terça-feira, 5 de dezembro de 2017

Einstein mais uma vez está certo

Há cerca de 400 anos Galileu, no século 17,  propôs que todos os corpos caem com a mesma aceleração na Terra, quando livre de quaisquer influências externas, como o atrito do ar. Galileu também propôs que os corpos mantinham o seu estado de movimento (ou repouso) devido a sua inércia. Ainda no século 17, Isaac Newton apresentou a sua Teoria da Gravitação Universal mostrando que as massas se atraem entre si devido a força da gravidade e que a inércia do corpo dependia da sua massa. Nessa época ele percebeu que a massa inercial (responsável pela inércia) e a massa gravitacional (responsável pela atração entre os corpos) tinham o mesmo valor, mas não soube explicar essa causa.

Trezentos anos depois, Albert Einstein  propôs o "Princípio da Equivalência", que em poucas palavras mostra que é impossível distinguir a gravidade da aceleração que um corpo sofre. Esse principio foi fundamental para estabelecer Teoria da Relatividade Geral (TGR) que é uma teoria que não somente explica a gravidade, mas também descreve o universo em larga escala.

Nos últimos anos a TGR tem passado por intensos testes e sempre tem se mostrado que as suas previsões  são extremamente precisas. Além da recente descoberta das ondas gravitacionais, anunciadas em fevereiro de 2016, que discuti neste blog, nessa semana foram divulgados  resultados testando novamente a TGR.

Um das previsões importantes da relatividade geral é que  todos os corpos devem cair na mesma taxa em um campo gravitacional, independente de sua composição.  Até o momento todos os testes experimentais, concordaram com essa hipótese. Contudo, encontrar violações poderia fornecer indícios de teorias que unem a gravidade com as outras forças fundamentais ou que explicam a matéria escura ou a energia escura.

Em 2016, o Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), agência espacial da França, lançou o satélite MICROSCOPE, dedicado a testar eventuais desvios nessa previsão da TGR. A equipe de ciência da missão, liderada por pesquisadores do Laboratório Aeroespacial Francês (ONERA) e no Observatório da Côte d'Azur (OCA), divulgou nessa semana no periódico Physical Review Letters os primeiros resultados.

O satélite MICROSCOPE compara a aceleração de duas massas, com geometrias idênticas (cilindros vazios), mas com composições diferentes (uma é feita de uma liga de platina e a segunda de uma liga de titânio). Dois circuitos independentes  aplicam as forças necessárias para manter as duas massas imóveis em relação ao satélite. Uma diferença nas forças aplicadas sinalizaria uma violação do fato que as massas deveriam sentir a mesma força gravitacional. Caso houvesse diferença entre as acelerações dessas massas a TGR estaria violada.


Synopsis figure
CNES/D. Ducros

Usando dados coletados em 120 órbitas em torno da Terra, a equipe mostrou que a diferença entre as acelerações das duas massas é ZERO com uma precisão de 10-14, dez vezes melhor do que os testes anteriores. A colaboração espera alcançar 10-15  de precisão no final da missão em 2018. Esse é um resultado muito importante porque testar uma teoria como a TGR e verificar a sua precisão ajuda a consolidar ainda mais um dos pilares importantes da Física.

segunda-feira, 27 de fevereiro de 2017

O grande desfile cósmico

Ciência Hoje On-line
Coluna Física sem mistério
publicada em 24/02/2017

Em clima de carnaval, Adilson de Oliveira mostra em sua coluna as semelhanças entre fenômenos naturais que regem e dão forma ao universo e elementos típicos dessa grande festa da cultura brasileira.


Moro num país tropical, abençoado por Deus
E bonito por natureza (mas que beleza)
Em fevereiro (em fevereiro)
Tem carnaval (tem carnaval)
(País Tropical, Jorge Ben Jor)

Assim como acontece em desfiles de escolas de samba no carnaval, beleza e harmonia se unem na natureza para contar a história do universo. (foto: Jonas de Carvalho/ Flickr – CC BY-SA 2.0)

Estamos em fevereiro e novamente tem carnaval. A maior festa brasileira – e um dos maiores eventos do mundo – é sempre uma oportunidade para alegrar grande parte da nossa população, mesmo quando estamos passando por dificuldades, sejam políticas ou financeiras. Afinal, essa festa popular é uma marca registrada do Brasil e um momento ímpar para a cultura brasileira.
O carnaval é uma festa relacionada ao calendário cristão. Na Idade Média, a Igreja Católica incentivou a reunião de diversas comemorações pagãs em um período anterior ao início da Quaresma, quando cristãos passam por quarenta dias de jejum e privações em preparação para a Páscoa. Desde então, o carnaval é comemorado 47 dias antes da Páscoa.
Como a Páscoa é uma festividade com data móvel, determinada astronomicamente, o Carnaval também ocorre em datas diferentes todos os anos. O Primeiro Concílio de Niceia (em 325 d.C) estabeleceu que a data da Páscoa seria o primeiro domingo depois da primeira lua cheia após o início do equinócio da primavera no hemisfério Norte. Essa lua cheia é chamada lua cheia pascal. O início do equinócio da primavera varia entre os dias 20 e 21 de março. Do ponto de vista eclesiástico, essa data ficou fixada em 21 de março. Mas a lua cheia não ocorre necessariamente no mesmo dia todos os anos. Por isso, a data da Páscoa varia entre 22 de março e 25 de abril (inclusive). Neste ano, será em 16 de abril e o carnaval, consequentemente, em 28 de fevereiro.
Nos desfiles de escolas de samba no carnaval, há sempre um enredo que define a história que será contada em pouco mais de uma hora. As cores, a harmonia entre o ritmo da música e a letra do samba-enredo e a criatividade dos desfiles fazem desse um espetáculo deslumbrante.
Na natureza, beleza e harmonia também se unem para nos ajudar a contar uma história: a do universo. E o samba-enredo do nosso universo já é executado há bilhões de anos.

Abre-alas do universo

Os desfiles de escolas de samba sempre começam com um carro abre-alas e uma comissão de frente, que têm como objetivo introduzir o enredo que será contado.
No desfile cósmico, o carro abre-alas foi o evento denominado Big Bang, que ocorreu há aproximadamente 14 bilhões de anos. Tudo que conhecemos estava, de alguma forma, concentrado em algo que, em física, chamamos de singularidade. Nesse ponto, as nossas teorias físicas não conseguem descrever o que ocorria. Contudo, o conhecimento atual permite compreender como era o universo extremamente jovem, com apenas 10-43 (1 dividido por 10, seguido de 43 zeros!) segundo de existência.
Em uma escala de tempo tão pequena como essa, inicialmente houve a criação dos tijolos fundamentais da matéria e de sua contraparte, na forma de antimatéria, que é, nada mais, nada menos, que partículas com as mesmas características da matéria comum, mas com carga elétrica oposta. Por exemplo: a antipartícula do elétron (que tem carga negativa) é o pósitron (que tem carga positiva). Quando se encontram, partículas e antipartículas se aniquilam mutuamente, convertendo-se em energia.
Quando o universo tinha algo como 10-32 segundo de idade, houve um processo de rápida expansão (denominado inflação cósmica), que provocou o que se chama de ‘quebra de simetria’, ou seja, a matéria prevaleceu em relação à antimatéria, como observamos atualmente. Quando o universo atingiu 300 mil anos de idade, a radiação se separou da matéria e deixou sua marca na chamada radiação de fundo cósmico. As primeiras notas tocadas pelo Big Bang talvez somente possam ser ouvidas por meio da detecção das ondas gravitacionais geradas nos instantes iniciais do universo. As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo, como as ondulações provocadas na superfície de um pandeiro ao se tocar o instrumento.

O início do desfile cósmico que começou há 13,7 bilhões de anos (NASA/WMAP Science Team - http://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html (direct link))

Evoluções e eventos cósmicos

Depois da separação da matéria e da radiação, começaram a se formar as primeiras estrelas e galáxias. Conseguimos observar objetos na escala de 10 bilhões de anos-luz de distância, como quasares (objetos quase estelares) com um núcleo galáctico ativo de tamanho maior que o de uma estrela, porém menor do que o mínimo para ser considerado uma galáxia. Encontramos galáxias antigas na distância de 1 a 2 bilhões de anos-luz e até mais próximas de nós, como a galáxia de Andrômeda, que está a pouco mais de 2 milhões de anos-luz de distância.
As galáxias são compostas por centenas de bilhões de estrelas unidas gravitacionalmente que giram em torno do núcleo massivo das galáxias. A grande parte delas possui a região central muito densa, com gigantescos buracos negros, em que a densidade de matéria é tão alta que faz com que a gravidade seja tão intensa que nem a luz consegue escapar.

Nota 10 no quesito evolução: estrelas se movimentam ao longo de toda a galáxia. (foto: Chaval Brasil/ Flickr – CC BY-NC-ND 2.0)
As estrelas realizam movimentos ao longo de toda a galáxia, como se fosse a evolução de uma escola de samba. Em particular, o Sol, junto com todo o Sistema Solar, realiza uma volta em torno da nossa galáxia, a Via Láctea, a cada 250 milhões de anos. Embora pareça um movimento muito lento, ele ocorre em uma velocidade muito elevada, da ordem de 240 km/s (864 mil km/h).
Além de realizarem esse movimento de rotação em larga escala, as galáxias estão se afastando umas das outras. Quanto mais distante está uma galáxia, mais rapidamente ela se afasta. Essa descoberta, feita na década de 1920 pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble, foi a primeira evidência de que o universo estava em expansão e levou à elaboração da teoria do Big Bang.
No final da década de 1990, os astrônomos Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess, a partir da observação de supernovas em galáxias muito distantes, determinaram que a expansão do universo está acontecendo de forma acelerada, ou seja, como se houvesse uma ‘antigravidade’ acelerando essas galáxias distantes. Por essa descoberta, receberam o prêmio Nobel de Física em 2011.
Supernovas são estrelas muito massivas que, ao final do seu ciclo, sofrem um grande colapso gravitacional, que faz com que atinjam altíssimas temperaturas e liberem, por um curto período (algumas semanas), energia equivalente à de uma galáxia inteira. Por isso, elas tornam-se distinguíveis de outras estrelas das galáxias, em particular nessas galáxias distantes. São como os fogos de artifício que as escolas de samba soltam em seus desfiles para abrilhantar o espetáculo. Essas supernovas distantes lançaram um brilho especial na compreensão do desfile cósmico.
Além dos grandes desfiles de carnaval, existem os pequenos desfiles e blocos, que também animam essa festa. Da mesma forma, em nossa galáxia, há outros eventos que não têm escalas cosmológicas e galácticas, mas também são belos e interessantes.
A dança dos planetas ao redor das estrelas e a dos satélites ao redor dos planetas são animadas por um samba muito particular: o ‘samba da gravidade’, que pode ser ouvido de muito longe e permite que esses movimentos sejam rápidos ou lentos, dependendo das distâncias. Em nosso sistema solar, Mercúrio, que está perto do Sol, dá uma volta em torno desse astro em apenas 88 dias; já a Terra leva 1 ano e Netuno, 164 anos.
De fato, se pudéssemos ter um samba-enredo para reger todos esses movimentos astronômicos, ele seria, sem dúvida nenhuma, a gravidade, descrita originalmente por Isaac Newton há 300 anos e aprimorada por Albert Einstein há 100 anos. Como ainda existem mistérios na gravidade, principalmente para entendermos os instantes iniciais do universo e o interior de buracos negros, uma nova versão ainda será escrita, para termos finalmente encontrado a grande música cósmica.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos