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.

 

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!