Prémio Nobel da Física 2011 atribuído à Expansão do Universo

Estocolmo, 4 de Outubro de 2011

The Nobel Prize in Physics 2011 was awarded “for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae“ with one half to Saul Perlmutter and the other half jointly to Brian P. Schmidt and Adam G. Riess.

Podemos deixar as merecidas saudações aos laureados aqui.

E esta é tradução geral para Português do comunicado da Academia Sueca de Ciências, para explicar, em linguagem simples e acessível, a atribuição do prémio.

O que está escrito nas estrelas…

“Uns dizem que o mundo acabará em fogo: outros que será em gelo…”

Qual será o destino do Universo?

Acabará provavelmente em gelo, a crer nos laureados com o Prémio Nobel da Física de 2011.

Estudaram cuidadosamente várias dezenas de explosões de estrelas, chamadas supernovas, localizadas em galáxias muito distantes, e concluíram que a expansão do universo está a aumentar.

A descoberta surgiu como uma surpresa completa até para os próprios laureados. O que viram foi como se tivessem atirado uma bola ao ar, e esta, em vez de voltar para o chão, fosse observada a desaparecer cada vez mais depressa para o céu, como se a gravidade não conseguisse voltar a atraí-la e inverter a sua trajectória. Parecia estar a suceder algo muito semelhante por todo o Universo.

A expansão crescente do Universo implica que este está a ser esticado por uma força desconhecida embutida no tecido do espaço. Esta energia escura constitui uma fatia muito grande do Universo, mais de 70% (~73%), e é um enigma, talvez mesmo o maior enigma da física actual. Não foi então uma surpresa a Cosmologia ter sentido os seus alicerces tremerem de alto a baixo quando dois grupos de investigadores apresentaram resultados similares em 1998.

Saul Perlmutter chefiava um dos 2 grupos de investigação, o Projecto de Cosmologia de Supernovas (Supernova Cosmology Project), que se iniciara em 1988. Brian Schmidt liderava uma outra equipa de cientistas que, em finais de 1994 lançou um projecto concorrente, a Equipa de Busca de Supernovas de Alto Desvio-z (High-z Supernova Search Team), no qual Adam Reiss viria a desempenhar um papel crucial.

As duas equipas de investigação concorreram uma com a outra no mapeamento do Universo à medida que iam descobrindo as explosões de estrelas supernovas mais longínquas no espaço. Ao estabelecerem a distância à supernova e a velocidade a que esta se está a afastar de nós, os cientistas esperavam revelar o nosso destino cósmico. Esperavam encontrar sinais que indicassem que a expansão do Universo estaria a abrandar, o que levaria a um equilíbrio entre o fogo e o gelo. E o que encontraram foi o oposto – a expansão estava a acelerar.

O Cosmos está a crescer.

Não é a primeira vez que uma descoberta astronómica revoluciona as nossas ideias sobre o Universo. Apenas há meros cem anos, o Universo era tido como um local calmo e pacífico, e dum tamanho igual ao da nossa própria Galáxia, a Via Láctea. O relógio cosmológico estava a tocar a as horas certas e regulares e o Universo era eterno. No entanto, cedo se verificou uma mudança radical neste quadro. No início do século 20 a astrónoma americana Henrietta Swan Leavitt  descobriu uma forma de calcular as distâncias para as estrelas distantes. Nesse tempo, as mulheres astrónomas não tinham acesso aos grandes telescópios, mas eram empregues muitas vezes para a tarefa rotineira de análise das placas fotográficas.

Henrietta Leavitt estudou milhares de estrelas pulsantes, chamadas Cefeidas, e descobriu que as mais luminosas tinham pulsos mais prolongados. Munida desta informação, Leavitt pode calcular a luminosidade intrínseca das Cefeidas.

Caso a distância de apenas uma Cefeida for conhecida, podem-se determinar as distâncias para as outras Cefeidas – quanto mais fraca for a sua luz, mais longe está a estrela. Nascera a vela padrão, o primeiro marco na régua de medição ainda em uso nos nossos dias.

Ao fazer uso das Cefeidas, os astrónomos cedo iriam concluir que a Via Láctea é apenas uma de muitas galáxias no Universo. E, nos anos 1920, os astrónomos tiveram ao seu dispor o telescópio do Monte Wilson na Califórnia, podendo assim demonstrar que todas as galáxias se estão a afastar de nós. Estavam a estudar o chamado Desvio para o Vermelho que ocorre quando uma fonte emissora de luz se está a afastar de nós. O comprimento de onda da luz é esticado e, quanto mais longa for a onda, mais vermelha é a sua cor.

A conclusão que se impôs foi que as galáxias se estão a afastar de nós e a afastaram-se entre si, e, que quanto mais longe estão, mais depressa se afastam – este facto é até conhecido como Lei de Hubble.

O vaivém da constante cosmológica.

As observações do espaço já tinham sido previstas pelos cálculos teóricos. Em 1915, Albert Einstein publicou a sua Teoria da Relatividade Geral, que tem sido a base fundamental da nossa compreensão do Universo desde essa altura. A Teoria descreve um Universo que tem que ou se expandir ou se retrair. Esta perturbante conclusão foi alcançada cerca duma década antes da conclusão das galáxias para sempre a afastarem-se. Nem o próprio Einstein conseguiu reconciliar o facto de que o Universo não era estático. Então, de forma a parar esta expansão cósmica não desejada, Einstein adicionou uma constante às suas equações a que chamou de constante cosmológica.

Mais tarde, Einstein consideraria a inserção desta constante cosmológica um erro enorme. Contudo, com as observações realizadas em 1997-1998, a que são atribuídas o Prémio Nobel deste ano, podemos concluir que a constante cosmológica de Einstein – inserida pelas razões erradas – foi na verdade brilhante.

A descoberta da expansão do Universo foi um primeiro grande passo na direcção da agora visão padronizada e consensual que nos diz que o Universo foi criado há quase 14 mil milhões de anos. Tanto o espaço como o tempo começaram então. Desde esse momento, o Universo tem-se vindo a expandir. Se compararmos com um bolo que sobe quando é cozido no forno, podemos ver as galáxias como as passas desse bolo, a afastarem-se umas das outras devido à expansão cosmológica.

Mas, e…, para onde vamos?

Supernovas – a nova medida do Universo.

Quando Einstein se livrou da constante cosmológica e se rendeu à ideia dum Universo não-estático, relacionou a forma geométrica do Universo com o seu destino. Será aberto ou será fechado, ou será algo intermédio – teremos um Universo plano?

Um Universo aberto será aquele onde a força gravitacional da matéria não tem grandeza suficiente para evitar a expansão do Universo. Toda a matéria será diluída num espaço cada vez maior, cada vez mais frio e cada vez mais vazio.

Já um Universo fechado será, por outro lado, descrito pela força gravitacional a ter força suficiente para parar e até para conseguir fazer a expansão retroceder.

Nesta eventualidade, o Universo deixaria então de se expandir e cairia de novo em si mesmo, num fim violento e quente, num chamado Big Crunch (Grande Esmagamento). A maioria dos cosmólogos, contudo, prefeririam viver num Universo mais simples e com uma matemática mais elegante: num Universo plano, onde se crê que a expansão esteja em declínio. O Universo, segundo este modelo, não acabaria nem em fogo nem em gelo. Só que não há por onde escolher. Pois que se existe uma constante cosmológica, a expansão continuará a acelerar, mesmo que o Universo seja plano.

Os laureados com o Nobel deste ano esperavam medir a desaceleração cósmica, ou como estaria a diminuir a expansão do Universo. O seu método usou o mesmo princípio do método utilizado pelos astrónomos mais de seis décadas antes: localizar as estrelas distantes e medir os seus movimentos. No entanto, isto é fácil de se dizer e é muito mais difícil de se fazer na prática.

Desde os tempos de Henrietta Leavitt foram encontradas muitas mais Cefeidas que até são muito mais longínquas. Mas, nas distâncias a que os astrónomos precisam de ver, a milhares de milhões de anos-luz de distância, as Cefeidas já não são visíveis. A vela padrão que servia de régua precisava de ser esticada.

Henrietta Swan Leavitt. Ela descobriu e catalogou 1777 estrelas variáveis situadas nas Nuvens de Magalhães. Em 1912, a partir de seu catálogo, ela descobriu que a luminosidade das variáveis cefeidas era proporcional ao seu período de variação de luminosidade. Essa relação período-luminosidade é a base de um método de estimação das distâncias de nebulosas e de galáxias no Universo. Os resultados de Leavitt foram usados por cientistas como Ejnar Hertzsprung, Harlow Shapley e Edwin Hubble e foram cruciais para o desenvolvimento da Astrofísica e da Cosmologia.

As supernovas – explosões de estrelas – tornaram-se nas novas velas padrão. Os telescópios mais sofisticados no solo e no espaço, a par dos computadores mais poderosos, permitiram, durante os anos 1990, que se adicionassem mais peças ao puzzle cosmológico. Foram cruciais os sensores digitais sensíveis à luz – os chamados CCD (Charged Cuple Device – DCA ou Dispositivo de Carga Acoplada) – uma invenção de Willard Boyle e de George Smith que lhes valeu o Prémio Nobel da Física de 2009.

Anãs brancas a explodirem

A nova ferramenta na caixa dos astrónomos é um tipo especial de explosão estrelar, a supernova tipo Ia. (É como um 1 romano, que escrevemos com a letra i maiúscula , seguido de um “a”  – n.t.).

Durante algumas, poucas, semanas, uma só supernova deste tipo pode emitir tanta luz como uma galáxia inteira. Este tipo de supernova é uma explosão duma estrela antiga extremamente compacta que é tão pesada como o Sol mas que é tão pequena como a Terra – uma anã branca. A explosão é o estádio final do ciclo de vida da anã branca.

As anãs brancas formam-se quando uma estrela não tem mais energia no seu núcleo, dado que todo o hidrogénio e todo o hélio já foram consumidos nas reacções nucleares. Somente restam o carbono e o oxigénio. Será desta forma que, num futuro distante, o nosso Sol se desvanecerá e arrefecerá à medida que atinge o seu fim como uma anã branca (O Sol é actualmente uma anã amarela e ainda será uma gigante vermelha antes de atingir o ciclo de anã branca – n.t.). Um fim bem mais excitante aguarda uma anã branca que faça parte dum sistema binário, o que é uma situação bastante comum.

Neste caso, a forte gravitação da anã rouba o gás à sua estrela companheira. Contudo, quando a anã branca tiver crescido para 1.4 vezes a massa solar, já não consegue manter-se conjugada. Quando isto acontece, o interior da anã torna-se quente o suficiente para que se iniciem reacções de fusão descontroladas, e o gás é totalmente desfeito numa questão de segundos.

Os produtos das fusões nucleares emitem uma radiação forte que vai aumentando durante as primeiras semanas a seguir à explosão, para decrescer ao longo dos meses seguintes. É por isso que há como que uma corrida às supernovas – dada a brevidade destas explosões. No Universo visível ocorrem cerca de dez supernovas Ia por minuto. Só que o Universo é enorme. Numa galáxia típica ocorrem uma ou duas explosões de supernovas por milénio.

Em Setembro de 2011, tivemos a sorte de podermos observar uma supernova deste tipo numa galáxia perto da Ursa Maior, visível com o auxílio dum simples par de binóculos.

Nota: Para um post detalhado sobre esta supernova, temos este artigo do Luís Lopes aqui no AstroPt.

Mas a maioria das supernovas está muito mais longe, logo são muito menos intensas. Então, na redoma do céu, onde e quando procurar?

Uma conclusão espantosa

As duas equipas concorrentes sabiam que teriam que passar os céus a pente fino, se queriam localizar as distantes supernovas. O truque consistiu em comparar duas imagens do mesmo pequeno pedaço de céu, que corresponde a olhar-se para um polegar na ponta do braço esticado. A primeira imagem tem que ser captada logo a seguir à Lua Nova e a segunda três semanas depois, antes que o luar inunde o céu e absorva a luz das estrelas.

Podem então as duas imagens ser comparadas na esperança de se descobrir um pequeno ponto de luz – um pixel entre outros na imagem CCD, (DCA) – que poderá ser uma assinatura duma supernova numa galáxia distante. Apenas se utilizaram supernovas no mínimo a um terço da distância do Universo visível, de forma a eliminarem-se as distorções locais.

Os investigadores tiveram que lidar com muitos outros problemas. As supernovas do tipo Ia não são tão previsíveis como inicialmente se supunha – já que as explosões mais luminosas se desvanecem mais rápido. E, o que é mais, a luz das supernovas precisava de ser extrapolada da luz envolvente das suas galáxias anfitriãs. Outra tarefa importante foi a de se calibrar a intensidade correcta. As poeiras intergalácticas que se interpõe entre nós e as estrelas alteram a luz estrelar. Isso afecta os resultados quando se calcula a luminosidade das supernovas.

Uma anã branca rouba o gás da sua vizinha usando para o efeito a sua gravidade. Quando a anã branca cresce até 1.4 vezes a massa do Sol, explode como uma supernova tipo Ia.

Imagem Harvard Gazette.

Localizar as supernovas desafiou não só os limites da ciência e das tecnologias como também os da logística.

Primeiro, foi preciso localizar o tipo certo de supernova.

Depois, foi ainda necessário medir-se o seu desvio para o vermelho e a sua luminosidade.

A curva de luz teve que ser observada ao longo do tempo de forma a poder-se comparar com outras supernovas do mesmo tipo com as suas distâncias já conhecidas.

Legenda – Este gráfico de luminosidade (Relativo ao Sol, L₀₎ em função do tempo, ilustra a curva de luz característica duma supernova do tipo Ia. O pico é sobretudo devido ao decaimento do Níquel (Ni), enquanto num estádio posterior é alimentado pelo Cobalto (Co).

Isto exigiu uma rede de cientistas que pudessem decidir com rapidez se uma estrela em particular era um candidato que merecesse ficar sob observação. Precisavam de serem capazes de mudar de telescópio e de terem tempo de observação disponível sem demoras, o que contrariava um procedimento que normalmente demora meses.

Precisavam de actuar com toda a rapidez já que uma supernova depressa se desvanece. Por vezes, as duas equipas concorrentes entre-cruzavam discretamente os seus quadrantes de busca.

As armadilhas potenciais foram numerosas, e, na verdade, os dois grupos de cientistas ficaram bastante reconfortados por terem chegado aos mesmos, e espantosos, resultados: ao todo, encontraram cerca de 50 supernovas cuja luz parecia ser mais débil do que o esperado. Era o contrário do espectável. Se a expansão cósmica tivesse vindo a perder velocidade, as supernovas deveriam aparecer mais luminosas. Contudo, as supernovas estavam a desvanecer-se à medida que se iam, cada vez mais, afastando, embutidas nas suas galáxias. A surpreendente conclusão foi que a expansão do Universo não está a abrandar, mas antes a acelerar.

Até à eternidade (From here to eternity – o famoso filme com Montgomery Cliff)

Então o que está a acelerar o Universo? Chama-se energia escura e é um desafio para os físicos, é um enigma que ninguém ainda conseguiu resolver. Foram avançadas diversas ideias. A mais simples é a de se reintroduzir a constante cosmológica de Einstein, que ele próprio em tempos rejeitara. Nessa ocasião, Einstein inserira a constante cosmológica como uma força anti-gravitacional da matéria de forma a poder criar um Universo estático.

Hoje, a constante cosmológica parece, ao invés, estar a acelerar a expansão do Universo.

A constante cosmológica, é, naturalmente, constante, e como tal não se modifica ao longo do tempo. Então, a energia escura torna-se dominante quando a matéria, logo a sua gravidade, se dilui devido à expansão do Universo no decorrer de milhares de milhões de anos. De acordo com os cientistas, isso explicaria porque é que a constante cosmológica entrou tão tarde em cena na história do Universo, acerca de apenas cinco a seis mil milhões de anos. Nessa era, a força gravitacional da matéria ter-se-ia enfraquecido o suficiente em relação à constante cosmológica. Até essa altura, a expansão do Universo tinha vindo a desacelerar.

Imagens comparativas da luminosidade de 3 supernovas tipo Ia.

Crédito Hubble Space Telescope.

Legenda – 3 distantes supernovas tipo Ia, tal como forma observadas pelo Hubble em 1997. Dado que as supernovas tipo Ia têm a mesma luminosidade, são usadas para se medir a energia escura e os seus efeitos na expansão do Universo. As imagens por baixo são detalhes das vistas de profundidade de campo alargado, que estão acima. As supernovas da esquerda e do centro ocorreram há cerca de cinco mil milhões de anos, a da direita, há sete mil milhões de anos.

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A constante cosmológica pode ter a sua origem no vácuo, o espaço vazio que, de acordo com a Física Quântica, nunca está completamente vazio. Em vez disso, o vácuo é uma sopa quântica de bolhas onde as partículas virtuais da matéria e da anti-matéria surgem, existem, e deixam de existir, saltitando da existência para a não-existência, dando azo a que surja a energia.

No entanto, a estimativa de cálculo mais simples para a quantidade de energia escura não corresponde, de todo, à quantidade que foi medida no espaço, que é de cerca de 10^120 (1 seguido de 120 zeros). ^significa elevado à potência de, por nota aqui da tradução para o AstroPt.

Isto constitui uma diferença enorme e ainda inexplicada entre a teoria e a observação. Em todas as praias do mundo não existem mais do que 10^20 (1 seguido de 20 zeros) grãos de areia.

Pode ser que, afinal, a energia escura não seja constante. Talvez ela mude ao longo do tempo. Talvez um campo-força desconhecido gere a energia escura apenas ocasionalmente. Na Física existem muitos campo-força semelhantes que se agrupam sob o nome colectivo de quintessência, com étimo na palavra grega para designar o quinto elemento. A Quintessência poderia acelerar o Universo, mas somente ocasionalmente. Isto tornaria impossível de prever o destino do Universo.

Seja o que a energia escura for, perece que veio para ficar. Encaixa muito bem no puzzle cosmológico que os físicos e os astrónomos têm estado a elaborar desde há muito tempo.

De acordo com o actual consenso, cerca de três quartos do Universo consiste de energia escura. O restante é matéria. Mas a matéria normal, o material de que são feitos e feitas galáxias, estrelas, seres humanos e flores é apenas 5% do Universo. A restante matéria é chamada de Matéria-Escura e até agora tem estado escondida das nossas vistas.

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NT – Valores arredondados.
Energia escura: afasta as coisas ~75% do Universo
Matéria escura: cola as coisas ~20% do Universo
Matéria normal: cola as coisas ~5% do Universo

A designação correcta em Física da matéria normal (a do dia-a-dia) é matéria bariónica. Fim de nota.
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A matéria escura é um outro mistério do nosso cosmos deveras maioritariamente desconhecido: tal como a energia escura, a matéria escura é invisível.

Conhecemos as duas através dos seus efeitos – uma está a empurrar, a outra está a puxar. Só têm o adjectivo “escura” em comum. Assim sendo, as descobertas dos laureados com o prémio Nobel da Física de 2011 ajudaram a desvendar um Universo que é ainda 95% desconhecido para a Ciência. E tudo voltou a ser possível.

O destino do Universo

Modelos de expansão do Universo, o da direita é o modelo que corresponde às observações.

A Pizza do Universo – Actualização dos dados sobre matéria-normal, matéria-escura e energia-escura. Telescópio Espacial Planck – 2013

O enquadramento científico publicado pela Academia Sueca de Ciências pode ser acedido aqui.