********************************************************************************
Turbulência no espaço-tempo (jun/2014) “Teorias atuais da física estabelecem que o espaço-tempo pode ser curvado – por grandes massas, dando origem à gravidade…Mas, o próprio espaçotempo reage sempre de forma suave e tranquila (nunca turbulento)…gerando uma gravidade também tranquila e previsível. Um novo estudo porém, discorda dessas teorias.”
Ondas gravitacionais poderão validar a ideia dos “redemoinhos de gravidade”.
Luis Lehner… e seus colegas do Instituto Perimeter, EUA… explicam que a chave de tudo está em tratar a gravidade como um fluido… Como assim diz Lehner:
“Há em física…a conjectura holográfica, que diz que gravidade pode ser descrita…como uma teoria de campo. E também sabemos que, em ‘altas energias’, “teorias de campo” são consideradas as ferramentas matemáticas para descrever fluidos… – Portanto… é uma “dança de 2 passos”… gravidade é igual a teoria de campos, e esta é igual a fluidos…assim, gravidade equivale a fluidos (dualidade gravidade/fluidos).
Como um dos comportamentos característicos dos fluidos é a…‘turbulência’, se a gravidade pode se comportar como um…fluido – então… sob certas condições, ela
vai espiralar, e gerar “redemoinhos”…Como disse Lehner…“Ou há algum problema
com a ‘dualidade’, e gravidade não pode ser totalmente capturada na descrição dos
fluidos, ou…há um fenômeno novo…e a ‘gravidade turbulenta’ de fato pode existir”.
A teoria gravidade/fluidos vem sendo desenvolvida ao longo dos últimos 6 anos, mas, até agora, ninguém havia encarado de frente o problema da turbulência na gravidade. Ou seja, o que realmente importa saber é… se a gravidade pode se tornar turbulenta, não em teóricas considerações matemáticas, mas sim em uma situação real…Para tentar verificar essa possibilidade… a equipe decidiu estudar ‘quasares‘…que giram muito rapidamente. Mais especificamente, eles simularam suas perturbações não-lineares. Conforme Lehner:
“Sistemas gravitacionais raramente são analisados neste nível de detalhamento, porque as equações são muito complexas. Mas, mesmo sabendo que turbulência é… basicamente … ‘não-linear’… — a equipe encarou o problema de frente.”
![As simulações mostram que o espaço-tempo fica turbulento, e a gravidade passa a se comportar como um fluido. [Imagem: Yang/Zimmerman/Lehner]](https://questcosmic.files.wordpress.com/2015/03/disturbios-espaco-tempo.jpg)
As simulações mostram que o espaço-tempo fica turbulento, e a gravidade passa a se comportar como um fluido.
O resultado foi surpreendente…o espaçotempopode, de fato, se tornar turbulento nas condições extremas de uma dupla de buracos negros orbitando – um em torno do outro. — Nas palavras do físico Huan Yang: “Nunca acreditei em…’comportamentos turbulentos’ na ‘Relatividade Geral’ – por boas razões… ninguém jamais havia visto em simulações, algo tão poderoso como buracos negros binários…E a razão para que o fenômeno ‘escapasse’ dos teóricos…foi que a análise necessária para vê-lo, requer ‘ordem não-linear’… e, poucos têm motivação suficiente … para tal estudo”.
Este é um ‘trabalho teórico’… mas que pode não ficar assim por muito tempo. Vários detetores de última geração estão para começar a busca das ondas gravitacionais no ‘fluido gravitacional‘ do espaçotempo através de ‘supereventos‘, como a colisão de 2 buracos negros…Se a gravidade se tornar turbulenta, então essas ondulações podem ser um pouco diferentes…do que os “modelos clássicos“ sugerem… – Conhecer essas diferenças pode tornar mais fácil detetar — ou interpretar o que está sendo visto nos dados – as ondas gravitacionais… Assim, se estas forem finalmente detetadas…e, chegarem um pouco diferente do que os modelos normais do espaçotempo preveem, então isto poderá ser uma evidência da turbulência gravitacional. E se quiserem enfrentar o risco da ‘modelagem não-linear‘, talvez essa possibilidade de deteção dê à equipe motivação suficiente, para tentar descrever como seria em uma situação real o espalhamento de um redemoinho de gravidade pelo espaçotempo. (texto base) *******************************************************************************
Matemáticos provam lei universal da…“turbulência” Ao explorar a ‘aleatoriedade‘…3 matemáticos provaram uma lei que subjaz ao movimento caótico de sistemas turbulentos.
Imagine um rio calmo…Agora imagine uma enxurrada… — Qual é a diferença entre os 2? Para matemáticos e físicos, é o seguinte – o calmo rio flui em uma direção, enquanto a enxurrada flui em várias diferentes direções – ao mesmo tempo. — Esse tipo de sistemas físicos, com esse tipo de… ‘comportamento aleatório‘ é de praxe ser considerado como um… — “sistema turbulento“.
O fato de seu movimento se desdobrar em tantas vertentes diferentes ao mesmo tempo, os torna difíceis de estudar matematicamente. — Provavelmente, gerações de matemáticos se sucederão, antes de ser possível uma descrição exata…em parâmetros matemáticos, de um ”rio turbulento”. Todavia, na “contramão” desse paradigma, um novo estudo constata que, embora certos sistemas turbulentos pareçam fora de controle — a verdade é que eles estão em conformidade com uma simples lei universal. – E isso, é o que afirma Vladimir Sverak, matemático da ‘Universidade de Minnesota’, EUA, e especialista no estudo da turbulência:
A pesquisa agora apresentada…a partir de um conjunto de métodos – com todo rigor matemático…é uma das mais promissoras abordagens, que veio mudar o modo de se tratar o fenômeno da turbulência, fornecendo (segundo a movimentação de líquidos) um modo de descrever ”padrões”, que se tornam evidentes, nas rápidas variações de temperatura entre pontos próximos…e na maneira frenética e estilizada pela qual as tintas preta e branca se misturam. – Em 1959, o matemático George Batchelor havia previsto que esses padrões seguiam uma ordem exata e normalizada… E agora, esse novo experimento valida a previsão da…“lei de Batchelor“…nome como foi batizada.
Jacob Bedrossian, junto com Alex Blumenthal…matemático da “Maryland University”, co-autor do estudo com Samuel Punshon-Smith, sobre isso comentou: “Vemos a lei de Batchelor em todo lugar… – Ao prová-la… entendemos melhor o quão universal ela é.”
Turbulência…por todo caminho
Embora…”águas claras de um rio agitado” não sejam o tipo exato de turbulência em questão nessa experiência…o exemplo se relaciona intimamente, e nos parece bem familiar. Sendo assim, vale a pena pensar nele por um momento…antes de recorrer ao tipo específico de turbulência…que foi agora analisado — neste presente estudo.
Desse modo, imagine uma pia de cozinha cheia de água. Abra a tampa. A água na pia começará a girar, escorrendo quase como um único corpo. Se você ampliasse o zoom no fluido…e medisse sua velocidade em escalas menores – continuaria observando a mesma coisa – cada porção microscópica do fluido se movendo em sincronia com as outras. Como disse Blumenthal: “O movimento se faz sobretudo no limite escalar da própria pia”… — Agora imagine que…enquanto escorre a água, você abriu a torneira, adicionando jatos de água à corrente na pia…Assim, podemos então observar vários diferentes vórtices girando na pia; escolha um deles, e aumente o zoom. Analisando matematicamente o…‘fluxo turbulento‘…seria conveniente que cada gotícula d’água neste vórtice escolhido se movesse na mesma direção; isto facilitaria bastante nossa tarefa. Mas infelizmente descobriríamos que o próprio vórtice é composto de vários vórtices diferentes, cada um seguindo seu próprio caminho… E, se aumentássemos o ‘zoom’ em um deles… – veríamos que este também é formado por muitos vórtices diferentes… – E será assim durante todo o escoamento…até que os efeitos do atrito interno (‘viscosidade’) no fluido assuma o controle, e o fluxo então se…”harmonize”.
É uma marca registrada de sistemas turbulentos — apresentarem comportamentos distintos agregados entre si em diferentes escalas. Para descrever completamente o movimento de um sistema turbulento — se faz necessária uma imagem do que está acontecendo em todas essas escalas, a cada momento; sem ignorar nenhum desses micro-movimentos. E Jean-Luc Thiffeault, da Universidade de Wisconsin explicou:
“Essa é uma tarefa tão difícil, quanto simular a trajetória de algumas bolas de bilhar; empregando, desde o movimento da Terra através da galáxia, até as interações entre moléculas de ar ao redor das bolas. Com efeito, é preciso aceitar todas as referências ao mesmo tempo, o que torna modelar a simulação uma tarefa incrivelmente difícil”.
Como resultado, os matemáticos passaram décadas, sem sucesso, tentando criar uma descrição que especificasse exatamente o que está acontecendo…a todo momento, em todos pontos de um sistema em turbulência. Como disse Thiffeault… “A turbulência é muito complicada para que possamos encontrar resultados diretamente, e nesse caso, a verdade que vale para águas correntes de rios — e para um fluido escorrendo na pia, também é válida para a variante específica de turbulência … nessa nossa experiência”.
Sabe-se que mistura de líquidos, e outros sistemas de turbulência observados seguem uma “lei universal (de Batchelor)” – agora matematicamente provada.
Misturando as tintas
A pia e o rio são exemplos de turbulência hidrodinâmica – se considerarmos que a velocidade do fluido… — assim como sua direção…variam muito de ponto a ponto.
Este novo trabalho trata de outras propriedades, além da velocidade, que somos capazes de detectar em cada singular ponto, de um fluido.
Para entender o que isso significa, pense numa mistura de tintas. – Comece com um balde de tinta branca. Agora adicione gotas de tinta preta, uma por segundo, mexendo a mistura na mesma direção. A primeira gota cairá na tinta branca — se sobressaindo pelo contraste, antes de se misturar à tinta branca, esticando-se em nervuras cada vez mais finas. – Gotas subsequentes de tinta preta, em diferentes estágios, farão parte da mesma transformação: alongando, até serem incorporadas ao tom acinzentado da tinta. – Da mesma forma que a velocidade varia de ponto a ponto no escoamento da pia… – a concentração de tinta preta varia de ponto a ponto dentro da tinta misturada…mais concentrada em alguns lugares, e menos em outros. — Essa variação é o exemplo de uma “turbulência escalar inercial“.
Podemos pensar nisto como o que acontece ao misturarmos um fluido, considerado o “escalar inercial”, em outro: café com leite, por exemplo, ou tinta preta em branca. A “turbulência escalar passiva” (ou inercial) também caracteriza muitos fenômenos no mundo natural…tais como as dramáticas variações de temperatura entre pontos próximos…no oceano. – Nesse ambiente… as correntes oceânicas…“misturam”…as temperaturas…da mesma forma que uma agitação mistura as tintas preta e branca.
A ideia original de Batchelor “Em uma determinada porção de fluido – podemos ver contrastes de escala – porque algumas gotículas mal começaram a se misturar – enquanto outras já se misturam há tempos. A lei da Batchelor nos diz da distribuição de tamanhos dessas faixas de tinta”.
A “Lei de Batchelor” é uma previsão sobre a proporção de fenômenos em larga escala…à mesma temperatura, em relação a fenômenos em escalas menores, quando um fluido é misturado a outro. – Sendo tais fenômenos observados há anos, tal proporção regular é considerada “lei”…Punshon-Smith, matemático da Brown University, comentou:
“Do ponto de vista físico, essa relação agora é boa o suficiente para a chamarmos de lei – porém, antes desse resultado, não havia a confirmação matemática…de sua absoluta validade”.
Para se ter uma ideia do que George Batchelor tinha em mente… — imaginemos … por um intervalo de tempo… – executar regularmente o processo de adicionar gotas de tinta preta, enquanto misturamos as tintas. Congelando a imagem, veremos largos filamentos de tinta preta (mexida por pouco tempo), junto a filamentos mais finos (durante um tempo maior). A “lei de Batchelor” prevê que a quantidade de filamentos, largos ou finos, se ajusta a uma proporção exata – semelhante à uma mesma figura…obedecendo escalas de comprimento. Sendo que, essa proporção será mantida…mesmo ao ampliarmos uma pequena porção do fluido. Nesse caso, veremos a mesmíssima relação…entre porções de tamanhos diferentes; no balde, ou em uma gotícula de tinta… Assim como ocorre na turbulência hidrodinâmica, onde cada vórtice contém outros vórtices… – o padrão é o mesmo… – em todas as escalas.
É uma importante previsão, também muito difícil de ser modelada matematicamente…O complicado ajuste de fenômenos em diferentes escalas de comprimento torna impossível descrever exatamente o surgimento da lei de Batchelor em um único fluxo do fluido. Mas os autores descobriram como contornar essa dificuldade — e provar a lei… mesmo assim.
Uma abordagem aleatória…para provar a “lei de Batchelor” “O bom da ‘aleatoriedade’ é que com ela se pode fazer várias coisas – como calcular a média… – o que é uma…boa ideia – para quem não se importa muitos com detalhes”.
Os 3 matemáticos … Bedrossian, Blumenthal, e Punshon-Smith — autores do estudo, adotaram uma abordagem que leva em conta o comportamento médio de turbulência dos fluidos… ao longo de todo o sistema… Este método funciona … porque em certas ocasiões a aleatoriedade facilita prever com precisão o comportamento dos sistemas, ao assumir que … a cada opção – há iguais possibilidades de se ter a resposta correta. Dessa maneira, obter as probabilidades das variáveis do sistema – permite melhores previsões em relação ao seu ‘comportamento‘ como um todo. E Thiffeault comentou:
“Mas então — qual o significado disso tudo para a turbulência… e a mistura de tintas?”
Como, nesse caso, afirmações determinísticas exatas estão fora do alcance da matemática, é mais útil imaginar que as forças que atuam na tinta…ocorram aleatoriamente…algumas vezes mexendo de uma maneira…outras vezes mexendo de outra maneira — sem padrões subjacentes à mexida. – Esse procedimento é conhecido como uma ‘abordagem aleatória’, ou estocástica…Ele permite aos matemáticos adotarem uma visão estatística de alto nível, examinando o que acontece nesses sistemas no geral; sem se perder nos detalhes…Como disse Punshon-Smith: “Alguma aleatoriedade permite eliminar algumas dificuldades”. E, foi justamente isso… – que afinal permitiu aos matemáticos – provar a “lei de Batchelor”.
Uma maneira de provar uma lei física…é pensar nas circunstâncias que a anulariam. – Se podermos provar que tais circunstâncias nunca acontecem…em contrapartida, provamos que ela sempre se aplica. Nesse caso, a equipe percebeu que a agitação do fluido teria que produzir efeitos muito específicos, para evitar as restrições impostas pela lei de Batchelor.
A forma como a tinta preta se mistura na branca nessa simulação, demonstra uma “passive scalar turbulence”. A “lei de Batchelor” descreve o comportamento desse sistema turbulento. [Qizheng Yan and David Saintillan (UCSD)]
A comprovação da lei de Batchelor foi feita em 4 artigos — publicados on-line — entre setembro de 2018… e… novembro de 2019. Os 3 primeiros visavam…compreender… e, prevenir movimentos…ao misturar a tinta, prejudiciais à previsão de Batchelor. E eles demonstraram que mesmo planejando um fluido perfeito para transgredir a lei; ainda assim o padrão emergiria… Como explicou Bedrossian…“o importante é entender que o fluido não conspira contra você”. Se, por acaso o processo de mistura produzisse na tinta vórtices perenes…ou redemoinhos, a lei falharia — pois o recipiente acumularia tinta preta em algum lugar…prejudicando a mistura da tinta. Assim ele concluiu que:
“Num vórtice como esse, as trajetórias das partículas não são caóticas; elas não se separam rapidamente, pois caminham juntas. Se o sistema não fizer a mistura na velocidade certa…a lei da Batchelor não poderá ser aplicada”.
Em seu 1º artigo, os matemáticos focaram no que acontece durante o procedimento de mistura entre dois pontos de tinta preta – que iniciam o processo um ao lado do outro. Eles provaram que os pontos seguem rumos caóticos; tomando suas próprias direções. Nesse sentido, podemos concluir que tais pontos vizinhos…nunca irão ficar presos em um vórtice, que os manteria sempre aproximados. — Sendo assim … para Blumenthal:
“As partículas se movem juntas inicialmente, mas eventualmente elas se separam — e seguem direções completamente diferentes”.
No 2º e 3º artigos, eles analisaram mais amplamente o processo da mistura, provando então, que em um fluido caótico, geralmente as tintas preta e branca se mistura o mais rápido possível. — Por isso…o fluido turbulento não forma imperfeições locais (do tipo vórtices) — os quais impediriam que o “modelo global”, descrito pela “lei de Batchelor” fosse verdadeiro. — Nesses 3 primeiros trabalhos os autores idealizaram a matemática necessária para provar que a tinta se mistura de maneira caótica e completa…Já no 4º, provaram que a lei de Batchelor advém de um fluido com tais propriedades de “fusão”.
Essa prova é uma das mais rigorosas demonstrações matemáticas já realizadas sobre “sistemas turbulentos”…Talvez sua mais importante contribuição, seja a abertura de possíveis caminhos para novos fluxos teóricos de ideias. Sendo a turbulência, em seu movimento quase aleatório, um ‘fenômeno caótico’…os cientistas descobriram como combater aleatoriedade com aleatoriedade…Outros colegas que se interessarem pelo assunto … quase certamente seguirão pelo mesmo caminho. — E Thiffeault concluiu:
“A grande contribuição deles foi fornecer uma estrutura pela qual agora podemos provar coisas…Acho que a ‘aleatoriedade’ é uma das poucas maneiras de criar um modelo de turbulência, matematicamente compreensível”. (texto base) Fev/2020 ***************************************************************************
O Universo é mais homogêneo do que se esperava (ago/2020) “O Universo parece ser menos grumoso do que a nossa melhor teoria do Universo no momento sugere. – Isso significaria que há mais coisas para se compreender lá fora.”
Um zoom em uma parte do mapa de densidade do projeto KiDS, mostrando um trecho do Universo com aproximadamente 1,5 x 1 bilhão de anos-luz de diâmetro. O quadrado cinza mostra o tamanho de uma imagem individual do KiDS, com a lua cheia servindo como escala. [B.Giblin/K.Kuijken/KiDS team]
Após o Big Bang, há presumidos 13,8 bilhões de anos, nosso Universo passou por um período de inflação e expansão, deixando para trás um calor remanescente que ainda hoje podemos observar (o fundo cósmico de micro-ondas)…nos mostrando a matéria dispersa por todo o Universo. — No entanto, nos últimos anos… vários estudos sobre matéria escura começaram a mostrar uma discrepância entre esse ‘fundo cósmico de micro-ondas‘ e a distribuição da matéria escura, que compõe cerca de 85% da massa do universo. Os resultados do KiDS encontraram mais evidências dessa discrepância.
Embora outros trabalhos também tenham realizado varreduras similares, este agora merece destaque por seu nível de precisão…Se os resultados estiverem corretos, eles podem ter amplas implicações… – Um Universo mais homogêneo poderia significar, por exemplo, que a gravidade em largas escalas é diferente da que se acredita, com a taxa na qual a matéria cai em regiões densas do Universo…como previsto pela teoria da “relatividade geral” de Einstein…sendo mais lenta do que o previsto. Ou também, pode ser que o nosso entendimento inicial da…”energia escura”…pensada para ser o impulsionador da ‘expansão acelerada’ do Universo – esteja longe de ser totalmente satisfatório. E assim…Elisabeth Krause, da Universidade do Arizona, EUA, concluiu:
“Por esse tipo de discrepância não ser esperado em nosso modelo físico do Universo, ainda não ficou definido se há alguma explicação nos efeitos sistemáticos que temos que modelar – ou, se realmente … essa é uma nova física fundamental”. (texto base) ***************************(texto complementar)******************************
“Armadilha para pegar fantasmas” (ago/2015) Mecanismo proposto por pesquisadores brasileiros (USP) pode explicar a origem dos — “neutrinos de alta energia”.
2 astrofísicos da “USP” propuseram um mecanismo para explicar onde, e como surgem as… “partículas de alta energia“ – que…regularmente – vêm sendo identificadas…no observatório “IceCube“; imerso no manto de gelo da Antártida. — Composto por 5.160 detetores, que formam um cubo de 1 Km de lado, o aparato todos os anos, registra milhares de… “neutrinos”.
Desde que começou a funcionar, em 2010, o IceCube já coletou informações de uma montanha de neutrinos. De todos, 54 foram considerados especiais. Eram partículas provavelmente de fora da galáxia — com nível de energia muito alto – milhões de vezes superior…ao dos neutrinos emitidos pelo Sol.
Astrofísicos imaginam que somente fenômenos de…proporções cataclísmicas – como a morte explosiva de uma estrela de massa elevada, ou um buraco negro supermassivo se alimentando – são capazes de produzir partículas com níveis tão altos de energia. Até o momento…todavia – não se havia encontrado um mecanismo capaz de gerar neutrinos, como esses que chegaram à Terra. Elisabete Gouveia Dal Pino…professora do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG/USP) e seu aluno de doutorado Behrouz Khiali podem ter identificado um ‘fenômeno‘, que deu origem a tais neutrinos. Para eles, essas partículas fugidias … que já foram chamadas de “partículas fantasmas”, por interagirem raramente com a…matéria – poderiam surgir como subproduto de um mecanismo físico chamado “reconexão magnética”, onde linhas de campos magnéticos, com sentido contrário, ao se encontrarem, aniquilam-se…liberando energia magnética, responsável por acelerar partículas eletricamente carregadas, que estejam por perto. É o que acontece no Sol – quando linhas magnéticas geradas pelo gás aquecido da ‘coroa solar‘ aproximam-se e se anulam…liberando a energia que impulsiona as partículas do vento solar – produzindo gigantescas alças…ou loops, vistos por telescópios terrestres.
Para Elisabete e Khiali, este mesmo fenômeno…ocorreria na vizinhança de “buracos negros” supermassivos. Afinal… – esses poderosos “objetos cósmicos” – com efeito…reuniriam todas ‘condições necessárias’…Eles acumulam uma massa…dezenas de milhões de vezes…a do Sol – numa região com dezenas…a centenas de kms de diâmetro. – Objetos, assim tão densos…têm uma tal gravidade que atraem toda matéria…ao redor.
No centro galático…essa camada de gás quente…contendo partículas eletricamente carregadas (“disco de acreção”) passa a se mover em torno do buraco negro, caindo em sua direção, gerando campos magnéticos em constante rotação. – Por vezes…as linhas desses campos se encontram…com as que existem ao redor do buraco negro. Quando têm sentidos (polaridade) opostos, aniquilam-se liberando calor, energia e impulsionando ao espaço…partículas carregadas…como prótons, que aprisionados entre as… “linhas do campo magnético” — ganham cada vez mais energia.
Khiali, astrofísico iraniano que veio ao Brasil para estudar reconexão magnética com Elisabete, assim explica…“Imaginamos que aconteça algo parecido com o que ocorre com uma bola de tênis rebatida por jogadores correndo um de encontro ao outro…A cada rebatida, a bola ganha mais velocidade”. Similarmente – os prótons acumulam energia, até conseguirem escapar dos campos magnéticos, a velocidades próximas à da luz. No caminho em direção ao espaço esses prótons acelerados podem se chocar com outros prótons, ou com fótons, ambos abundantes numa vasta região em torno do buraco negro (halo galático)…O choque entre partículas as destrói, e gera outras.
Da colisão entre prótons, ou entre prótons e fótons, surgem partículas menos energéticas… e mais instáveis – os píons, liberando…“raios gama” e “neutrinos“ (ver infográfico).
Os cálculos de Khiali e Elisabete sugerem que, ao redor de buracos negros com massa de 10 milhões a 1 bilhão de sóis – a “reconexão magnética” seria capaz de produzir prótons energéticos o bastante para gerar os neutrinos superenergéticos do IceCube. Antes disso, Elisabete, Luis Kadowaki e Chandra Singh já haviam verificado que tal mecanismo pode originar os raios gama devidos a buracos negros e sistemas binários de estrelas… Mas, a reconexão magnética não é o único modelo explicando os prótons acelerados…Em 2014, os astrofísicos Fabrizio Tavecchio e Gabriele Ghisellini sugeriram – que essas partículas poderiam ser geradas pelos jatos que emanam próximo aos polos dos buracos negros. O físico Orlando Peres…da “Unicamp” de Campinas/SP – explica mais sobre essa questão:
“Hoje, o mecanismo mais aceito na produção de neutrinos superenergéticos é o choque na região dos jatos, mas esse fenômeno não explica os eventos de tão alta energia como os detetados no IceCube. Portanto, pode ser que esses neutrinos venham da ‘reconexão magnética’…ou, de outro modo ignorado”.
Elisabete, uma das coordenadoras da participação brasileira no…”Cherenkov Telescope Array”, que vai estudar raios gama de alta energia em 2 redes de telescópios, lembra de outra vantagem de seu modelo, em relação aos demais… – “Além dos neutrinos…nosso mecanismo explica a produção de fótons de raios gama…altamente energéticos…e raios cósmicos, que poderiam ser produzidos na vizinhança desses buracos negros”. — Sobre esse assunto, a física Renata Funchal (USP), que estuda os neutrinos com o objetivo de entender como poderiam interagir com outras partículas, comenta que: “A proposta da equipe do IAG é interessante, mas é cedo para saber se está correta – pois o número de neutrinos detetados é pequeno, e assim…não permite saber de onde vêm…Porém, esse modelo pode vir a ser testado em pouco tempo — caso ocorra a ampliação do IceCube”.
Efetivamente há o plano de dobrar o número de detetores… e aumentar o tamanho do observatório para um cubo com 10 kms de lado. – Isso aumentaria a probabilidade de registrar partículas fantasmas tão energéticas…que, ao não interagirem na viagem até a Terra com praticamente nada, podem revelar a trajetória de onde vêm. Identificar a origem desses neutrinos, permitiria verificar se também emitem fótons de raios gama e raios cósmicos – o que confirmaria o modelo de Elisabete e Khiali … sugerindo uma ‘astronomia de neutrinos‘. Todavia…ainda estamos engatinhando nisso”. (texto base)
Neutrinos podem explicar mais matéria que antimatéria no Universo Um artigo publicado nesta quarta-feira (15) na “Nature” pode ajudar a resolver por que existe mais matéria que antimatéria no Universo. O estudo é o resultado do trabalho de dezenas de cientistas que trabalham no projeto ‘Tokai to Kamioka‘ (T2K), cujo objetivo é desvendar os mistérios que circundam uma partícula conhecida como… “neutrino”.
Padrão de detecção para um neutrino eletrônico (Foto: T2K INTERNATIONAL COLLABORATION)
De forma simplificada, um ‘neutrino‘ é uma partícula subatômica, como o elétron – por exemplo…que não tem carga carga magnética…Isso faz com que não seja repelido ou atraído por outras partículas na natureza; o que torna suas interações com a matéria raras…e praticamente indetectáveis. Bruce Mellado, da “Universidade de Witwatersrand”, África do Sul, num texto publicado no The Converstion, em 2015 – explicou: “Passam todos os dias por nós inúmeros neutrinos, mas não os sentimos… — pois estes, praticamente nunca interagem com átomos que compõem nosso corpo”.
Neutrinos são produzidos pelo Sol, e por outras estrelas, em 3 variedades (ou “sabores”): o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. Além disso, cada uma dessas partículas tem uma antipartícula equivalente (o ‘antineutrino’). Como se não bastasse, tais partículas são como camaleões, pois podem mudar de tipo à medida que se aproximam da velocidade da luz. – Ou seja, um neutrino de elétron que saiu do Sol, por exemplo, pode se transformar num neutrino tau antes de chegar à Terra. O que causa essas alterações ainda é um mistério para os cientistas — e estudá-las…foi exatamente o que fez a equipe do T2K.
Matéria e Antimatéria
Uma das principais hipóteses sobre a origem do Universo diz que o Big Bang deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. — Entretanto, explicar o que causou essa assimetria – representa um dos maiores desafios da física na atualidade.
Em 1967, o físico russo Andrei Sakharov propôs que um dos motivos responsáveis por essa diferença está no fato de que a simetria dos neutrinos é imperfeita – fazendo com que cada um exiba propriedades ligeiramente diferentes. Para ele…foi justamente essa variação, que levou ao excesso de matéria no nosso Universo…Assim, diferente do que ocorre na maioria dos fenômenos onde as leis da física fornecem uma descrição simétrica do comportamento da matéria e da antimatéria — isso não acontece com os neutrinos. — Portanto, a condição conhecida como “simetria de paridade de carga” (CP) não se aplica a essas partículas.
O detector Super-Kamiokande, utilizado pelos cientistas (Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo)
Foi tentando comprovar ou refutar a teoria de Sakharov, que os cientistas do projeto T2K usaram os aparelhos do Acelerador de Prótons “J-PARC”, para criar neutrinos (ao colidir…em alta velocidade, prótons, com 1 alvo de grafite). – Para isso, foi utilizado um tanque subterrâneo, com 13 mil sensores de luz…e 50 mil toneladas de água ultrapura…armazenada em 295 quilômetros — de sua extensão.
Como neutrinos têm chance extremamente pequena de interagir com matéria … sendo portanto — muito difíceis de se detectar…o experimento levou anos…até ser concluído. Segundo os cientistas, cerca de 10²º interações foram geradas numa década – período no qual 90 neutrinos e 15 antineutrinos foram detectados… Utilizando esses dados, os físicos mediram a probabilidade de um neutrino oscilar entre os diferentes…”sabores”, durante sua jornada. O mesmo experimento com antineutrinos foi realizado…e os nºs comparados…A ideia era que: se a matéria e antimatéria são perfeitamente simétricas, as probabilidades deveriam ser iguais. – Mas, foi observado o oposto (como Sakharov teorizou). Neutrinos de múon, por exemplo, se transformam em neutrinos de elétrons a uma taxa bem mais alta do que antineutrinos de múon em antineutrinos de elétrons.
Conforme declaração de Patrick Dunne…do “Imperial College London”: “Nosso resultado mostra que temos mais de 95% de certeza de que neutrinos e antineutrinos se comportam de modo diferente. Isso é uma grande novidade por si só. Hoje constatamos que, ao invés de testes feitos com outras partículas…o resultado em neutrinos é compatível com muitas das teorias que explicam a origem da dominância de matéria no Universo”…Encontrar tal ‘violação CP‘ entre neutrinos é uma dica de que fontes maiores de assimetria estavam em ação no “Universo primitivo” – pois, apesar dessas partículas sozinhas serem minúsculas para explicar o ‘desequilíbrio matéria/antimatéria’ … elas poderiam estar ligadas a um 4º tipo de neutrino. Como explicou Patricia Vahle, do College of William & Mary, EUA…que não participou da pesquisa – em entrevista à “Science“…“Esse neutrino seria muito mais pesado e influente nas interações da matéria – mudando assim, o equilíbrio do Universo. Detectar…”violações PC”…entre neutrinos comuns…ajudaria a reforçar essa hipótese”.
A descoberta, entretanto, não satisfaz o nível de confiança 5-sigma (5σ), exigido pelos físicos de partículas para que o resultado de um experimento seja validado. Segundo a comunidade científica, o estudo é apenas 95% confiável – enquanto a porcentual para sua confiabilidade ser 99,7%. – Ainda assim, os cientistas acreditam que é importante publicar os resultados de seus experimentos — conforme eles vão sendo apresentados. De acordo com eles – isso poderia incentivar outros estudiosos, ao redor do mundo, à realização de projetos tão longos quanto o T2K. – E sobre o assunto, Yoshi Uchida, do Imperial College London, assim comentou: “Ao começarmos, sabíamos que ver sinais de diferenças entre neutrinos e antineutrinos, desta forma, era algo que poderia levar décadas – se é que algum dia poderiam ser obtidos. – Então, é quase como um sonho, que nosso resultado esteja na capa da “Nature” esta semana.” (texto base – abr/2020) ******************************************************************************
Neutrinos ajudaram a dar forma ao Universo (jan/2021)
Distribuição da densidade dos neutrinos (esquerda) e da matéria escura (direita) na estrutura cósmica de grande escala. Enquanto os neutrinos se movem rapidamente e parecem difusos, a distribuição da matéria escura compõe teias cósmicas, formando uma estrutura filamentar. [Kohji Yoshikawa et al.]
Mas é justamente essa ideia que Kohji Yoshikawa e um grupo de físicos da Universidade de Tóquio está propondo… – Eles desenvolveram uma simulação cosmológica projetada para monitorar a função dos neutrinos na evolução do universo, analisando assim como a irrelevante massa dos neutrinos poderia ter influenciado…na massa e distribuição das outras partículas. Usando equações diferenciais (de ‘Vlasov-Poisson‘) é possível deduzir as massas dos neutrinos, só recentemente medidas (a teoria dos neutrinos data de 1956).
A ‘simulação‘ representou com boa precisão a “função de distribuição” da velocidade dos neutrinos, acompanhando sua evolução…ao longo do tempo. Os pesquisadores…a partir daí, examinaram os efeitos dos neutrinos na formação…e na evolução das galáxias. — Os resultados indicam que os neutrinos dissiparam os agrupamentos de ‘matéria escura’…a massa indefinida do Universo, bem como das galáxias. – Além disso, as regiões ricas em neutrinos estão fortemente correlacionadas com aglomerados gigantes de galáxias — e a temperatura efetiva dos neutrinos varia ‘substancialmente’ … conforme a massa de cada neutrino, como explicou Yoshikawa: “No geral, nossas descobertas são consistentes com as previsões teóricas e com os resultados das simulações anteriores. É reconfortante que os resultados de abordagens de simulação totalmente diferentes concordem entre si”. E, mais que isso … é importante lembrar que os experimentos mais rigorosos, usados para estimar a massa dos neutrinos são as observações cosmológicas, mas só se pode confiar nessas observações…se as previsões das simulações se mostrarem precisas. (texto base)
Questões Cosmológicas 
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