Friday, October 22, 2021

A Energia Escura

Essa entidade é mais um mistério da ciência pois sabemos pouco sobre sua provável composição. Digamos que você pegue um certo volume do espaço e tire tudo de dentro, então teríamos o vácuo. Na verdade teríamos o próprio espaço e aparentemente há uma energia associada a ele. Essa é a Energia Escura.

O mais impressionante é que graças a Física Quântica estamos conseguindo quantificar essa energia.

Na Cosmologia a Energia Escura é sinônimo de Constante Cosmológica ƛ. A densidade Dƛ dessa constante se junta a outros dois parâmetros cosmológicas (densidade de radiação (Dr) e densidade de matéria (Dm)) que descrevem a composição do Universo.

Existe um consenso na ciência de que nosso universo é plano e portanto se tornarmos esses parâmetros adimensionais dividindo por uma constante chamada de densidade crítica (ρ que é a quantidade de matéria que define o universo plano), a soma precisa ser 1 respeitando a geometria euclidiana.

Dƛ/ρ + Dm/ρ + Dr/ρ = 1

Aqui a Cosmologia consegue nos dar alguns números. No post sobre Matéria Escura ficou claro que é possível experimentalmente fazer estimativas da matéria no universo (Dm/ρ = 0.3) , sabemos que é possível fazer o mesmo com a radiação (Dr é muito pequeno, desprezível e próximo de 10^-5). portanto

                                                                  Dm/ρ + Dr/ρ = 1 - Dƛ/ρ

                                                                        0.3 = 1 - Dƛ/ρ

                                                                            Dƛ/ρ = 0.7

Daqui tiramos que aproximadamente 70% do universo é Energia Escura e 30% de matéria (bariônica + escura) e a radiação é muito pequena. Vale ressaltar que a quantidade e Energia Escura sempre se alterou com a expansão do universo, pois a medida que há mais espaço também há mais energia. Entretanto a densidade de Energia Escura permanece constante desde o Big Bang.

Isso é interessante pois sabemos que houve um tempo onde havia mais radiação que matéria no universo, portanto  Dm/ρ e Dr/ρ se alteraram em menor e maior proporção. Principalmente nos primeiros anos após o Big Bang, Dm/ρ deveria estar mais próximo de ser insignificante e  Dr/ρ mais próximos dos 30%.

Uma outra forma de chegar a esses valores é fazer a curva de aproximação da relação redshift (z) vs idade do universo. 

Mais uma vez os valores ótimos (idade do universo ~13Gyr) para os parâmetros cosmológicos são próximos de 0.7 e 0.3 e H sendo a constante de Hubble atualmente.

Por curiosidade fiz a integração numérica com intervalo de integração [0, 1000], Dƛ/ρ=0.7 e  Dm/ρ=0.3:

                            - 20ln(3*10001^3/2 + 7)/21 + 10ln(1001)/7 + 20ln(10)/21 = ~ 1/H * 1.1455

Esse valor superior a H^-1 sugere que o universo seria um pouco mais velho e estaria acelerando. O resultado dessa integração numérica muda bastante dependendo dos valores escolhidos para os parâmetros cosmológicos, por isso é tão importante estima-los com precisão.

As estimativas para esses parâmetros cosmológicos são fundamentais também para o cálculo de várias outras funções como por exemplo a Distância Comóvel, que por sua vez nos leva a Distância de Luminosidade e Distância de Diâmetro Angular.

É importante lembrar que existem outras hipóteses para explicar a Energia Escura, isso porque as observações da Física Quântica indicam uma discrepância muito grande entre o valor teórico assumido por ƛ no modelo cosmológico padrão e o que se quantifica experimentalmente.

Céus limpos

@astronomiaNoCerrado


Friday, October 15, 2021

Matéria Escura: Evidências de sua presença

O que é a tal Matéria Escura ?

Ninguém sabe ao certo. Parece que essa entidade não interage com forças eletromagnéticas (não emite e nem absorve luz) mas interage gravitacionalmente. Descrevo aqui rapidamente quais são as evidências da presença da Matéria Escura que foram observadas até hoje

  • Lentes Gravitacionais
Esse é um efeito previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein e rege sobre os efeitos causados na luz pela distorção do espaço-tempo.
A idéia é mais ou menos o que acontece quando a luz atravessa uma lente. Ela sofre uma alteração, podemos ver isso claramente por exemplo quando usamos uma lupa para direcionar a luz do SOL.

No Cosmos existem essas "lentes". São as estruturas de grande massa como os aglomerados galácticos. Se houver um objeto entre nós e um aglomerado galáctico, é possível que enxerguemos alguma distorção na luz emitida/refletida por esse objeto.


Foto: Efeito lentes gravitacionais capturado pelo Hubble/NASA no aglomerado SDSS J0952+3434
  • Dinâmica das Estrelas
Por qual motivo nosso planeta não é engolido pelo SOL ? Porque há uma velocidade de translação em uma determinada órbita. Caso contrário, se estivéssemos parados a força da gravidade faria seu papel e seríamos atraídos, iríamos de encontro ao SOL. Portanto a força da gravidade deve contrapor a força centrifuga:

Desta demonstração podemos dizer que a velocidade depende da massa M e diminui a medida que o raio R aumenta. Por isso a velocidade de translação da Terra é maior que a de Netuno. A massa significativa ai é a do SOL.

Qual a relação disso com a cinemática das estrelas e a matéria escura ?

A maior parte da massa (matéria bariônica) de uma galáxia está mais próxima do seu centro do que no limite externo do seu disco. Pois bem, se medirmos a velocidade de translação de uma estrela no limite do disco e comparar com a velocidade de uma estrela mais próxima ao centro, usando a fórmula acima veríamos que a estrela mais próxima ao centro tem uma velocidade de translação maior.

Mas não é isso que acontece! As medições desse tipo indicam que as velocidades se mantem mais ou menos constantes. Para que isso ocorra precisaria haver mais massa bariônica no limite do disco e não é isso que se vê. Levando em consideração a massa de todas as estrelas e gases presentes, ainda assim faltaria muita massa para justificar tal velocidade.

O motivo então seria a presença da Matéria Escura. A idéia mais aceita é que existe um halo de materia escura entorno da galáxia.

Claro que o cálculo de rotação de uma galáxia é mais elaborado que essa demonstração. Mas a idéia principal permanece, veja esse grafico da velocidades observadas na galáxia UGC05721 no artigo "Rotação de galáxias e matéria escura" de Alejandro Hernández-Arboleda e Davi C. Rodrigues. As velocidades não diminuem com o aumento da distância.


  • Dinâmica de aglomerados Galácticos
As galáxias que fazem parte de aglomerados não estão paradas, elas giram entorno de um centro. A idéia aqui é a mesma da cinemática das estrelas. As velocidades medidas das galáxias só são justificadas com a presença da matéria escura, pois a soma da matéria bariônica não justifica tais velocidades.
  • Temperatura dos gases em aglomerados Galácticos
Os aglomerados de Galáxias ainda nos dão uma outra evidência da matéria escura. A temperatura dos gases intra-aglomerado. Em última instância a temperatura de um gás é o nível da agitação das partículas e observou-se que a matéria bariônica ali presente não seria suficiente para tornar o gás tão quente, portanto a matéria escuro estaria ali presente.

Céus limpos

@astronomiaNoCerrado

Saturday, October 2, 2021

Da Bariogénese à consciência do Cosmos

É possível traçar um paralelo entre a evolução da Astronomia e da Humanidade no que diz respeito a forma que nos vemos nesse Planeta. Saímos de épocas de escuridão, onde achávamos que éramos o centro de tudo, navegamos em mares iluminados e percebemos que somos parte de um todo. Com a ajuda da Física, da Filosofia e de outras ciências nos encontramos num processo de entendimento das Leis Naturais buscando nossa consciência como seres de vida avançada.

Com um certo senso de consciência coletiva ou de brevidade, muitos deixaram o seu melhor para nós na arte e na ciência, transformando para melhor nossa "cultura humana".

Estamos sempre comprimindo a mola, estamos adicionando a tensão necessária para que haja transformação em algum momento. Vez ou outra navegamos pela cegueira intelectual: o fracasso que deve ser escondido, o imperfeito excluído de nossas vidas.

Pois bem, digo-lhes que os fracassos e as imperfeições são características fundamentais no processo evolutivo do Cosmos e foram catalisadores de transformações. O Cosmos deixou para trás um mundo hostil, época de grande densidade de radiação e matéria bariônica ,fracassou por bilhões de anos, por uma infinidade de reações químicas até conseguir uns dos seus sucessos que foi a vida e em seguida sua consciência através da vida avançada.

Não sabemos qual o próximo passo nessa caminhada evolutiva do Cosmos, o que virá no pós- consciência. Mas é provavel que as grandes transformações venham catalizadas pelo imperfeito e o fracasso.

Acredito que se tivermos consciência de nossa finitude como matéria desse Cosmos e decidirmos deixar nosso melhor legado, estaremos mais próximo das respostas ou ao menos deixaremos para trás mais rapidamente os momentos de cegueira intelectual. Ficaremos mais perto do próximo passo evolutivo, sentiremos que somos guardiões da vida em um Planeta raro. E mais do isso, que somos os únicos exemplares da espécie Humana!

Céus limpos

@astronomiaNoCerrado

Um grupo de amigos e um céu escuro faz o tempo desaparecer!

O criador da Teoria da Relatividade, Albert Einstein, referia-se ao fato de o tempo ser relativo, vinculando-o à velocidade. Como fazer a no...