0

Alquimia do universo: como produzir elementos químicos – Parte II

alquimia_do_universo_parte_ii_imagem_destacada

Figura 1:  Estrela Sh2-106. Imagem do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA mostrando a estrela recém-formada Sh 2-106. Crédito: NASA/ESA

Continuamos a nossa série “Alquimia do universo” que começou aqui falando sobre os elementos criados durante o Big Bang. O evento que deu origem ao universo produziu a maior parte do hidrogênio e do hélio que existe! Isso não é pouca coisa quando consideramos que aproximadamente 98% de toda a matéria comum (bariônica) que forma você, as árvores, a Terra, o Sol é composta por hidrogênio e hélio.

Tudo muito bom e muito bonito mas hoje nós vamos falar das estrelas! ⭐ Antes de nós passarmos para nosso bate-bola estelar (e não, não vamos falar de falar de futebol 🤣), vamos falar sobre o que são estrelas.

Vídeo 1: SN 2006gy, uma estrela explodindo. Simulação de uma estrela extremamente massiva lançando algumas de suas camadas externas em uma grande erupção antes de colapsar violentamente. A explosão (do tipo supernova) por sua vez entra no gás expelido (em cor acobreada), que se encontra numa temperatura mais fria, criando um espetáculo de luz brilhante. Créditos: NASA/CXC/A.Jubett.]

Estrelas são bolas de gás e poeira com a particularidade que elas conseguiram juntar tanto gás e tanta poeira (graças à força gravitacional) que o núcleo dessas bolas esquentou, e esquentou, até atingir uma temperatura em torno de 4 milhões de Kelvins! Isso é tipo um cadinho menos que 4 milhões de graus Celsius! 🔥😵🔥 Essa temperatura é especial porque significa que agora a nossa “bolinha de poeira” tem energia suficiente para fusionar os núcleos de hidrogênio originando novos núcleos de hélio. E isso acontece bilhões de vezes por segundo, e cada fusão desse tipo gera mais energia, numa cadeia de inúmeras explosões atômicas. É essa energia liberada no processo de fusão que transforma a ex-bola de gás numa bola de gás incandescente: uma estrela.

Vídeo 2: Simulação sobre a formação estelar. O início da simulação parte de uma nuvem molecular distribuída esfericamente que, graças ao efeito da gravidade, começa a colapsar até eventualmente originar estrelas. Créditos: Youtube/Francis Villatoro.

Durante esse período no qual a estrela transforma o hidrogênio presente em seu núcleo em hélio, dizemos que a estrela está na sequência principal de sua evolução estelar. E essa também corresponde a maior fase da vida de uma estrela, como se fosse sua vida adulta.

Se você quer entender melhor como estrela evoluem, dá uma olhada nessa simulação maneiríssima onde você mesma, pessoa, escolhe o tamanho da sua estrela. Tá em português!

 

Só para dar uma ideia..
uma estrela como o nosso Sol demorou 50 milhões de anos para juntar energia suficiente antes de começar a fusionar hidrogênio. Ela está na sequência principal (fase adulta) há aproximadamente 5 bilhões de anos e assim vai permanecer por mais uns 5 bilhões de anos.🌞

 

Depois que a estrela queima o hidrogênio do seu núcleo, os eventos seguintes dependem da massa da estrela. Estrelas entre 0,08 até ~8 massas solares são consideradas estrelas de baixa massa. E estrelas superiores a 8 massas solares estão na categoria de estrelas massivas. A estrela mais massiva observada até hoje tem 265 vezes a massa do Sol, mas estima-se que no começo de sua fase na sequência principal sua massa foi de 320 vezes a massa do Sol! 🤯

Talvez você esteja pensando que estrelas de massivas “vivam” mais do que estrela com menos massa, mas é o contrário. A força gravitacional das estrelas massivas é maior do que as com menos massa. Por isso, a pressão do seu núcleo é muito maior, o que eleva ainda mais a temperatura, fazendo com que queimem o seu hidrogênio muito mais rápido do que estrelas menos massivas. Uma estrela com baixa massa fica na sequência principal por dezenas de bilhões de anos, enquanto estrelas massivas “apenas” por centenas de milhões de anos. Fala sério, vai me dizer que não bateu um alívio do Sol ser do time das baixinhas agora! 

 

Voltando ao assunto, depois que a estrela queima o hidrogênio do núcleo, ela passa a queimar outros elementos (ou o hidrogênio de camadas fora do núcleo), desde que ela atinja a energia de fusão desses outros elementos químicos. E, como você pode imaginar pelo papo que tivemos até aqui, quanto maior a massa da estrela, maior a temperatura que ela pode atingir. Então, quanto mais massiva, mais elementos químicos ela produz.

Sendo assim, estrelas de baixa massa têm energia suficiente para produzir carbono, nitrogênio e oxigênio. Estrelas massivas produzem esses elementos e continuam colapsando e subindo a temperatura de seus núcleos produzindo, subsequentemente, elementos químicos até chegar ao Ferro. Dá uma olha na tabela periódica a seguir para conferir os elementos.

Figura 2: Tabela periódica com elementos produzidos na natureza e legenda representando os eventos que os produzem. Em azul, nucleossíntese do Big Bang; em verde, a morte de estrelas de baixa massa; em rosa, fissão de raios cósmicos; em dourado, explosão de estrelas massivas; em roxo, colisão de estrelas de nêutrons; e em cinza, explosão de anãs brancas. Créditos: Wikipedia/Jennifer Johnson (OSU).

 

E agora vamos ao nosso bate-bola!

Evento: Nucleossíntese estelar

Quando acontece

Dentro das estrelas, durante a fase principal da vida das estrelas e depois em sucessivos processos anteriores a sua morte.

O que é 

As estrelas fundem elementos químicos através de fusão nuclear de forma a manterem sua estabilidade hidrostática: o equilíbrio entre a força gravitacional gerada pelo efeito sua própria massa (pressão “para dentro” da estrela) contra a radiação eletromagnética produzida durante a fusão dos elementos (pressão “para fora” da estrela).

O que é produzido

Desde do hélio-4, a partir do fusão dos núcleos de hidrogênio, até o oxigênio-16 em estrelas de baixa massa. Em estrelas massivas são produzidos elementos desde o hélio-4 até o ferro-56. Veja na tabela periódica a seguir os outros elementos químicos.

Escala de energia
  • o hélio-4 é produzido a temperaturas de 4 milhões de Kelvins;
  • o oxigênio-16 a 2 bilhões de Kelvins;
  • e o ferro-56 a 3 bilhões de Kelvins.
Em quanto tempo são produzidos
  • todo o hélio-4 é produzido em dezenas de milhões de anos;
  • a produção de oxigênio-16 em menos de 1 ano;
  • e, por fim, todo o ferro-56 em menos de 1 segundo!!!
Com que frequência ocorre 

Isso está acontecendo desde que o universo tinha aproximadamente 100 milhões de anos. Hoje, estima-se que o universo tem mais ou menos 14 bilhões de anos e em torno de 2 trilhões de galáxias. E cada galáxia tem em torno de 100 milhões de estrelas, das quais 90% estão na fase de transformar hidrogênio em hélio e as outras 10% estão produzindo outras coisas. Vou deixar para você contar quantas estrelas estão queimando hidrogênio nesse exato instante 😉

Os dados desse bate-bola foram retirados dessa aula super legal do Dr. Dmitry Semenov, Instituto de Astronomia Max Planck, na Alemanha.

 

Espero que você esteja pensando “tá legal, mas perá lá! E o que acontece depois disso? Como é que a estrela libera tudo isso no espaço? Cadê estrela de nêutrons, buracos negros e supernovas? Falta coisa aí!”. E você está certíssima, pessoa! E esse será o tema do nosso próximo papo: os elementos químicos produzidos na morte das estrelas. ⭐💥💀💫

Vídeo 3: Animação da formação de uma nebulosa planetária. Ao contrário do que o nome sugere nebulosas planetárias não dão origem a planetas. Elas são a sopa quente e poderosa de elementos químicos formadas após a explosão de anã branca. 🤩 Esse é tipo o de fim de vida que nosso Sol vai levar. 💥 Créditos: NASA/ESA/J.Gitlin(STScI).

1

Alquimia do universo: como produzir elementos químicos – Parte I

No artigo anterior, falamos sobre a observação da colisão de estrelas de nêutrons GW170817 e como graças à ela cientistas confirmaram a origem e abundância de 54 elementos químicos. Sim! A gente não tinha certeza de como foram produzidos muitos dos elementos que encontramos aqui na Terra, como o ouro, a prata e a platina. Imaginávamos — quer dizer, tínhamos as teorias — mas a prova mesmo chegou depois de 17 de agosto de 2017.

Dos 118 elementos químicos que conhecemos 24 são produzidos artificialmente em grandes laboratórios e 94 são produzidos naturalmente. E por natureza aqui nós não estamos falando do nosso pequeno planetinha. Estamos falando de estrelas, da morte de estrelas, da colisão entre estrelas, de fissão de raios cósmicos e do início do universo!

Nucleossíntese é o processo de sintetizar elementos químicos, ou seja, “colar” próton com próton e próton com nêutron, e em quantidades suficientes para “povoar” todo o cosmos com elementos químicos. E esse será o tema desta série de artigos sobre “Alquimia do universo: como produzir elementos químicos”.


Figura 1: Imagem em raios-X da supernova Cassiopeia A mostra como alguns elementos pesados são produzidos durante a explosão de estrelas massivas (supernova): silício (em vermelho), sulfúreo (amarelo), cálcio (verde) e ferro (roxo). As supernovas são uns dos eventos mais importantes na produção de elementos químicos. Créditos: NASA/CXC/SAO

Para preparar o terreno, alguns comentários sobre as escalas vamos usar para falar nesses eventos.

Kelvin
Indicamos a temperatura em Kelvin (K), escala absoluta de temperatura.
Só para ter uma ideia:

  • 0 K é o zero absoluto, equivalente a negativos 273,15 graus Celsius!
  • a temperatura do universo hoje é aproximadamente 2,7 K.
  • a temperatura ambiente de 20 graus Celsius é equivalente a 293 K.

Elétron-volts
É comum usar elétron-volts (eV) para falar sobre escala de energia, principalmente quando falamos em escalas de energia para acelerar partículas. Por definição, 1 eV é a energia cinética (energia convertida em movimento) que 1 elétron ganha quando é acelerado por uma diferença de potencial elétrico de 1 Volt no vácuo.
Só pra dar uma ideia:

  • a tomada da sua casa tem uma diferença de potencial de 110 Volts para acelerar milhares de elétrons presentes nos fios de cobre da sua instalação elétrica.
  • no CERN, o acelerador de partículas mais importante do mundo, cientistas atingiram o recorde de 13 TeV (1012 eV) numa colisão entre dois feixes de partículas. Ou seja, eles produziram energia suficiente para acelerar 13 trilhões de elétrons com uma diferença de potencial elétrico de 1 Volt no vácuo!

A escala de energia da nucleossíntese do Big Bang, evento que vamos falar a seguir, é de milhares de elétron-volts, 1 keV a 100 keV (103 eV) e a temperatura entre milhões e bilhões de Kelvins!

Figura 2: Tabela periódica com elementos produzidos na natureza e legenda representando os eventos que os produzem. Em azul, nucleossíntese do Big Bang; em verde, a morte de estrelas de baixa massa; em rosa, fissão de raios cósmicos; em dourado, explosão de estrelas massivas; em roxo, colisão de estrelas de nêutrons; e em cinza, explosão de anãs brancas. Créditos: Wikipedia/Jennifer Johnson (OSU).

 

Evento: Nucleossíntese do Big Bang

Quando aconteceu: nos primeiros 3 minutos de existência do universo, há quase 14 bilhões de anos atrás. E, olha, já tinha acontecido muita coisa nesses 3 minutos: inflação, surgimento dos quarks, depois dos hádrons (prótons e nêutrons são bárions, tipos de hádron). Depois os neutrinos apareceram. Depois léptons, entre eles os elétrons. E, depois de tudo isso, a nucleossíntese aconteceu.

O que é: a nucleossíntese confinou prótons e nêutrons juntos, formando os primeiros núcleos atômicos.

O que foi produzido: Estima-se que o hidrogênio e o hélio constituem, mais ou menos, 74% e 24%, respectivamente, de toda a matéria (bariônica) do universo! E a maior parte do hidrogênio e hélio-4 encontrados no universo foram produzidos durante a nucleossíntese. Assim como pequenas quantidades de deutério (hidrogênio-2) , hélio-3 e lítio-7. Deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7 são isótopos. (No fim do artigo você encontra uma pequena nota sobre isótopos.)

Escala de energia: 109 K a 107 K (100 keV a 1 keV).

Em quanto tempo produziu: uns 20 minutos.

Com que frequência ocorre: o Big Bang é por definição o evento que deu origem a tudo que existe, então ele aconteceu uma única vez. Porém nas teorias de universo cíclico o universo teria tido vários inícios, ou seja, ele se contrai e expande a cada dezenas (centenas?) de bilhões de anos. Mesmo que seja o caso, a cada contração tudo o que existe seria destruído durante o colapso. Então, se o universo for cíclico, ele necessariamente só tem 1 (um) evento de Big Bang por ciclo.

Nos vemos no próximo artigo para falar sobre os elementos produzidos durante a vida e morte de estrelas.
Até lá! 😀


Nota
Isótopos de um elemento químico têm o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Hélio-3 e hélio-4 são isótopos estáveis do hélio; deutério é um dos isótopos instáveis do hidrogênio; e o lítio-7 é o tipo mais comum de lítio encontrado na natureza e é um dos seus dois isótopos estáveis, o outro é o lítio-6.


 

2

Todo o ouro do Universo: colisão de estrelas de nêutrons

A meta hoje é impressionar. É fazer teu queixo cair. Você já deve ter ouvido falar sobre a colisão de estrelas de nêutrons que foi divulgada no mês passado. Nós reunimos a seguir os números mais interessantes dessa empreitada cósmica. #VamoBora!

Ilustração artística da colisão de estrelas de nêutrons.
Créditos: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

1 evento inédito: nós vimos e “ouvimos” a colisão entre 2 estrelas de nêutrons!

20 Km é o raio médio de cada uma dessas estrelas.

1.000.000.000.000 Kg é aproximadamente quanto pesa 1 colher de chá de estrela de nêutrons. Sim! Se fosse possível medir uma colherinha de chá desses objetos, ela pesaria o mesmo que o Monte Everest!

1min e 40 segundos foi o tempo de duração do impacto entre as 2 estrelas.

50 vezes a massa da Terra foi a quantidade de prata produzida durante a colisão,

100 vezes a massa da Terra em ouro e

500 vezes a massa da Terra em platina!

70 observatórios no chão e no espaço observaram o fenômeno.

3.500 cientistas de 910 instituições ao redor do mundo escreveram o artigo sobre a

observação.

R$ 3.200.000.000 é o investimento aproximado da Fundação Nacional de Ciência (NSF/EUA) desde construção em 1990 até 2016 do observatório LIGO, o primeiro a medir ondas gravitacionais.

Isso é ciência que faz os pelinhos do braço arrepiarem, não é mesmo? (Fora quando a gente lembra que o orçamento proposto para toda a pasta do MCTIC em 2018 é R$ 1.680.000.000… Essa dá arrepio… ruim… na espinha…)


Mais ondas gravitacionais!

Ano passado foi divulgada a primeira observação de ondas gravitacionais durante uma colisão de buracos negros pelos cientistas do observatório LIGO. De lá pra cá, a detecção já recebeu prêmio Nobel de Física e mais 4 colisões de buracos negros foram divulgadas (a última em 15/11/17). A coisa já está tão rotina que ninguém se comove mais. Na verdade, tudo está acontecendo conforme o previsto: as observações passam a ser corriqueiras e os dados são coletados sem muito alarde quando os fenômenos e os processos passam a ser conhecidos. As novidades virão quando a análise dos dados trouxer à luz o desconhecido…

E tchan tchan tchan!!! Novidades vieram bonitas e cintilantes no último 16 de outubro com a divulgação da primeira observação da colisão de duas estrelas de nêutrons!

Simulação do giro fatal de duas estrelas de nêutrons.
Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / CI Lab

Na animação acima “as estrelas de nêutrons condenadas giram em direção a sua morte. As ondas gravitacionais (arcos pálidos) sangram a energia orbital, fazendo com que as estrelas se aproximassem e fundissem. À medida que as estrelas colidem, alguns detritos se afastam em jatos de partículas movendo-se a quase a velocidade da luz, produzindo uma breve explosão de raios gama (magenta). Além dos jatos ultra rápidos que alimentam os raios gama, a fusão também gera detritos móveis mais lentos. Um fluxo gerado pela acreção do remanescente da colisão emite luz ultravioleta que se desvanece rapidamente (violeta). Uma nuvem densa de detritos quentes são arremessados das estrelas de nêutrons logo antes da colisão produzir luz visível e infravermelha (azul-branco através de vermelho). O brilho UV, óptico e infravermelho próximo é designado coletivamente como um kilonova. Mais tarde, uma vez que os restos do jato dirigido para nós se expandiram para a nossa linha de visão, os raios X (azul) foram detectadas. Esta animação representa fenômenos observados até nove dias após o GW170817.” (Citação traduzida da descrição do vídeo da animação.)

Nesse caso dois foram os observatórios que detectaram as ondas gravitacionais: o primeiro o VIRGO, na Itália, e depois o LIGO, nos EUA. Nós já discutimos aqui no blog das Cientistas Feministas o que são ondas gravitacionais, porquê elas são bacanas e como esses interferômetros funcionam. Então, vamos partir para alguns detalhes da colisão das estrelas de nêutrons.

 

Diário de pesquisa de 2 estrelas morrendo e 70 observatórios

Há mais de 130 milhões de anos atrás, 2 estrelas de nêutrons, com aproximadamente 20 Km de diâmetro cada, e orbitando uma entorno da outra a 300 Km de distância, começaram a ganhar velocidade (aproximadamente ⅓ da velocidade da luz) enquanto se aproximavam cada vez mais nos momentos que se seguiram a sua colisão.

Muito tempo depois, no dia 17 de agosto de 2017 do calendário terráqueo, o observatório VIRGO detectou o sinal de ondas gravitacionais compatível com o esperado de colisões entre 2 estrelas de nêutrons. E 22 milisegundos depois, o observatório LIGO detectou o mesmo sinal.

“Ouvindo” a colisão de 2 estrelas de nêutrons: reconstrução do sinal de GW170817.
Presta atenção depois dos 50s!
Créditos: LIGO/University of Oregon/Ben Farr

 

Em menos de 1,7 segundos depois (de VIRGO), o telescópio espacial Fermi (NASA/EUA) detectou um pico fraco de luz altamente energética (raios gama do espectro electromagnético).

 

Comparando sinais: Observe que o pico no sinal de raios gama detectado pelo telescópio Fermi/NASA ocorre aproximadamente 2 segundos depois que ondas gravitacionais atingem os detectores do observatório LIGO.
Créditos: NASA’s Goddard Space Flight Center, Caltech/MIT/LIGO Lab

A partir das  informações dos três observatórios foi possível triangular a região no espaço aonde estaria a fonte e, sabendo-se que uma coincidência desse tipo tem 0,2% de chance de acontecer, mais de 70 observatórios na Terra e no espaço receberam as coordenadas para observar o evento. Nas duas semanas que sucederam, o fenômeno foi observado em várias frequências do espectro eletromagnético, além dos raios gama: raios X, ultravioleta, luz visível, infravermelho e rádio. É a primeira vez que vemos (espectro eletromagnético, inclusive visível) e “ouvimos” (ondas gravitacionais) um evento desse tipo. E por isso, o evento de detecção de ondas gravitacionais GW170817 será o marco que deu início a astronomia de multi-mensageiros.  Dá uma olhada na animação anterior simulando os dados obtidos nos 9 primeiros dias.

 

Resultado: Kilonovas trazem ouro, muito ouro! E mais da metade dos elementos da tabela periódica!

É basicamente isso: 54 elementos da tabela periódica ainda não tinham sua origem e/ou abundância confirmada pelos cientistas. Suspeitava-se que fossem formados em eventos tais como colisões de estrelas de nêutrons, mas só agora fomos capazes de ter certeza.

A origem dos elementos do Sistema Solar.
Créditos: Jennifer A. Johnson/The Ohio State University/NASA/ESA

 

Na tabela periódica acima temos indicadas as origens dos elementos: em azul os que foram produzidos durante o Big Bang; em violeta os gerados durante fissão de raios cósmicos; em verde, durante explosão de estrelas massivas; em azul claro, durante explosão de anãs brancas; em amarelo, durante a morte de estrelas de baixa massa; e, finalmente, 54 elementos (todos mais pesados que o zircônio) são produzido em explosões causadas pela colisão de estrelas de nêutrons (kilonovas).

Lembra dos números do início do artigo? Só para se ter uma ideia, foram produzidos em aproximados 1,5 minuto mais 50 vezes a massa da Terra em prata, 100 vezes a massa da Terra em ouro, 500 vezes a massa da Terra em platina, e mais as respectivas proporções dos outros 51 elementos. É estimado que esse único evento de kilonova espalhou mais de R$ 320 octilhões de reais só em ouro pelo Universo, ou seja,

R$320.000.000.000.000.000.000.000.000 !

Com esse dinheiro dava para pagar uns 10 quatrilhões de LIGOs! É orçamento para cada país no mundo ter mais de 50 trilhões de LIGOs! o.O

Ok… Parei aqui com os delírios de grandeza. Na próxima a gente se encontra e conversa mais sobre como os elementos químicos são formados.

—–

Nota: Todas as estimativas feitas no presente artigo usaram as estimativas em dólar oferecidas neste e neste artigos. E, em reais, segundo este. A cotação entre dólar em reais foi estimada em US$1,00 por R$3,20 só a título de ilustração. As fontes já foram também citadas ao longo do texto.

 

0

O som das estrelas

O interior das estrelas ressonam como instrumentos musicais. E apesar de não podermos ouvir, somos capazes de medir as frequências acústicas de tais ressonâncias através de variações de brilho na superfície da estrela.

Imagem modificada. Fontes originais: NASA e Letra e Palavra.

 

As estrelas são muitas vezes retratadas na literatura como objetos brilhantes, chamas eternas, imóveis e imutáveis. E de todas as maravilhas que os poetas já nos fizeram imaginar sobre esses astros celestes a astronomia e a astrofísica também não ficaram atrás no quesito beleza poética: estrelas irradiam, giram, vibram, explodem, dão vida*. E também cantam!

Pera lá! Vamos explicar isso.

Estrelas são complexos objetos compostos de fluidos no estado de plasma (Plasma é um estado da matéria como sólido, líquido e gasoso). E, tal como qualquer fluido não estático, a superfície das estrelas está sujeita a constantes turbulências. Essas turbulências geram vibrações que podem se propagar pelo interior da estrela. Nem toda a vibração gerada na superfície consegue se propagar. Mas as que conseguem, criam oscilações ressonantes dentro da estrela! E são essas oscilações que estamos chamando de “som das estrelas”.

Tais oscilações ressonantes do ponto de vista físico são equivalentes às produzidas por um instrumento musical de sopro: o ar vibra no interior da flauta e o flautista escolhe as notas — as frequências ressonantes — que irão modular as vibrações. Essas frequências ressonantes (“notas”) propagadas no interior estelar dependem do tamanho, da densidade e da rotação da estrela. Ou seja, oferecem uma abundância de informações sobre o interior desses astros celestes!

Cada onda sonora que se propaga no interior estelar produz uma mudança ritmada no brilho da estrela. Suas frequências variam de alguns minutos (no caso de estrelas tipo o nosso Sol) para algumas dezenas de dias, no caso das gigantes vermelhas. Esse estudo em si não é novo (1985) e chama-se asterosismologia. E mais antigo ainda (1977) é o estudo de oscilações acústicas somente sobre o Sol: heliosismologia.

Acontece que o estudo da asterosismologia ficou por décadas restrito a algumas poucas estrelas. Até que isso mudou com a chegada dos telescópios espaciais CoRoT, em 2006 e Kepler, em 2009. Ambos projetos com o objetivo principal de procurarem por exoplanetas (veja referências ao fim do texto) e exatamente por isso capazes de medir sinais de baixa amplitude, como é o caso das ondas acústicas do interior estelar. Como resultado, produziram uma enormidade de dados para a asterosismologia!

Nunca antes foi possível obter dados sobre a massa, a densidade, a rotação e a composição de tantas estrelas! Saltamos de algumas dezenas para algumas centenas de estrelas com a variação de brilho mapeada. Nunca antes foi possível checar teorias de evolução estelar com tanta precisão, e nem modelos termonucleares de criação de elementos pesados!

E você futura astrônoma ou jovem astrônoma fique ligada nas próximas décadas que prometem revolucionar o estudo da evolução estelar. Por conta da “onda” de procura por exoplanetas, vários dos projetos de observação astronômica que serão lançados na próxima década também irão tomar inúmeros dados sobre ondas sonoras estelares.

Teremos por aí vários telescópios espaciais: o PLATO, PLAnetary Transits and Oscillations of stars, a ser lançado pela Agência Espacial Europeia (ESA) em 2024; e dois telescópios da NASA, o TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite e o JWST, James Webb Space Telescope, ambos com lançamento previsto para 2018. Além de  telescópios terrestres como o E-ELT (European Extra Large Telescope) da ESA, com início de operações previstas para 2024.

Lembrando que tem sempre muita coisa na ciência para produzir antes, durante e depois desses projetos. Então, aproveita que a hora tá boa para você, jovem maestra das estrelas! 😉

Nota:

* “Estrelas irradiam, giram, vibram, explodem, dão vida”. Vamos explicar a frase para não deixar ninguém boiando.

As estrelas irradiam luz no espectro visível (a luz amarela que vem do Sol, por exemplo) como em vários outros comprimentos de ondas eletromagnéticas. Na verdade, a maior parte irradiada não nos é visível. Daí o uso de telescópios e outros instrumentos para medir toda essa variedade.

Elas também giram em torno do próprio eixo de rotação e também transladam em torno do núcleo da galáxia a qual pertencem.

Como mencionamos no texto, estrelas vibram, expandem e se contraem por diferentes razões durante toda sua vida. Seja por conta de turbulências do plasma na sua superfície ou ressonâncias no seu interior.

E, sim, dependendo da fase da vida da estrela, ela explode para tentar restabelecer seu equilíbrio hidrostático. O final da vida de estrelas muito massivas é marcado pela explosão mais sensacional do universo (literalmente!) conhecida como supernova.

Por último, mas não menos relevante ou poético, no interior estelar são formados os elementos necessários ao surgimento da vida. Mesmo que existam formas de vida que não conhecemos, os elementos químicos fundamentais foram criados através de processos termonucleares dentro de estrelas ou através da sua explosão final.

Referências:

Para mais sobre exoplanetas:

Coluna Astronomia: Sistema Triplo e Aliens. Em Cientistas Feministas. 2016.

Feliz Aniversário, 51 Pegasi b!!!!! Em Cientistas Feministas. 2015.

Planetas gêmeos. Jodie Foster. Stephen Hawking e o escaneamento completo do nosso

0

Luz superfluida: conheça e entenda porque ela pode mudar os meios de comunicação

Super Duper Luz! É que nem a música: a luz sai transbordando (de amor) por aí!

 

Se você já leu algum dos meus textos deve ter notado que eu gosto muito de assuntos super maneiros! E hoje, para variar um pouco, vou te contar sobre outra coisa… também super!

Superfluidez é show! Mas vamos revisar umas paradas antes…

Primeiramente, fora temer! vamos lembrar que existem quatro estados da matéria: sólido, líquido, gasoso e plasma. Na definição básica, fluido é toda a substância que se deforma continuamente quando a gente aplica tensão. Por exemplo, fluidos tomam a forma do recipiente que os contêm. A água toma a forma do copo ou da jarra; o ar preenche todo o espaço disponível para ele, seja uma caixinha ou uma sala. Sendo assim, 3 dos 4 estados da matéria podem ser fluidos e são eles os estados líquido, gasoso e plasma. Beleza? Beleza, então!

E viscosidade? A gente mede a viscosidade de um fluido para saber o quanto ele se deforma quando uma tensão é aplicada sobre ele. Vou te fazer outra pergunta. Quem é mais espesso: água ou mel? Aí você me responde: Mel é bem mais espesso que água, mais grosso. É isso! Um que fluido é mais viscoso, mais espesso que outro, precisa que a gente aplique mais tensão (força!) para ele escorrer. Você faz menos força para tirar o ketchup do pote quando põe um cadinho de água lá dentro pra diminuir a viscosidade. Ahá! Sim, você mistura água para alterar a viscosidade do ketchup! Segundo parágrafo e a sua experiência colocando ketchup no hambúrguer nunca mais será a mesma!

Bom, recapitulando. Fluidos podem ser líquidos, gasosos ou plasmas. Viscosidade é o quanto de tensão (força!) um fluido precisa para se mover sobre uma superfície.

Agora, sim! Superfluidez, minha gente!

Em condições extremamente especiais um fluido pode se comportar como se tivesse perdido TODA a viscosidade! Sem paradas, sem barreiras! Transbordando muro afora! E isso é legal porque se um fluido perde a viscosidade, ele não perde energia por conta do movimento (energia cinética). Então, imagina água escorrendo rio adentro sem perder velocidade, tão rápida quanto quando caiu da cachoeira, não importando se tem pedras no caminho ou nada. Ela fluiria perfeita, sem fazer uma ondinha sequer, nem nas bordas! Imaginou? Assustador, né? Ainda bem que água não é o tipo de fluido que pode fazer isso.

Mas, na década de 1930, cientistas descobriram que o hélio líquido apresenta esse comportamento sinistro quando sua temperatura está próxima de -273 graus Celsius, o famoso zero absoluto! Nesse caso, o hélio líquido transborda todo o recipiente, não existe barreira para ele, não tem frasco que o detenha! A essa fase especial da matéria deram o nome de superfluidez. E haja condição especial para isso acontecer, não é mesmo?

Isso acontece porque, quando a temperatura do hélio líquido fica próxima do zero absoluto, as características quânticas de cada um dos seus átomos começam a sobrepor umas às outras, como se elas fossem se somando. E o conjunto de átomos, agora todos com a mesma energia, passam a agir como se fossem um único átomo, como se fosse formassem um fluido de uma partícula só. Cientistas chamam esse efeito de condensado de Bose-Einstein: todas as partículas de um fluido ficam presas no mesmo estado fundamental, que é o estado de energia mais baixa daquele sistema.

Animated GIF  - Find & Share on GIPHY

O Bose. O Einstein. BAM! Condensado! #sqn

Luz pode se comportar como onda, partícula E fluido!

Nessa época de 1930 a galera imaginava que a luz também pudesse ter estado superfluido, sem viscosidade nenhuma. Mas não conseguiram provar muita coisa.

Só em 2010, Patricio Leboeuf e Simon Moulieras conseguiram mostrar (nesse artigo) que, se a temperatura for muito próxima do zero absoluto, a luz pode apresentar estado de superfluidez quando propagada num meio não linear. (Vamos simplificar a vida e dizer que meio não linear é um meio cheio de imperfeições. O tamanho das imperfeições é da mesma ordem do objeto que atravessa o tal meio. No nosso caso o objeto é a luz e o tamanho é o comprimento de onda dela. Lembra que a luz tem diferentes frequências? Rádio, luz visível, raio-x, etc são frequências e cada uma tem seu comprimento de onda.)

Semana passada, um pessoal da França e do Canadá publicaram um artigo na Nature mostrando que *música de suspense* a luz pode apresentar estado de superfluidez a temperatura ambiente!!! Uau, né não?

Pensa que toda a informação transmitida (toda, toda mesmo) é transmitida na forma de luz (na maioria das vezes em frequências que não podemos ver, mas ainda sim é luz). Agora, pensa o quão maravilhoso seria a informação ser transmitida sem perder energia por conta de impurezas, ignorando o nozinho na fibra ótica ou os grãos de poeira do caminho. Foi isso que esse pessoal descobriu que é possível: luz passando pelos fios e cabos como se nada pudesse pará-la ou mudar a informação contida nela. Tudo isso acontecendo em temperatura ambiente, sem necessidade de -273 (loucos) graus Celsius!

Ok! Na verdade, na verdade o que eles mostraram é que isso é possível. No experimento, o pessoal do Canadá colocou um filme orgânico ultra fino entre dois espelhos super refletores. E quando a luz passava pelo filme, refletindo de um lado para outro por causa dos espelhos, eles obtiveram um fluido híbrido composto de matéria (do filme) e luz. Essas partículas híbridas têm o nome (engraçado) de excítons.

Essa imagem é do trabalho do pessoal do Canadá. Você está vendo uma representação do que acontece quando excítons encontram um obstáculo no regime supersônico (acima) e no regime superfluido (abaixo). Crédito: Polytechnique Montréal.

E dá-lhe de trabalho para fazer daqui por diante! Porque o mais importante era conseguir provar que era possível. Nos próximos anos vai ter gente investigando superfluidez à temperatura ambiente para outros tipos de partículas híbridas (sim, existem outras!). Outros grupos vão procurar à temperatura ambiente mas com a luz passando por meio não lineares, completando o trabalho do Simon e do Patricio. Muito mais coisa que eu nem sei vai vir por aí. Mas uma coisa é certa: luz superfluida estará um dia modificando nossos meios de comunicação. E, com sorte, a gente vai ver acontecendo.

 

Referências:

Physicists show that superfluid light is possible”. Phys Org. 2010.

A stream of superfluid light”.Science Daily. 2017.

 

1

Sobre legos que soltam puns quânticos ou a teoria da gravitação emergente

 

Cientistas também adoram bafão de novas descobertas e reviravoltas teóricas! Igual acompanhar celebridade em reality show!

Existe uma teoria da gravitação que, até então, é usada com a principal descrição dos fenômenos governados pela atração (ui!) que todos os corpos (ui, ui, ui!) sentem entre si. Em resumo, qualquer coisa que tenha matéria e/ou energia atrai e é atraída por outras coisas com matéria e/ou energia: átomos, pessoas, estrelas, abelhinhas, galáxias, etc. Claro que cada caso é um caso. Dependendo do tipo de estudo podemos fazer aproximações ou mesmo desconsiderar efeitos gravitacionais. Em outras situações, a força da gravidade é tão super intensa que, para podermos entender o quê está acontecendo, a gente não descarta nem um partezinha dos cálculos. Mas, no final das contas (ou melhor, pra fazer contas), quando falamos de gravitação, falamos na teoria de Einstein: massa e energia criam (e sentem) atração por outros objetos com massa e/ou energia.

Qual é a treta? (Porque o mundo não é mundo se não rolarem umas tretas…) As tretas no caso são fenômenos que a teoria da gravitação do Einstein (que daqui por diante vamos chamar de TGE) não consegue explicar. As tretas mais pops são a energia escura e a matéria escura. Têm outras tretas também. Tem treta que uma galera chama de treta enquanto outra galera vai dizer que é mimimi… ¯ \ _ (ツ) _ / ¯

Enfim, voltando as tretas! Tipo, se a gente contar tooooda a matéria e energia que existe e usarmos a TGE (sim, temos maneiras diferentes de fazer essa contagem), as cientistas e os cientistas não conseguem explicar a expansão acelerada que observam no Universo. Daí, a energia escura entra em cena como a responsável pela aceleração e o nome escura foi dado porque, a princípio, ela não é observável de nenhuma outra forma a não ser nesse contexto em que falta alguma coisa pra explicar essa aceleração…

Já a outra treta, a matéria escura, foi formulada porque quando a gente conta a matéria (a massa) nas galáxias e nos conjuntos de galáxias e comparamos com a velocidade das estrelas nessas mesmas galáxias, os cálculos da TGE não fecham e a impressão que dá é a que deveria ter mais matéria nas galáxias e afins pra justificar a velocidade das estrelas… a não ser que (música de suspense) exista uma matéria extra, uma matéria adicional, que não interage do jeito usual (a galera chama matéria usual de matéria bariônica). Eis aqui, amiguinhas e amiguinhos, que essa matéria extra é a badalada matéria escura!

E essas são duas das tretas mais tensas da física. Tem gente que procura matéria escura, tem gente que trabalha sugerindo correções na TGE e tem gente que busca novas teorias para substituir a TGE e que sejam capazes de resolver as tretas.

Tem também uma treta monumental que diz respeito ao fato da TGE e a teoria quântica não se darem muito bem. Veja, essas duas teorias (quântica e TGE) são capazes de descrever inúmeros fenômenos que observamos na Natureza e, por isso, são consideradas tipo as pedras preciosas da física, e quiça da ciência! Só que quando a gente tenta descrevê-las com a mesma formulação, o negócio dá ruim… Mas dá ruim de um jeito que mané acha que a teoria quântica não está apresentada na melhor formulação possível. Tem gente que se ler essa última frase vai ter vontade de virar a mão na minha cara (figurativamente, eu espero) e vai dizer que é óbvio que o problema é na TGE. E têm outros ainda que vão fazer facepalm e dizer que nenhuma nem outra tem formulação ideal. Mas todos vão concordar que os resultados da TGE e da teoria quântica devem ser reobtidos por qualquer teoria que ouse redescrever uma ou ambas teorias.

Nesse contexto surge a teoria das cordas. Essa teoria propõe uma unificação entre a descrição quântica e a gravitacional, na qual as partículas elementares (em descrição unidimensional) são representadas como cordas (em duas dimensões) e, assim, características como a carga e a massa são observadas do ponto de vista unidimensional enquanto uma das vibrações da corda estaria associada ao gráviton, que é a partícula quântica responsável pela força gravitacional.

Tá! Ufff… (respira!) Aí que lá por volta dos anos 90, uns caras chamados t’Hooft e Susskind estavam estudando como buracos negros perdem energia. Sim! Aquele papo de que “nada escapa de um buraco negro” não é bem assim… Buracos negros soltam uns punzinhos quânticos vez ou outra, conforme previsto pela radiação Hawking. (Ou não soltam! Mas essa não é treta pra hoje). Mas, então, foi estudando a radiação emitida pelos buracos negros que esses caras (cada um no seu quadrado) desenvolveram o princípio holográfico. Esse princípio é formulado dentro da estrutura da teoria de cordas e diz que toda a informação no Universo pode ser descrita em uma superfície de 3 dimensões. Se lembrarmos que a TGE é descrita em 4 dimensões (3 representando o espaço e 1 para o tempo), o princípio holográfico nos diz que a 4 dimensão nada mais é do que um reflexo da informação contida em outras 3: ele reduz as dimensões nas quais a informação está contida.

Do princípio holográfico sai um monte de coisas legais. Uma delas é a teoria da gravitação emergente do físico Erik Verlinde, da Universidade de Amsterdã. Em 2010 ele publicou um artigo apresentando uma nova teoria da gravitação combinando o princípio holográfico e, por consequência, a teoria de cordas. Para gente entender qual é o grande barato da teoria emergente é importante lembrar que os cientistas descrevem o mundo (tudo o que existe!) através de 4 forças fundamentais: força fraca, força forte, força eletromagnética e força gravitacional. Ou seja, para ciência, qualquer coisa que exista sente uma ou mais das forças fundamentais. Aí, Verlinde pega e diz: “olha, gente, a força da gravidade não é fundamental não. Na verdade, o espaço-tempo é formado por uns uns bloquinhos, um legos pequeninhos de informação que a gente não detecta mas que tão lá. Quando esses legozinhos de informação interagem entre si, a temperatura deles aumenta e isso gera um efeito que, em larga escala, a gente mede como interação gravitacional. Ou seja, a gravitação é apenas o efeito que emerge dos punzinhos quânticos que os legozinhos de informação soltam quando interagem uns com os outros!”. (Som de cérebros explodindo).

Infelizmente o Erik não disse isso com essas palavras (apesar de que seria muito legal) e se você quiser dar uma olhada no texto original (em inglês), clica aqui. Depois disso, no final de 2016, Erik sacudiu o mundo de novo com uma nova notícia. Ele usou a teoria emergente para calcular a velocidade das estrelas ao redor da Via Láctea e também de algumas outras estrelas em outras galáxias e encontrou resultados que estão super de acordo com as observações! E isso sem usar hipótese da matéria escura!!! Geral ficou empolgadaço! Você se lembra, né? Quando a gente tava falando das tretas lá em cima, a matéria escura é uma das tretas cabeludas que a TGE não dá conta. E, conseguir resolver isso, assim, na elegância teórica, é muito bonito. O texto original tá em inglês aqui.

Então, tá resolvido? A teoria emergente vai substituir a teoria da gravitação do Einstein? Talvez sim, talvez não. Tem muito mais angu nesse caroço. De fato alguma ideia (ou muitas) um dia servirão para explicar os fenômenos quânticos e gravitacionais através do mesmo formalismo. Mas hoje não. Pode ser que a teoria emergente dê uma boa direção às próximas pesquisas e pode ser que ela própria seja a substituta da TGE. Ou não! Por enquanto o que dá para dizer é que tem uma galera muito empolgada trabalhando nessa ideia. E era essa a fofoca que eu queria contar para vocês 🙂

O que a gente diz para uma teoria que tenta substituir a teoria da gravitação de Einstein? — Hoje não!

1

Para lembrar quando faltar coragem

[Aviso: O sexismo enfrentado por mulheres tem aspectos distintos e agravantes dependendo da sua classe social, meio cultural, raça, religião, orientação sexual, restrições físicas e/ou psicológicas. Nesse texto, entretanto, por simplicidade, tratamos da questão de gênero na ciência, em particular, na área de física, de maneira binária: mulheres e homens. E, além de poucas citações superficiais, também não estão representadas questões raciais e religiosas.]

Ao contrário do que se imagina, numa sociedade com o mesmo recorte cultural, o machismo não diminui quanto maior o nível educacional dos indivíduos, e, sim, transfigura-se em formas mais elaboradas de discriminação. A vivência dentro da academia não é imune às suas construções sociais e reflete a estrutura patriarcal na qual as ciências foram concebidas. Nós, mulheres, enquanto cientistas, devemos nos enquadrar em sistema feito por homens e para homens. Isso cria desafios particulares para mulheres que desejam seguir carreiras científicas, que já começam em desvantagem com relação as dos seus colegas do sexo masculino.

A mentoria, por exemplo, é extremamente importante para todo jovem cientista, seja como forma de obter treinamento na sua área de especialização, como para ter acesso a rede de colaborações. Ela é, principalmente, o mecanismo pelo qual se aprender toda a parte não escrita sobre o funcionamento do mundo acadêmico: negociar com outros cientistas, apresentar trabalhos, pleitear verbas, oportunidades em projetos, etc, fundamentais para o avanço da carreira. Poucas mulheres usufruem dessa rede de oportunidades através de mentoria, enquanto o engajamento, histórico e estrutural, entre os homens leva-os a carreiras mais bem sucedidas.

Foi pensando em um ambiente que proporcionasse troca de experiências entre jovens mulheres cientistas que a Dra. Elizabeth Simmons da Universidade Estadual de Michigam (E.U.A.) e Dra. Shobhana Narasimhan do Centro de Pesquisa Cientifica Avançada Jawaharial Nehru (Índia) idealizaram um workshop focado no desenvolvimento das carreiras das jovens pesquisadoras na área de física. As duas foram colegas de pós-graduação durante o doutorado na Universidade de Harvard (E.U.A.), entre o final da década de oitenta e o início dos anos noventa. Das conversas entre as duas amigas, elas perceberam que mulheres cientistas, sendo poucas, enfrentam um certo isolamento e possuem poucos espaços para networking, troca de experiências e meios de adquirir certas habilidade não-acadêmicas, as quais seus colegas homens têm acesso tão facilmente através do “clube dos meninos”.

E, assim, foi criado o “Workshop para Desenvolvimento das Carreiras de Mulheres em Física”, com duas edições realizadas num dos institutos de física teórica mais respeitado do mundo, o Centro Internacional de Física Teórica. A última edição, em 2015, contou com 16 palestrantes, a maioria absoluta de mulheres e físicas, e 45 participantes vindas de 26 países e, sim, vou listar porque só a lista de países por si só já é linda: Alemanha, Armênia, Argentina, Benim, Bielorrúsia, Botswana, Brasil, Camarão, Canadá, Cuba, Egito, Gabão, Gana, Índia, Itália, Irã, México, Nigéria, Palestina, Paquistão, Quênia, Senegal, Sri Lanka, Sudão, Turquia e Ucrânia. Imagina só: você entra num auditório. Tem mais de 40 cientistas em física. TodAs mulheres! E a maioria absoluta não é branca! Com muçulmanas, cristãs, atéias trabalhando juntas! Você nem consegue imaginar, não é? Eu vi! Eu vi, gente! Eu estava lá! *_*

Nessa atmosfera multicultural, multirracial, multirreligiosa, nós tivemos a oportunidade de discutir sobre as melhores formas de apresentar currículos, negociar financiamento de pesquisa, escrever propostas, entre outros tópicos. E, também, pudemos tratar sobre aspectos diretamente ligados com as dificuldades de sermos mulheres enquanto cientistas (e vice versa!). As organizadoras convidaram ainda cientistas reconhecidas internacionalmente como Dama Dra. Jocelyn Bell Burnell, que descobriu as primeiras estrelas de nêutrons e Dra. Sossina Haile, uma das pioneiras em células de energia limpa, cujas palestras inspiradoras mesclaram depoimentos pessoais e percurso acadêmico.

—–

Era mais fácil me darem parabéns pelo meu noivado do que pela minha descoberta científica.” — Jocelyn Bell Burnell sobre a época de seu doutorado na Universidade de Cambridge (Inglaterra).

Jocelyn montou o rádio telescópio que detectou as primeiras estrelas de nêutrons, sendo dela a descoberta das quatro primeiras. As características não usuais desses objetos causaram tanta comoção que até o seu supervisor, Antony Hewish, desacreditou os dados. Bell Burnell defendeu a tese (1968) mesmo sem o apoio do seu orientador.

Em 1974, Hewish divide o prêmio Nobel Prize de física com Martin Ryle, ignorando as contribuições de Bell. O prêmio desse ano ficou conhecido como “No Bell” (Sem Bell, em tradução livre)…

—-

“Eu era a única mulher na minha turma. E toda a vez que eu entrava na sala de aula, meus colegas batiam os pés no chão até eu sentar.” — Jocelyn Bell Burnell sobre sua graduação em Glasgow (Escócia) na década de 1960.

—-

“Perdi as contas de quantas vezes eu entrei numa sala de reunião e me pediram para trazer o café.” — Sossina Haile, pioneira na pesquisa com células combustíveis.

—-

“Uma vez um estudante entrou no meu escritório procurando pelo Prof. Haile. Nós começamos a conversar e ficou claro que ele achava que eu era a secretária do Prof. Haile. Em algum momento ele perguntou se o Prof. Haile estaria interessado na supervisão de novos alunos, como ele. Eu disse: “Hum… Eu acho que não…”. (risadas!) “E essa é uma das formas que encontrei de enfrentar situações de sexismo ou racismo.” — Sossina Haile

—–

O clima do evento foi de confissões, desabafos e histórias de superação. Tivemos mesas redondas, dinâmicas de grupo, grupos de trabalho, além de palestras e apresentação dos trabalhos científicos das participantes. Foi um evento para levar para vida toda. Com todas essas mulheres fortes contando como lutam todo o dia para fazer ciência, não tinha como não se emocionar e aprender muito: como fazer ciência quando não acreditam em você e no seu trabalho porque você é mulher, porque você é negra, porque você é muçulmana, porque o seu país está em guerra. Como fazer ciência quando ao seu redor as pessoas esperam que você, antes de tudo, seja mãe e esposa. Como fazer ciência quando você é a responsável pelos familiares doentes. Como fazer ciência quando se é pobre… Como fazer ciência depois do abuso verbal, depois do abuso sexual… Como fazer ciência quando se está só… Uma mulher faz ciência simplesmente porque ela quer, mas ela precisa de coragem para continuar.

Algumas de nós engajadas em projetos voltados para atrair meninas para carreiras em física e matemática. Outras, trabalhando em políticas de inclusão e de incentivo à permanência de mulheres na carreira científica. Outras de nós, abertamente feministas. Outras, nem tanto. Todas, porém, reconhecendo duas razões principais para estar ali, naquele workshop. Primeiramente, para aprender mais sobre como o sistema acadêmico funciona e, assim, ter recursos não apenas para permanecer dentro dele, como também crescer e, eventualmente, ocupar posições de prestígio, na academia ou até mesmo fora dela. E, em segundo lugar, uma vez como cientistas, pesquisadoras e professoras, melhorar o sistema para as garotas que escolham carreiras científicas tenham vidas melhores do que as nossas.

Todas nós, apesar de diferentes culturas, raças e religiões (ou não religiosas), nos vimos unidas enquanto mulheres e cientistas. E, não importa em que lugar do mundo a gente viva, agora nenhuma de nós luta sozinha, no isolamento dos nossos departamentos. Nós lutamos juntas!

“Quando era jovem, eu não me considerava feminista. O meu feminismo surgiu ao longo dos anos. Agora, quanto mais velha eu fico, mais feminista também. Hoje eu sou GRRRR!!! feminista!” — Dame Dra. Jocelyn Bell Burnell

—–

Links interessantes (foi mal, mas é tudo em inglês :/ ):

Se você está no doutorado ou tem doutorado em física, super recomendo que você acompanhe os programas do Centro Internacional de Física Teórica para mulheres.

Gostou da Liz e da Shobhana? Então, dá uma olhada aqui na entrevista que elas deram ano passado.

Mais sobre energia limpa e Sossina Haile na website do The Haile Group.

0

Super Lua, sim! Mas pera lá…

Todo o ano rola um fuzuê danado quando anunciam o dia que uma das fases de Lua cheia estará mais próxima da Terra. E esse ano, com o anúncio da mais brilhante Super Lua dos últimos 68 anos, a galera foi ao delírio. E dá-lhe de fotinhas nas internet!

Mas, qual é a dessa de Super Lua? Assim como todos os outros planetas e satélites, a Lua descreve uma órbita elíptica (tipo uma forma oval) em torno da Terra, ou seja, em dado momento a Lua encontra-se na posição mais próxima da Terra (periélio) e em outro momento (quase uns 7 meses depois) encontra-se na posição mais distante possível (afélio). Já a fase de Lua cheia é quando vemos toda a face da Lua iluminada pelo Sol. E a Super Lua, enfim, é como conhecemos a fase de Lua cheia com a menor distância entre a Terra e a Lua.

E qual é o barato da Super Lua de 2016? Em comparação com a menor Lua cheia desse mesmo ciclo lunar, a Super Lua desse ano apareceu em torno de 14% maior e 30% mais brilhante. Diferenças boas se não fosse o fato de terem acontecido a quase 7 meses atrás, que não acontecem de um dia para outro. Elas vão acontecendo ao longo de meses e meses. Então, de um dia para o outro, literalmente, se você olha para a Lua hoje e olha de novo amanhã, você não notará muita diferença :/

O círculo da direita é 14% maior e 30% mais brilhante do que o da esquerda. Só que, no caso da Lua, ela foi a cada dia ficando um pouquinho mais brilhante e um pouquinho maior do que no dia anterior, num processo de mais ou menos seis meses e um cadinho.

O círculo da direita é 14% maior e 30% mais brilhante do que o da esquerda. Só que, no caso da Lua, ela foi a cada dia ficando um pouquinho mais brilhante e um pouquinho maior do que no dia anterior, num processo de mais ou menos seis meses e um cadinho.

“Ah, mas e aquelas fotos iradas que o pessoal tira durante as Super Luas? A Lua tá sempre impressionante!”, você pode dizer. Mas, aí é que tá! Se você acha isso é porque não presta muita atenção na Lua cheia outras vezes XD Ou, talvez, não more num lugar que te permita admirar o céu a noite, e aí você fica “refém” das notícias e imagens de Super Lua e com a impressão de que ela é realmente “super”!

Se você, por outro lado, tá sempre de olho no céu noturno e curte uma observação mais cuidadosa da Lua, pode achar o contrário, que não consegue notar muita diferença entre a Super Lua e outras fases de Lua cheia. E você estará com toda razão! Não é coisa que dê para notar a olho nu, assim, sem medir nada.

Então, para quem está frustado porque perdeu a maior Lua dos últimos 68 anos, não fica triste não. Você sempre pode dar uma olhadinha despretenciosa no céu numa Lua cheia genérica e curtir a vista. Aproveite principalmente se você estiver numa região com pouca luminosidade e sem prédios ou árvores para conseguir ver a Lua no horizonte toda bonitona. Vai aproveitando de Lua cheia em Lua cheia, de Super Lua em Super Lua até chegar a Super Lua tão “super” quanto a de 2016, em novembro de 2034.

Mais informações legais:

0

Semeando buracos negros supermassivos (a.k.a os boladões)

Sugestão da autora: Ei, você! Esse texto tá cheio de links! Mas, relaxa aí, que dá para ler tudo de boa, sem comichões e sem abrir mil abas no seu navegador/browser. Vlws, flws!


Boladão

Boladão “thug life”. Duas imagens sobrepostas. A imagem original é uma representação artística de um buraco negro supermassivo rodeado por um disco de matéria que caí sobre ele. Créditos: NASA / JPL-Caltech. Veja a original aqui: http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia20051-nustarsolo.jpg. A segunda imagem é de um óculos tipo “thug life”.

Buracos negros são a fase final da vida de estrelas com mais de 20 vezes a massa do Sol (ou mais de 20 massas solares, certo?). Sem entrar em detalhes, quando esse tipo de estrela atinge o ápice da fissão nuclear e explode em uma supernova há duas alternativas para o quê sobra da estrela moribunda. Ou ela vira uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Esse cara, o tal do buraco negro, só tem características bizarras. São objetos extremamente densos, produzindo campos gravitacionais fortíssimos. Imagina um objeto com 10 vezes a massa do Sol em uma trouxinha de 30 Km. Sim! Trinta kilômetros! [Pausa] Pois é! Eles também não emitem luz, ou seja, como a luz viaja com a velocidade mais rápida do Universo e se nem ela é capaz de escapar do buraco negro (uma vez sobre o efeito do campo gravitacional desse carinha), então nada escapa dele! Nada! * E se não sai luz, não sai informação sobre o quê tem lá dentro do buraco negro (ou se tem dentro, lá… #piração).

* Ok! Não é bem assim a história… Buracos negros podem perder massa ao longo do tempo e “evaporar”, num processo processo chamado radiação de Hawking. Mas, essa é uma outra história, uma história quântica. Esta notinha é só para você saber (lembrar?) que nem tudo e preto no branco. E nem mesmo buracos negros são completamente negros (figura de linguagem)  😉

Até agora, falamos sobre buracos negros estelares, formados ao final da vida de estrelas massivas. Mas há uma outra espécie de buracos negros! Essa espécie não é densa como a anterior, mas também não emite luz e são muito muuuuito maiores que os estelares! Tipo, buracos negros estelares têm da ordem de dezenas de vezes a massa do Sol e um diâmetro de dezenas de Km. E essa outra espécie tem… [Pausa dramática] entre um milhão a centenas de bilhões de vezes a massa do Sol empacotados entre uma centena de milhares de Km a algumas dezenas de bilhões de Km! Wowwww!  😮 (Agora fica por sua conta estimar e comparar a densidade dos bichos. Ou não. Hehe!) Esses caras, chamados de buracos negros supermassivos, estão presentes no núcleo de quase todas as galáxias e ninguém tem certeza de como um bichão desses pode se formar no universo. [Pausa reflexiva] “Como?” é a pergunta que o pessoal da astrofísica se faz todo o dia quando acorda até a hora de dormir: Como os boladões surgem no universo? [Mais pausa reflexiva]

Por amor às batatinhas chips! Se você ainda não se impressionou, esquece esse texto e vai fazer outra coisa. Sei lá! Ouve uma música:

Voltando aos buracos negros supermassivos ou aos Boladões, como apelidamos esses caras.

Então, o pessoal da astrofísica tem algumas ideias de como os Boladões podem ser formados, ideias sobre o que pode ter sido a “sementinha” desses caras. A favorita é que objetos compactos cresceram capturando matéria (gás, poeira, etc) que estava dando sopa ao redor deles (se quiser saber mais, dá uma olhada aqui). E esses objetos compactos podem ser estrelas muito massivas, muito antigas que já não existiriam mais no Universo (a, até então, teórica população III) ou objetos formados durante o colapso de estrelas em aglomerados antigos, ou ainda, densas (densíssimas) nuvens de matéria. Em síntese: essas sementes teriam absorvido matéria até atingirem o patamar para se tornarem Boladões.

Tá tudo muito bonito, tá tudo muito bom. Até que o pessoal começou a encontrar Boladões antigos, antigos mesmos. Tão antigos que eles seriam mais antigos do que qualquer um dos três tipos de semente apresentados no parágrafo anterior! [Alerta paradigma! Alerta paradigma!] Pode isso, Arnaldo?

Clique na figura para um wikipédia sobre a idade do universo e como as pessoas medem a idade de diferentes objetos astrofísicos.

Não, não pode! Então, lá vão nossas heroínas e heróis favoritos em busca de outra teoria para explicar os Boladões antigões. Se a chapa já é quente para explicar os Boladões em si, mais tenso ainda é o bagulho para Boladões antigos. Bom, há uma estratégia bastante pop que segue a linha de raciocínio anterior. Os Boladões antigos continuariam a ser formados a partir de objetos compactos que crescem conforme absorvem a matéria ao redor. A questão passa a ser encontrar condições apropriadas nas quais essas sementes seriam formadas sem criar contradições com a idade dos Boladões antigos. E é isso que uma galera anda fazendo pelo mundo a fora: testando sementes e colhendo Boladões (simulando no computador, obviamente). Depois, checando a idade dos objetos simulados com as dos observados no mundo real.

Uma galerinha ousada argumenta que esses objetos compactos teriam sido originados de cordas cósmicas (What!?) formadas logo após a expansão rápida do Universo primordial. Vamos tentar simplificar. Muita gente acredita (isso, claro, baseado na observação e não em crença, certo?) que o Universo teve uma fase de expansão curta, chamada de inflação cósmica. E, por conta dessa transição de fase, foram formadas estruturas lineares muito, muito finas (tipo, tamanho do próton) mas muito, muito longas (tipo, tamanho do Universo), conhecidas como cordas cósmicas (não confundir com Teoria das Cordas! (link) Outro papo para outra hora.). Baseados nisso, uns cientistas do Canadá simularam como seriam os Boladões antigos se fossem gerados por essas sementes de cordas cósmicas. O trabalho original se encontra aqui.

E, aí? Tem mais coisa? Tem! Ô, se tem! Mas, então? Quem tá certo? Ainda não sabemos! E o jeito é esperar mais observações e mais modelos! O assunto não esgota nunca  🙂

Ah! E uma provocação bônus, para finalizar: se os buracos negros estelares têm da ordem dezenas de massas solares e os menores Boladões da ordem de milhão de massas solares, cadê os intermediários? Cadê os buracos negros do meio de campo? Eles não existiram? Por quê não? Eles existiram? Então por que desapareceram? Essas são outras questões queimando a mufa de muita gente…

0

Einstein na crista das ondas

[Atualizado em 20/11/17]

No dia 03 de outubro de 2017, a Academia Real de Ciências da Suécia anunciou que o  Nobel de Física de 2017 iria ser dividido entre Rainer Weiss e a outra metade dividida entre Barry C. Barish e Kip S. Thorne, os três pertencentes à colaboração científica internacional LIGO/VIRGO, “por suas contribuições decisivas ao detector LIGO e a observação das ondas gravitacionais”.

Weiss e Thorne estão trabalhando desde a década de 1970 para tornar possível a detecção das ondas gravitacionais. Weiss, inclusive, criou o primeiro modelo de interferômetro no qual os detectores LIGO são baseados. Barish foi pesquisador principal da colaboração por mais de 10 anos, de 1994 a 2005, e diretor do laboratório LIGO de 1997 a 2005, sendo portanto seu primeiro diretor.

Comemorações à parte, não foi nenhuma surpresa que o prêmio Nobel fosse entregue a representantes do LIGO. A grande questão do ano era exatamente como o comitê do Nobel iria escolher essas pessoas. A observação das ondas gravitacionais tem uma história de mais de 100 anos de pesquisas. Desde a sua predição feita por Einstein em 1916, cientistas do mundo todo deram grandes e pequenas contribuições para a sua descoberta. Só o fato de escolherem indivíduos específicos para premiar, já cria um certo desconforto.

Nas palavras do próprio Thorne: “Eu esperava que o prêmio fosse para a colaboração LIGO/VIRGO, que fez a descoberta, ou para o laboratório LIGO, os cientistas do laboratório LIGO, que criaram e construíram e aperfeiçoaram os detectores de ondas gravitacionais e não para Barish, Weiss e eu. Nós vivemos numa era na qual algumas descobertas gigantescas são realmente o resultado de enormes colaborações, com contribuições relevantes vindo de um número muito grande de pessoas. Eu espero que no futuro o comitê do Prêmio Nobel encontre uma forma de premiar as grandes colaborações que fazem isso e não apenas as pessoas que talvez tenham sido seminais no início do projeto, como nós fomos.”

[Fim da atualização]

 

Dia 11 de fevereiro de 2016 cientistas do mundo todo reuniram-se em anfiteatros, salas de reunião, com grandes telas, com telas de TV ou simplesmente notebooks para ouvir uma das coletivas de impressa mais esperada do século. “Nós detectamos ondas gravitacionais. Sim, nós conseguimos!” (“We have detected gravitational waves. We did it!”, em tradução livre), anunciou o muito entusiasmado (e com razão!) David Reitze, diretor executivo do LIGO diretamente de Washington, D.C., nos EUA.

Mas o que é LIGO? O que são ondas gravitacionais? E, mais importante, por que os cientistas-tá-tudo-chorando-de-emoção a mais de uma semana?

É verdade. Não se falava em outras coisa nas últimas semanas nos institutos e departamentos de física ao redor do mundo. Os primeiros rumores alcançaram ouvidos incrédulos: Não… Deve ser notícia falsa, claro. Depois atingimos o nível de fofoca quente, fofoca com potencial: Fulane ouviu de fulano que fulana viu a medida. Eles estão preparando o artigo! Finalmente, na semana do comunicado oficial dava para ouvir gente gritando pelos corredores: Eu tô tão empolgade!!! E, realmente, gente chorou, gente se emocionou e todo mundo aplaudiu. E o mundo inteiro viu.

Então, vamos lá! Um guia rápido para entender a notícia.

O que são ondas gravitacionais?

Começamos por “coisas” mais comuns. Sabemos que as ondas eletromagnéticas transportam energia (radiação eletromagnética) nas mais diversas frequências, desde ondas de radio (baixa energia), passando pela pequena faixa de comprimentos de onda que conseguimos enxergar (luz) até raios gama (super energéticos). Diferentes eventos produzem diferentes ondas eletromagnéticas, basta acelerar partículas carregadas e voilá!, lá temos ondas eletromagnéticas. Nossos corpos emitem radiação eletromagnética infravermelha, o Sol emite 90% de radiação visível e infravermelha e 10% de ultravioleta ou menores comprimentos de onda, o GPS do seu celular comunica-se com satélites emitindo e recebendo ondas de radio. A ideia é essa: ondas eletromagnéticas transportam energia (radiação) de eventos que produzem campos elétricos e/ou magnéticos.

Ondas gravitacionais, portanto, transportam energia gravitacional. Enquanto ondas eletromagnéticas propagam-se no espaço-tempo, ondas gravitacionais são ondulações do próprio espaço-tempo. Einstein publicou, em 1916, uma teoria para a gravitação, a teoria da relatividade geral (TRG), levando em consideração a relatividade do tempo e do espaço, ou seja, limitando a velocidade de propagação da gravitação. Nessa teoria, a energia gravitacional se propaga com velocidade finita, igual a velocidade da luz. De uma maneira bem simplista, a teoria da relatividade especial (TRE) diz que todos os observadores sempre estão sujeitos as mesmas leis físicas e que a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores e a velocidade máxima de qualquer fenômeno que ocorra no universo. A teoria da relatividade geral (TRG) oferece uma descrição dos fenômenos gravitacionais de acordo com a teoria da relatividade especial. A TRG subtitui a anterior teoria da gravitação de Newton, na qual a força gravitacional se propaga instantaneamente em todo o universo.

Todos os testes a que a TRG foi submetida foram bem sucedidos. Já na sua publicação, a TRG conseguiu explicar a precessão da órbita de Mercúrio, problema não resolvido pela gravitação Newtoniana. Posteriormente, durante o eclipse total de 1919, o primeiro teste foi realizado e, de acordo com uma das predições da TRG, foi observado que a luz curva-se quando passa por uma fonte de gravitação suficientemente intensa: a luz emitida por estrela curvou-se ao passar pelo Sol. Essa correta predição lançou a TRG com força como uma das teorias fundamentais da física. E, conforme os anos passaram, os resultados de outros testes aumentaram cada vez mais o prestígio e a confiança na TRG: precessão do periélio de mercúrio; deflexão da luz pelo Sol; efeito de lentes gravitacionais; o atraso temporal que a luz sofre quando passa próxima de fontes gravitacionais; desvio para o vermelho gravitacional; precessões seculares na órbita de partículas teste que se movimentam ao redor de fontes gravitacionais em rotação (precessão de Lense-Thirring); detecção indireta de ondas gravitacionais através da observação de pulsares binários e a super recente detecção diretíssima de ondas gravitacionais. Você pode ler um pouquinho sobre esses teste aqui (link em inglês).

Por que foi tão difícil detectar as tais ondas?

Durante cem anos as ondas gravitacionais foram aguardadas por uns e questionadas por outros. Cientistas dividiam-se em dois grupos: os que acreditavam que encontrar ondas gravitacionais era uma questão de tempo (e de melhores e mais precisos instrumentos). E os que apontavam a sua não-detecção como indício de que a teoria de Einstein não estaria correta. Os últimos 50 anos foram dedicados a criação e construção de projetos em busca das ondas gravitacionais. As dificuldades técnicas são compreensíveis. Tome a nossa modesta comparação entre ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas, por exemplo. A força eletromagnética é da ordem de 10 elevado a 36 vezes mais intensa que a força gravitacional! É de se imaginar que para observar ondas gravitacionais seja necessário eventos muito muito muito mais intensos e assim obter sinais suficientemente fortes. Porém, eventos intensos são raros e, por isso, difíceis de detectar. Além do mais tem toda a dificuldade técnica de diferenciar que sinal é de quê, uma vez que o sinal de ondas gravitacionais vem “misturado” com outros tantos sinais. E por aí vai.

Em setembro do ano passado, a galera do LIGO (falaremos do observatório mais adiante) detectou um sinal que correspondia exatamente com as predições da colisão de dois buracos negros. Imagina: dois buracos negros separados a uma distância menor do que Rio-São Paulo. Um pesando 29 vezes a massa do Sol. O outro, 36 vezes a massa do Sol. Eles giravam um em torno do outro cada vez mais rápido, se aproximando cada vez mais, com velocidade em torno da metade da velocidade da luz, até que BAM! Eles viram um buraco negro só. As ondas gravitacionais (o sinal medido) desse evento, dessa coisa absurda de poderosa, demorou 1,3 bilhões de anos para chegar até a Terra. Chegou, distorceu o espaço e o tempo, e o LIGO mediu. Sabe o tamanho do sinal? 1 milésimo do diâmetro do próton!!! Minha gente, é muito pequeninho esse sinal! E é por isso que o LIGO tem que ter uma precisão boladona: ele tem precisão suficiente para medir a distância da Terra ao Sol dividindo 150 milhões de kilômetros em pedacinhos menores do que a espessura de um fio de cabelo! E é por isso que os cientistas-chora-tudo-de-emoção. :p

Vídeo da simulação de dois buracos negros colidindo. Esse vídeo é uma simulação de computador do que seria visto na realidade por um astronauta que estivesse perto o suficiente para ver mas longe o bastante para não participar!

Tá… Mas esse tal de LIGO é o quê?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) são dois interferômetros construídos em 1992 com a missão de detectar ondas gravitacionais. Não são os únicos equipamentos no mundo com esse objetivo, mas são os mais precisos e os reponsáveis pela detecção badalada. Os dois interferômetros foram construídos nos EUA e estão separados a uma distância de mais de 3000 Km. Isso porque é necessário que dois instrumentos meçam simultânea e independentemente o mesmo evento para ter certeza que o sinal não é ruído ou outro evento local qualquer (lembra, sinal com 1 milésimo do tamanho do diâmetro do próton…). Se os dois interferômetros medem a mesma coisa ao mesmo tempo significa que o evento tem origem astrofísica, ou seja, vem lá dos confins do universo.

aerial_ligo5_300_Livingston

Esse é o LIGO Livington, cada bracinho desses mede 4 Km. O outro interferômetro fica em Hanford. Créditos: LIGO.

A construção inicial data de 1992, mas claro que já houveram várias alterações e melhorias. A última foi em setembro de 2015, e o LIGO passou a ser conhecido como Advanced LIGO (LIGO Avançado, em tradução livre.) As alterações na precisão foram tão drásticas que muitos apostaram que se ondas gravitacionais não fossem detectadas (e logo!) significaria que o modelo de gravitação do Einstein (a TRG) estaria errado. Detectaram os dois buracos negros colidindo dois dias depois do início das atividades do Advanced LIGO… Para você ver que esse pessoal não está brincando…

interferômetros-esquema

Esse é um esquema simplificado e fora de escala dos interferômetros. Cada braço tem 4 Km de comprimento. O sinal emitido pelo laser chega nas extremidades dos braços e é refletido por espelhos que encontram-se nas extremidades e no “cotovelo” entre os braços. Quando as ondas gravitacionais passaram pela Terra, um dos braços do interferômetro encolheu enquanto o outro esticou, isso durante o primeiro ciclo de onda. No segundo ciclo, o braço que havia esticado encolheu e o braço que havia encolhido,  esticou. O mesmo aconteceu com o outro interferômetro que fica a 3000 Km de distância. O mapinha marca a localização de cada um dos interferômetros nos EUA. Créditos: Artigo da Colaboração LIGO.

E tem muita gente envolvida nessa descoberta. Fora o pessoal que trabalhou na teoria e nas técnicas de detecção ao longo desses cem anos, tem o pessoal diretamente ligado ao LIGO na chamada LIGO Scientific Collaboration (Colaboração Científica LIGO, em traduação livre): mais de 1000 cientistas de 16 países em 80 instituições ao redor do mundo estão com os nomezinhos marcados na História. O Brasil é o único país da América Latina participando e tem 7 pesquisadores envolvidos: 6 do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e 1 do International Center for Theoretical Physics (ICTP-SAIFR).

Tá… E isso muda o quê? O que vem por aí?

Olha, vem coisa grande por aí… O que exatamente ninguém sabe. Mas imagina que até então nós observávamos o universo com ondas eletromagnéticas e só “enxergávamos” o universo de 400 000 anos para cá, porque antes disso ele era opaco às ondas eletromagnéticas. Agora, nós vamos poder investigar as origens do universo com ondas gravitacionais que são transparentes durante T-O-D-A a existência do universo. Fora buracos negros, estrelas de nêutrons, matéria escura e o escambau… tudo poderá ser “visto” de maneira diferente agora. Imagina assim: Quando Galileu apontou uma luneta para observar o Sistema Solar, quando Hertz gerou ondas de radio em laboratório pela primeira vez… A parada é nervosa nesse nível.

A nova era começou! E não é papo de cartomante. É ciência! *_*

Referências e sugestões (mas em inglês :/):

O artigo bombadão pra quem é (ou quer ser!) da área.

Comunicado oficial (em vídeo) com gente feliz e videozinhos legais para todo mundo curtir.