Indícios Caóticos na Madrugada Cósmica

“O passado é que veio para mim…  como uma nuvem  —  veio para ser reconhecido; apenas não estou sabendo decifrá-lo.” (Guimarães Rosa)

“Sabendo que o ‘caos‘ é a norma na natureza…  –  especialmente ao nível do movimento molecular, onde tudo é realmente quântico… e, que ondas aleatórias são a manifestação quântica do caos… — talvez não seja muito melodramático afirmar que nós somos feitos desse negócio que você está vendo aí embaixo” (Eric Heller)

Não bastasse o aspecto quântico de qualquer coisa suscitar comportamentos totalmente contraintuitivos, o que acontece se tentarmos analisar o caos em um sistema governado pelas leis da mecânica quântica?…

A SUAVE GEOMETRIA DO ‘CAOS QUÂNTICO’

O resultado (inesperado) é o desenho acima, criado pelo físico/artista de Harvard… Eric Heller…‘uma superposição de ondas quânticas aleatórias’. – Essa esfera, aparentemente quase harmônica é o mais próximo que a mecânica quântica pode se aproximar do caos.

Se você estudar o caos na mecânica clássica, verá que o resultado é bem diferente. Por exemplo, tente traçar a rota de elétrons aleatórios saindo de um mesmo ponto – em angulações aleatórias, no interior de um ambiente eletromagnético o resultado será     um ‘emaranhado de raios’…em todas as direções. — O correspondente quântico desse   caos é representado pela superposição do conjuntos de ondas … viajando em todas as direções possíveis…A partícula cuja viagem traça cada uma dessas trajetórias tem um ‘quantum de energia’ – e assim…todas as ondas têm o mesmo comprimento λ.

A esfera caótica é o resultado dessas ‘viagens de partículas’… (Um bom exemplo de ‘caos molecular é o ar no interior de uma sala… – Ainda que átomos de nitrogênio e oxigênio, devido à temperatura homogênea…flutuem com mesma velocidade média, estes não possuem qualquer correlação, mantendo pois sua estabilidade estrutural.)

TURBULÊNCIA QUÂNTICA

Turbulências‘ são fenômenos que ocorrem em fluidos…líquidos e gases – geralmente submetidos a movimentos completamente desordenados…conhecidos como ‘vórtices‘. Para fluidos ou plasma sob a tensão de forças não-lineares com um nº de graus de liberdade essencialmente infinito…a conotação caótica da palavra ‘turbulência’…é totalmente justificável.

Um trabalho realizado por cientistas da Universidade de São Paulo (USP) e de Florença (Itália) demonstrou que o fenômeno da “turbulência” ocorre também no ‘condensado   de Bose-Einstein’…fase da matéria formada por átomos a temperaturas próximas do ‘zero absoluto’… — O trabalho faz parte de uma diretriz de pesquisas, que procura criar ferramentas que permitam a observação de ‘efeitos quânticos’ em escala macroscópica.

Segundo o principal autor do estudo, Vanderlei Bagnato, do Centro de Óptica e Fotônica (Cepof) da USP de São Carlos…até agora os fenômenos de turbulência eram estudados em modelos de hélio líquido a baixíssimas temperaturas. O problema é que nesses modelos, a formação de vórtices não pode ser observada a olho nu… Como assim explicou Bagnato:

“A vantagem, é que no condensado de Bose-Einstein vemos esses fenômenos diretamente. Estando a turbulência quântica associada a qualquer superfluido quântico, e não apenas ao hélio líquido, temos novos caminhos à disposição. – 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. — O hélio líquido é um desses ‘superfluidos‘, no qual a mecânica quântica predomina. — Nesse sistema… os ‘vórtices‘ são muito bem comportados, ao contrário do que ocorre em um líquido comum…Esses superfluidos que escoam sem esforço são fundamentais para o estudo dos fenômenos de turbulência“.

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]

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]

O condensado de Bose-Einstein

Até recentemente…o hélio líquido era o único ‘sistema quântico à disposição para   a análise dos  ‘fenômenos de turbulência’. Porém, nele não é possível observar a olho nu  –  como a observamos em uma xícara de café, por exemplo.

Em 1995 – surgiu um novo superfluido:         o… condensado de Bose-Einstein.       A existência desse estado da matéria foi prevista por Albert Einstein em 1925, a partir do trabalho de Satyendra Bose,       com base teórica na mecânica quântica. Mas apenas 70 anos depois, na Colorado University / EUA, Eric Cornell… e Carl Wieman produziram  –  pela 1ª vez  –  o condensado (Prêmio Nobel da Física, 2001).

Esse  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 da turbulência.  A  área de pesquisa  da turbulência nos superfluidos líquidos é muito ativa.  Sabíamos que seria importante identificar outros superfluidos que permitissem criar alternativas de investigação“… disse Bagnto, e concluiu: 

É muito mais fácil produzir o ‘Bose-Einsteinque é menos denso e apresenta vórtices maiores, sendo também um fluido quântico. Agora, podemos verificar que a turbulência ocorre também no condensado… onde observamos esse fenômeno  a olho nu. Poderemos realizar testes que seriam impossíveis com o hélio líquido.  Estamos programando um experimento com o objetivo de observar, em grau detalhado, fatos relevantes, como, por exemplo  —  quanto tempo a turbulência demora para desaparecer do fluido quântico, e quais são suas consequências”.

PRIMEIROS INDÍCIOS DE TURBULÊNCIA NO ESPAÇO 

Os cientistas usaram dados da missão Cluster, constituída por quatro sondas de pesquisas quase idênticas, voando em formação. [Imagem: ESA]

Os cientistas usaram dados da missão Cluster, constituída por 4 sondas de pesquisas quase idênticas, voando em formação. [Imagem: ESA]

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 poderíamos esperar a ocorrência de turbulência…em situações tais como vento solar… espaço interestelar, e discos de acreção em torno de buracos negros… não é assim tão fácil, medir fluidos no tempo e espaço.

Tentando resolver esse problema  –  um conjunto de 4 satélites de observação de plasma, chamado ‘Cluster’, forneceu 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 turbulência de fluidos.

Obs. A Complexidade de Kolmogorov é uma teoria da informação e da 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 considerada um consistente ramo derivado da teoria da informação de Claude Shannon – no qual o mecanismo usado para definir seus ‘objetos‘ (…os algoritmos) é a Máquina de Turing.

Em 1973…Kolmogorov propôs uma abordagem não-probabilística de estatísticas e modelagem…  —  Deixe cada informação ser uma sequência binária finita…  Considere classes de modelo consistindo em modelos (conjuntos finitos de sequências binárias) de uma dada complexidade máxima.

A função da estrutura de Kolgomorov para uma sequência de dados discretos revela a relação entre a restrição de nível de complexidade         numa classe de modelos… – e a menor cardinalidade algorítmica de         um modelo na classe que contém os dados.

A ‘função de estrutura‘ determina todas as propriedades estocásticas da sequência individual de dados…  –  para cada classe reduzida de modelo ela determina o melhor ajuste individual de modelo na classe  –  independente se o modelo de verdade está na classe de modelo considerada, ou não…  Ela é usada na teoria algorítmica  –  também conhecida como Kolmogorov complexity, na descrição da estrutura de uma sequência  — pela utilização de modelos de complexidade crescente.

No caso clássico — falamos de um conjunto de dados com uma distribuição de probabilidade, e as propriedades são as de suas expectativas. – Em contraste, aqui lidamos com sequências de dados individuais, e suas propriedades focalizadas. Nesta configuração, uma propriedade contribui com precisão — ao invés de probabilidade, como no caso clássico. A função de estrutura Kolmogorov precisamente quantifica o melhor ajuste de um modelo individual, em relação aos dados individuais. 

ESQUELETO DA TURBULÊNCIA                                                                                     ‘Embora a turbulência seja um fenômeno que se caracteriza pela movimentação caótica das partículas de um fluido, existem técnicas capazes de identificar estruturas coerentes em seu interior, permitindo a previsão desses movimentos.’

Dois novos estudos liderados por pesquisadores brasileiros, identificaram as estruturas coerentes que formam o ‘esqueleto da turbulência. Segundo os autores, estudos sobre a dispersão de cinzas vulcânicas, ciclones, tornados, tsunamis, ciclos solares,  formação planetária e estelar, universo primordial, e outras áreas tão diversas como transporte     de sangue em sistema cardiovascular, e fusão termonuclear controlada poderão se beneficiar das 2 pesquisas.

Os trabalhos foram liderados pelo físico espacial Abraham Chian, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), e pelo matemático computacional  Erico Rempel, do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) de São José dos Campos (SP), em cooperação com um colega da Universidade de Estocolmo (Suécia)… e, um aluno de doutorado  do  INPE.

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 fornecidos pelos instrumentos  a  bordo de 4 sondas espaciais da  missão Cluster,  o grupo detectou, em frente a uma nuvem magnética interplanetária, 2 estruturas coerentes na forma denominada como ‘lâminas de corrente. Segundo palavras do pesquisador:

Pesquisadores brasileiros identificam as estruturas coerentes que formam o

Pesquisadores brasileiros identificam as estruturas coerentes que formam o “esqueleto” dos fluxos turbulentos.[Imagem: Chian/Rempel]

“A análise de dados das flutuações magnéticas demonstrou que o vento solar exibe um bem acentuado comportamento de turbulência  do tipo Kolmogorov,  nas  vizinhanças  dessas estruturas coerentes… similar às encontradas nas bordas de uma turbulência de plasma em fusão termonuclear – na atmosfera solar,  no meio interestelar, em um túnel de vento, e na copa da floresta amazônica  –  só  para citar alguns exemplos…    

Os eventos extremos na natureza, tais como ciclones, tsunamis, a precipitação excessiva   de chuvas em regiões localizadas, manchas,     e ejeções de massas coronais solares…estão relacionados às ‘estruturas coerentes’…que dominam a dinâmica da turbulência – podendo causar grande impacto nos climas terrestre, e ambiente solar/espacial.”

A caracterização dinâmica da borda dianteira de uma nuvem magnética interplanetária é  fundamental para o monitoramento e previsão do clima espacial…uma vez que existem indícios de que a tempestade magnética na Terra pode ser iniciada pela chegada de uma nuvem magnética proveniente de uma erupção solar.

sun turbulence -AFP

Dínamo cósmico

No 2º estudo, o grupo investigou as ‘estruturas coerentes lagrangianas‘ da turbulência astrofísica, com base na simulação numérica de um modelo não-linear de dínamo.

As ‘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, que 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 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 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”, concluiu Chian.

COERÊNCIA NO CAOS

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 entorno de válvulas cardíacas; o plasma termonuclear em máquinas de confinamento magnético, etc.

De acordo com Rempel,  o grupo brasileiro foi o primeiro a introduzir essa nova técnica para a astrofísica. 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 certas direções preferenciais das partículas de fluidos em movimento… Quando um poluente é arrastado pelos vórtices e correntes do oceano, a identificação das estruturas coerentes permite detectar linhas de atração que possibilitam prever para onde o fluido irá se movimentar.  O mesmo fenômeno pode acontecer com as cinzas expelidas na atmosfera por um vulcão, por exemplo.

CAOS SOLAR

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 estivessem aprisionadas em vórtices. As ‘estruturas coerentes lagrangianas’ definem as fronteiras desses vórtices… delimitando as regiões do fluido – entre as quais, as partículas não se misturam.”…

“No enfoque astrofísico…nosso objetivo era saber qual o impacto do campo magnético sobre os movimentos turbulentos do plasma de uma estrela. Quando fazemos o estudo das estruturas coerentes, vemos que algumas partículas podem se cruzar — passando para outras regiões do fluido”…

“No caso da estrela… observamos que, quando o campo magnético    ficava mais forte, existiam menos cruzamentos – isto é, a turbulência diminuía”,  disse Rempel, e concluiu:

“Esses resultados foram obtidos a partir de uma simulação ainda bastante simplificada… A partir desse modelo acadêmico, vamos procurar estender essa aplicação a modelos mais realistas … da ‘camada convectiva’ do Sol.”

SINCRONIZANDO O CAOS                                                                                                 ‘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 tão diversas áreas, poderão se beneficiar de uma pesquisa publicada no ‘Physical Review Letters‘… – O trabalho foi realizado por cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), e do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em cooperação com as universidades de Kyoto e Hokkaido.

Por meio de simulações numéricas computacionais, o grupo analisou a intermitência espaço-temporal — fenômeno encontrado em fluidos, plasmas, óptica, reações químicas e biomedicina.

A demonstração 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 é caracterizada 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 espaço, um comportamento caótico.

O grupo foi liderado pelo pesq1uisador do INPE… Abraham Chian – e…investigou o mecanismo físico da intermitência do tipo on/off na transição do caos temporal para o caos espaço-temporal… com base na simulação numérica de um ‘modelo não-linear de ondas longas… Esse modelo matemático pode ser utilizado para descrever fenômenos como a evolução de ‘ondas de deriva’  em plasma … ou, de um tsunami – em oceanos.

Segundo ele, 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 instabilidades 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. Denominadas ‘regiões solares ativas, essas manchas apresentam ‘comportamento turbulento‘… enquanto as regiões à sua volta atuam de maneira ‘laminar’.

Entender a transição de sistemas laminares para sistemas turbulentos pode ajudar também nas investigações sobre o clima…na formação de fenômenos meteorológicos  —  assim como furacões e tornados (p. ex.)

A investigação atual está relacionada a outro trabalho publicado anteriormentetambém na Physical Review Letters. Na época, o grupo de Chian caracterizou uma nova estrutura chamada de ‘selas caóticas’, que ajudam a prever o comportamento de sistemas caóticos,   e a controlar caos e turbulência em sistemas complexos. ‘Intermitência espaço-temporal’

(esse  nome  foi  inspirado  nas  selas  de montaria devido à característica dessas estruturas  –  de serem estáveis em uma direção, e apresentam instabilidade nas direções transversais a essa.) 

MODELANDO A ORDEM NO CAOS

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 a um 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 emitidosNessas 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’ desenvolvidos para explicar o fenômeno, não levaram esse fato em consideração até o momento.

Estabilidade da sincronização

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 no recebimento de informação entre osciladores caóticos. Durante o estudo,     os pesquisadores buscaram explicar a sincronização quando há atraso no recebimento     da informação entre os osciladores caóticos. O objetivo é determinar as condições sob     as quais o fenômeno ocorre em sistemas reais.

Segundo José Mario Grzybowski, um dos autores do artigo:

“Utilizando a ‘teoria da estabilidade de Lyapunov’que trata do problema da estabilidade em sistemas dinâmicos, firmamos critérios de estabilidade que – a partir de parâmetros como o ‘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 havendo similares na literatura).”

Visão artística das diversas sondas espaciais que formarão o telescópio espacial Terrestrial Planet Finder[Imagem: T.Herbst(MPIA)/NASA]

Visão artística das diversas sondas espaciais que formarão o telescópio espacial ‘Terrestrial Planet Finder’ [Imagem: T.Herbst(MPIA)/NASA]

Vôo em formação no espaço

As aplicações desse estudo possibilitarão aprimoramento de sistemas tecnológicos baseados em sincronização…em especial, sistemas de telecomunicação baseados na teoria do caos, ou na criptografia caótica.

Além disso, entre possíveis aplicações estão os satélites em formação de vôo,     no qual, cada um precisa manter uma distância relativa adequada em relação     ao outro e, ao mesmo tempo, estabelecer um referencial (sincronização)…que faça ‘intercâmbio de informações’ – coleta, e combinação eletrônica de imagens oriundas dos diversos satélites da formação. Segundo Grzybowski:

“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 o uso de algoritmos”.   

Outras aplicações do resultado da pesquisa também podem ser:  Veículos aéreos não tripulados, para explorar em conjunto uma determinada região; além de sistemas de controle robóticos  —  distribuídos de forma coordenada  —  para trabalhar em rede.

Segundo Elbert Macau – pesquisador do INPE, e co-autor do estudo – do qual também participou Takashi Yoneyama (ITA), nessa pesquisa foi analisada a sincronização com um atraso de tempo na transmissão da informação entre 2 osciladores. Mas, no trabalho atual que desenvolvem, 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 apresentam nível de complexidade bastante superior.

“Em princípio, qualquer fenômeno real que se baseia na sincronização isócrona  poderá  ser tratado  a  partir  desses  elementos  teóricos, que podem servir para projetos de redes tecnológicas, ou para compreender comportamentos emergentes  em  redes naturais,  mesmo  naquelas em   que não temos formas de influir diretamente”… – concluiu Grzybowski.

Snapshot from a computer simulation of the formation of large-scale structures in the universe, showing a patch of 100 million light-years and the resulting coherent motions of galaxies flowing toward the highest mass concentration in the center. Credit: ESO

Instantâneo de uma simulação computacional da formação de estruturas em grande escala no universo, mostrando um pedaço de 100 milhões de anos-luz, e os movimentos coerentes resultantes de galáxias fluindo em direção ao centro de massa (ESO)

O CAÓTICO SURGIMENTO DO UNIVERSO

Segundo novo estudo da UFRJ/Brasil … 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 – como o próprio universo, foi, provavelmente… caótica.

(…Apesar deste período do universo ainda não ser bem compreendido, teorias propõem que esta fase inicial caótica foi seguida pela rápida ‘expansão inflacionária‘.)

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     os cientistas chamam de argumento férreo’ para       o caso.

Estudos anteriores lograram resultados variados, e é sugerido que isso aconteceu porque – diferentes observadores tendem a perceber o tempo de formas diversas… Isso significa que  —  diferentes cientistas…  ao estudarem o mesmo problema, poderiam obter diferentes resultados. Contudo, os novos ‘cálculos brasileiros‘ provam que essa propriedade universal independe da coordenada relativa ao observador.

Eles se basearam na aplicação dos cálculos para “modelos cosmológicos” mais recentes do universo. Se estes modelos se provarem imprecisos, então o universo pode não ter nascido no caos…Segundo os pesquisadores, a principal vantagem da pesquisa é a possibilidade de uma ‘definição universal do caos’, ou seja, uma definição que não depende do observador, o que era um problema antigo.

CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS AUTORGANIZADOS                                             ‘Foi criado um modelo para explicar como campos eletromagnéticos ajudam a organizar o plasma em configurações astrofísicas…como nos fluxos de plasma que emergem de estrelas jovens’. (Nathan Kugland)

Um dos mistérios da ciência moderna é como estruturas altamente organizadas se formam em meios turbulentos, com partículas se movendo de forma aleatória. 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.

Hye-Sook Park, chefe de equipe do Grupo de Ciência de Densidade de Alta Energia…no Laboratório Nacional Lawrence Livermore (UCLA), trabalhando com jatos de plasmas, fez uma descoberta surpreendente:

“Os jatos de plasma se moviam rapidamente e, a princípio, simplesmente deveriam passar um pelo outro, livremente – a observação de estruturas organizadas foi completamente inesperada”.

Estes campos magnéticos, em fluxos opostos, acabam por dar forma ao jato de plasma, criando estruturas complexas no gás ionizado. Experimentos feitos com plasma, gerado por laser, podem estudar a microfísica da interação de plasma, assim como a formação   de estruturas em condições controladas. – Com esta informação, os cientistas têm uma nova ferramenta para explorar como a ordem emerge do caos.

TURBULÊNCIA NO ESPAÇOTEMPO                                                                                ‘As teorias atuais da física estabelecem que o espaçotempo pode ser curvado por grandes massas, dando origem à gravidade…Mas, o próprio espaçotempo reage             sempre de forma suave e tranquila (ele nunca se torna turbulento) gerando uma     gravidade… igualmente calma, tranquila e previsível. – Um novo estudo, porém,               defende que essas teorias podem estar erradas.’

As ondas gravitacionais poderão validar, ou não, a hipótese dos redemoinhos de gravidade. [Imagem: Henze/NASA]

As ondas gravitacionais poderão validar, ou não, a hipótese dos redemoinhos de gravidade. [Henze/NASA]

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 uma conjectura em física… conjectura holográfica   – que diz que a gravidade pode ser descrita como uma teoria de campo. E, também sabemos que… em altas energias  –  teorias de campo podem ser descritas com as ferramentas matemáticas que usamos ao descrever fluidos.

Portanto — é uma dança de 2 passos…  gravidade é igual a teoria de campos, e teoria de campos é igual a fluidos – assim, gravidade equivale a fluidos…  Isso é chamado 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.

Ou há algum problema com a dualidade, e a gravidade realmente não pode ser totalmente capturada por uma descrição de fluidos…ou há um fenômeno novo na gravidade, e a gravidade turbulenta realmente pode existir,” completou Lehner.

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 buracos negros estelares – ou 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 extraordinariamente complexas… Mas… mesmo sabendo que turbulência é, basicamente, não-linear — a equipe enfrentou o problema.”

As simulações mostram que o espaço-tempo fica turbulento, e a gravidade passa a se comportar como um fluido. [Imagem: Yang/Zimmerman/Lehner]

As simulações mostram que o espaço-tempo fica turbulento, e a gravidade passa a se comportar como um fluido. [Imagem: Yang/Zimmerman/Lehner]

Redemoinhos de gravidade

O resultado foi surpreendente…o espaçotempo pode, de fato, se tornar turbulento nas condições extremas de uma dupla de buracos negros orbitando – um em torno do outro. Nas palavras de Huan Yang, membro  do grupo:

“Eu nunca acreditei em comportamentos turbulentos na Relatividade Geral… e por boas razões – ninguém jamais havia visto isto – em simulações numéricas… coisas tão poderosas como buracos negros binários”.

Mas… – como este fenômeno escapou dos teóricos?     “Ele estava escondido, porque a análise necessária para vê-lo tem que ir para as ordens não-lineares. E, as pessoas nunca têm motivação suficiente para fazer um estudo não-linear”, explicou Yang.

Este é um trabalho teórico, mas, que pode não ficar assim por muito tempo. Vários detectores 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 anteriores sugerem… Conhecer             essas diferenças pode tornar mais fácil detectar…ou interpretar o que está sendo            visto nos dados – as ondas gravitacionais.

Assim, se as ondas gravitacionais forem finalmente detectadas…e elas chegarem um pouco diferente do que os modelos do espaçotempo comportado preveem…então isto poderá ser uma evidência da turbulência gravitacional. E, se tiveram coragem para enfrentar a modelagem não-linear, talvez essa possibilidade de detecção dê à equipe       a motivação suficiente… para tentar descrever como seria – em uma situação real…         o espalhamento de um redemoinho de gravidade pelo espaçotempo. *******************************************************************************      A suave geometria do caos quântico (jul/2007)  #  ‘Turbulência quântica começa a ser desvendade’ (26/08/2009) # ‘Primeiros indícios de turbulência no espaço’ (nov/2006)     # ‘Encontrando ordem no caos da turbulência’ (julho/2011) # ‘esqueleto da turbulência’ (julho/2011)   #    ‘Sincronizando o Caos’   (julho/2010)    #   ‘modelando ordem no caos’ (junho/2011) # ‘O início caótico do Universo’ (out/2010) ‘big-bang-moment-pure-chaos’  ‘Campos eletromagnéticos autorganizados’ (Out/2012) [Laboratório Nacional Lawrence Livermore] # ‘Turbulência do espaçotempo gera redemoinhos de gravidade’  (jun/2014)     ****************************(texto complementar)*********************************

O Alvorecer Cósmico  (11/02/2009)

Uma imagem simulada, produzida por cientistas da Durham University’s Institute for Computational Cosmology, mostra o “Alvorecer Cósmico’ – 500 milhões de anos após         o Big Bang, com as primeiras formações no universo.   

early-universe

O ‘Alvorecer Cósmico’ começou, enquanto galáxias se formavam…por entre destroços   de estrelas massivas, colapsando no jovem universo, explosivamente.

Os cálculos da Universidade de Durham preveem onde essas galáxias aparecem, e como evoluem até hoje … – 13 bilhões de anos mais tarde.

Os pesquisadores esperam que suas descobertas  —  em especial, sobre aprimitiva formação estelar galática’,         ajude na compreensão de uma substância misteriosa que, representa mais de 85% da massa do Universo  —  a  matéria escura.

A gravidade produzida pela matéria escura é um ingrediente essencial na formação das galáxias — e, estudando seus efeitos, os cientistas esperam, eventualmente, aprender mais sobre a natureza fugaz de sua substância.

A fim de prever como as galáxias crescem, o trabalho combina uma simulação massiva do desenvolvimento de estruturas em matéria escura, com um modelo do comportamento da matéria normal bariônica – como um gás.

Este é aquecido, sob a força da gravidade da matéria escura, se transformando em estrelas, e liberando radiação.  –  As imagens da simulação mostram quais galáxias estão formando mais estrelas num tempo determinado…E, embora atualmente, as galáxias sejam maiores, a taxa na qual elas formam novas estrelas, caiu muito em relação ao início do Universo.

Os cálculos da equipe de Durham, corroborados por cientistas da Universidade Católica, em Santiago do Chile, podem ser testado em relação a novas observações, que remontem aos estágios iniciais da história do Universo… — quase 1 bilhão de anos após o Big Bang. Álvaro Orsi, chefe da equipe e pesquisador da pós-graduação do Instituto de Cosmologia Computacional da Universidade de Durham (ICC), explicou:

“Estamos efetivamente olhando para trás no tempo e, por isso, esperamos aprender como galáxias – como a nossa – se formaram; e, entender mais sobre  ‘matéria escura‘ …  —  a chave para a construção das galáxias.”

“Cosmologists ‘See’ The Cosmic Dawn”  #  ‘New Model of the Early Universe’

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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Uma resposta para Indícios Caóticos na Madrugada Cósmica

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