A irmã (gêmea) mais velha do Sol


ESO

Identificada uma “irmã gêmea” (mais velha) do Sol

O telescópio VLT do Observatório Europeu do Sul (ESO) obtem novas dicas para a solução do mistério do lítio

 IMAGEM: Esta imagem mostra o desenvolvimento da vida de uma estrela semelhante ao Sol, de seu nascimento até a fase de gigante vermelha.

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Os astrônomos vêm observando o Sol com telescópios somente há 400 anos — uma porção quase insignificante da idade do Sol, 4,6 bilhões de anos. Isso tornaria tremendamente difícil estudar a história e a futura evolução de nossa estrela, porém podemos fazê-lo, procurando pelas raras estrelas que sejam quase que exatamente iguais à nossa, mas em estágios diferentes de suas vidas. Agora, os astrônomos identificaram uma estrela que é essencialmente uma irmã gêmea de nosso Sol, só que 4 bilhões de anos mais velha — algo quase como um exemplo prático do paradoxo dos gêmeos [1].

Jorge Melendez (Universidade de São Paulo, Brasil), o líder da equipe e co-autor do novo artigo, explica: “Durante décadas os astrônomos vêm procurando por gêmeos do Sol, a fim de compreender melhor a estrela que nos dá vida. Entretanto, muito poucas foram encontradas, desde a primeira em 1997. Agora conseguimos obter espectros com qualidade excepcional através do VLT e podemos escrutinar as gêmeas do Sol com extrema precisão, para responder à pergunta se o nosso Sol é, de alguma forma, especial”.

A equipe estudou duas gêmeas do Sol [2] — uma que se pensava ser mais nova que o Sol (18 Scorpii) e uma que se esperava que fosse mais velha (HIP 102152). Eles empregaram o espectrógrafo UVES do VLT (acrônimo de Very Large Telescope = Telescópio Muito Grande) no Observatório Paranal do ESO, para dividir a luz em suas cores componentes, de forma a poder estudar as composições químicas e outras propriedades dessas estrelas em maior detalhe.

Eles descobriram que a HIP 102152 na constelação de Capricórnio é a irmã gêmea mais velha do Sol até hoje encontrada. Sua idade é estimada em 8,2 bilhões de anos, enquanto nosso Sol deve ter uns 4,6 bilhões. Por outro lado, foi confirmado que 18 é mais jovem que o Sol — cerca de 2,9 bilhões de anos de idade.

Estudar a irmã gêmea mais velha do Sol, HIP 102152, permite aos cientistas predizer o que pode vir a acontecer com nosso próprio Sol quando chegar a esta idade, e eles já realizaram uma decoberta significativa. “Uma das questões que pretendíamos bordar era se a composição do Sol é ou não típica”, esclarece Melendez. “E o que é mais importante: por que ele tem um conteúdo de lítio tão estranhmente pequeno?”

O lítio, o terceiro elemento da tabela periódica, foi criado no Big Bang junto com o hidrogênio e o hélio. Os astrônomos ponderam há anos sobre o motivo de algumas estrelas parecerem ter menos lítio do que as outras. Com as novas observações da HIP 102152, os astrônomos deram um grande passo para a solução desse mistério, estabelecendo uma forte correlação entre a idade de uma estrela do tipo do Sol e seu conteúdo de lítio.

Nosso Sol contém agora apenas 1% do conteúdo de lítio que estava presente no material do qual ele se formou. Os exames das gêmeas do Sol mais novas indicaram que essas irmãs mais jovens contém uma quantidade significativamente maior de lítio, mas, até agora, os cientistas não tinham meios de provar uma correlação entre a idade e o conteúdo de lítio [3].

TalaWanda Monroe (Universidade de São Paulo), o principal autor do novo artigo, conclui: “Descobrimos que a HIP 102152 tem níveis muito baixos de lítio. Isto demonstra claramente pela primeira vez que as irmãs gêmeas mais velhas do Sol realmente têm um conteúdo de lítio inferior ao das mais jovens. Agora podemos ter certeza de que as estrelas de alguma forma destroem seu lítio na medida em que envelhecem e que o conteúdo de lítio do Sol parece ser normal para sua idade”. [4]

Um toque final nesta história é que a HIP 102152 tem um padrão peculiar de composição química que é sutilmente diferente das outras gêmeas do Sol, porém semelhante ao do Sol. Ambas as estrelas exibem uma deficiência de elementos que são abundantes em meteoritos e na Terra. Isso é um forte indício de que a HIP 102152 pode ser “mãe” de planetas rochosos do tipo da Terra [5].

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Notas

[1] Muitas pessoas conhecem o paradoxo dos gêmeos: um dos gêmeos idênticos faz uma viagem espacial e retorna à Terra, mais moço do que seu irmão que ficou em casa. Muito embora não haja qualquer viagem no tempo envolvida com as semelhanças entre essas estrelas, podemos observar estrelas muito semelhantes (tal como irmãs gêmeas), com idades bem distintas — “retratos” da vida do Sol em idades diferentes.

[2] Estrelas “gêmeas do Sol”, “análogas ao Sol” e “tipo solar” são categorias de estrelas, de acordo com sua similaridade com o nosso Sol. As “gêmeas do Sol” são as mais similares a nosso Sol, em massas, temperaturas e composição química. As gêmeas do Sol são raras, porém as outras classes, onde a similaridade é menos exata, são muito mais comuns.

[3] Estudos anteriores indicavam que o conteúdo de lítio de uma estrela também podia ser afetado pela presença de planetas gigantes em órbita delas (eso0942eso0118, aritgo na Nature), embora esses resultados ainda sejam assunto de debates (ann1046).

[4] Ainda não está claro como o lítio é destruído dentro das estrelas, muito embora tenham sido propostos vários processos onde o lítio é levado da superfície da estrela para suas camadas interiores, onde então é destruído.

[5] Se uma estrela contém menos dos elementos que são comumente achados em corpos rochosos, isso indica que, provavelmente existam planetas rochosos do tipo da Terra, já que esses planetas absorvem tais elementos quando se forma o grande disco de matéria em torno da estrela. A sugestão de que a HIP 102152 pode ter tais planetas é ainda mais reforçada pelo monitoramento da velocidade radial da estrela com o espectrógrafo HARPS  do ESO, que indica que, dentro da zona habitável dessa estrela, não existem planetas gigantes. Isso permitiria a existência de planetas semelhantes à Terra em órbita da HIP 102152; em sistemas ondem existem planetas gigantes próximos de sua estrela-mãe, as chances de encontrar planetas do tipo terrestre são muito menores, porque esses pequenos corpos rochosos são perturbados e feitos em pedaços.

Outras informações

Esta pesquisa foi apresentada em um artigo a ser publicado como “High precision abundances of the old solar twin HIP 102152: insights on Li depletion from the oldest Sun”, por TalaWanda Monroe et al. em Astrophysical Journal Letters.

A equipe era com posta por TalaWanda R. Monroe, Jorge Meléndez (Universidade de São Paulo, Brasil [USP]), Iván Ramírez (Universidade do Texas em Austin, EUA), David Yong (Universidade Nacional Australiana, Austrália [ANU]), Maria Bergemann (Instituto Max Planck para Astrofísica, Alemanha), Martin Asplund (ANU), Jacob Bean, Megan Bedell (Universidade de Chicago, EUA), Marcelo Tucci Maia (USP), Karin Lind (Universidade de Cambridge, RU), Alan Alves-Brito, Luca Casagrande (ANU), Matthieu Castro, José-Dias do Nascimento (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Brasil), Michael Bazot (Centro de Astrofísica da Universidade de Porto, Portugal) e Fabrício C. Freitas (USP).

O ESO é a mais importante organização astronômica inter-governamental da Europa e o observatório astronômico mais produtivo do mundo. Ele é apoiado por 15 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, República Tcheca, Dinamarca, Espanha, França, Finlândia, Holanda, Itália, Portugal, Reino Unido, Suécia e Suíça.

Links

Artigo da pesquisa – http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1337/eso1337a.pdf

FAQ acerca do ESO e Brasil – http://www.eso.org/public/about-eso/faq/faq-eso-brazil.html

Fotos do VLT – http://www.eso.org/public/images/archive/category/paranal/

É um pássaro? É um avião? É um OVNI? Não… é um sprite!


Traduzido de: Is it a bird, a plane, a UFO? It’s a…red sprite

Cientistas atmosféricos estudam as estranhas luzes nos céus

Original em inglês por Cheryl Dybas, NSFcdybas@nsf.gov

A sky with red sprites

Essas estranhas luzes nos céus são chamadas sprites vermelhos; elas se formam acima das nuvens de tempestade.

Crédito e imagem ampliada

26 de agosto de 2013

É um pássaro? É um avião? É um OVNI? As estranhas luzes no céu estão sendo vigiadas de perto pelos cientistas atmosféricos.

Chamadas de sprites pelos pesquisadores, essas fadas dançarinas das nuvens são às vezes vislumbradas como clarões vermelhos de luz com a forma de águas-vivas.

Outras vezes, elas se parecem com clarões azuis em forma de corneta (e são chamadas de jatos azuis). No entanto, tal como as ninfas mais elusivas, os sprites vermelhos e os jatos azuis só aparecem em uma ocasião: durante fortes trovoadas.

Muito embora tenham esporadicamente relatados por muitos anos por pilotos de aeronaves, somente na última década se coletou indícios suficientes para convencer os cientistas atmosféricos a investigar o fenômeno.

O que é isso no céu?

Agora os pesquisadores atônitos que se perguntavam “Que diabos é isso?”, podem ter encontrado respostas.

Acima das nuvens negras de uma trovoada, aparecem os sprites, na forma de clarões de luz vermelha lançados muito para cima, na atmosfera da Terra, explica o cientista Hans Nielsen da Universidade do Alaska em Fairbanks.

Os breves clarões se parecem com brilhantes águas-vivas, com “umbrelas” vermelhas e tentáculos arroxeados. Em uma única noite, uma trovoada de bom tamanho pode emitir até cem sprites.

Na imensidão azul – ou vermelha – acima

sky with red sprites

Um milésimo de segundo: o quanto dura um sprite, mais rápido do que um piscar de olhos.

Crédito e imagem ampliada

Nielsen, Jason Ahrns, também da Universidade do Alaska em Fairbanks, Matthew McHarg da Academia da Força Aérea dos EUA e pesquisadores do Fort Lewis College formaram uma equipe neste verão [NT: verão lá no Hemisfério Norte] para estudar os sprites.

Eles empregaram a aeronave Gulfstream-V da Fundação Nacional de Ciências (NSF)/Centro Nacional de Pesquisas Atmosféricas (NCAR), uma aeronave que é capaz de voar a grandes altitudes, alcançando os 50.000 pés (pouco mais de 15 km), para realizar sua pesquisa. Seu projeto é financiado pela NSF.

Sky with red sprites resembling glowing jellyfish

Sprites vermelhos podem parecer águas-vivas luminosas, com estruturas parecidas com “umbrelas” e tentáculos.

Crédito e imagem ampliada


Os sprites são semelhantes aos relâmpagos, dizem Nielsen e McHarg, em tanto quanto são ambos resultantes de descargas de eletricidade que partem da atmosfera.

Embora os sprites imitem os relâmpagos “de algumas maneiras”, explica McHarg, “eles são diferentes em outras. Os relâmpagos acontecem abaixo e dentro das nuvens, em altitudes entre 3,5 a 8 km. Os sprites ocorrem muito acima das nuvens, a cerca de 80 km de altitude – 10 vezes mais alto do que os relâmpagos.

Eles são enormes, prossegue McHarg, atingindo 50 km acima de seu ponto de origem.

“Os sprites vermelhos não duram por muito tempo, entretanto; cerca de um milésimo de segundo. Isso é 300 vezes mais rápido do que um piscar de olhos!”

Os jatos azuis, que não faziam parte diretamente do estudo dos cientistas, duram mais do que os sprites vermelhos, têm origem no topo das nuvens de tempestade e se lançam para cima a uma altitude de menos da metade daquela dos sprites vermelhos. Os jatos azuis são mais estreitos do que os sprites vermelhos e se propagam no formato de cornetas em tons de azul e roxo.

“Este campo de pesquisas está evoluindo rapidamente e é importante para a compreensão do circuito elétrico global”, diz Anne-Marie Schmoltner, diretora de programa na Divisão de Ciências Atmosféricas e Geoespaciais da NSF, que patrocina da pesquisa. “A campanha aerotransportada [para detecção] dos sprites, durante o presente verão, nos forneceu observações com resoluções temporais sem precedentes”.

O que cria as luzes celestiais das trovoadas

Above a thunderstorm's black clouds, red sprites mimic lightning.

Acima das nuvens negras da tempestade, os sprites vermelhos (canto superior direito) imitam os relâmpagos.

Crédito e imagem ampliada

Os pesquisadores da atmosfera desenvolveram teorias para explicar essas luzes celestiais.

Os sprites vermelhos podem acontecer quando um raio de carga positiva nuvem-solo cai, o que perfaz cerca de 10% de todos os raios e que são muito mais poderosos do que os raios comuns de carga negativa.

Os clarões podem ser parentes das centelhas elétricas.

Depois que um possante raio cai, o campo elétrico acima de uma trovoada pode ficar reforçado a ponto de causar uma “ruptura elétrica”, uma sobrecarga que enfraquece a resistência da atmosfera ao fluxo da corrente elétrica. O resultado é uma imensa centelha, um sprite, na atmosfera.

Scientists next to the NSF/NCAR Gulfstream-V aircraft.

Os cientistas realizaram suas pesquisas a bordo da aeronave Gulfstream-V da NSF/NCAR.
Crédito e imagem ampliada


Embora ainda sejam ainda algo misteriosos, os sprites vermelhos ajudaram a responder algumas questões que vinham se perpetuando.

Os cientistas descobriram que os sprites vermelhos criam algumas das emissões de rádio em baixa frequência que vêm sendo captados ao longo dos anos pelos instrumentos, mas cuja fonte era desconhecida.

Grandes emissões de raios gama, provenientes da Terra, em lugar do espaço, também aparecem durante trovoadas, muito embora seu exato relacionamento com os sprites vermelhos permaneça obscuro.

Os pesquisadores agora avaliam se os sprites vermelhos (e os jatos azuis) podem afetar a atmosfera de modo importante.

Por exemplo, os sprites e jatos podem alterar a composição química da atmosfera superior. Embora sejam breves, eles podem deixar cargas de longa duração.

A cor vermelha profunda dos sprites é causada pela luz emitida pelas moléculas de nitrogênio na atmosfera, explica McHarg. Os sprites vermelhos podem se revelar importantes para a química da atmosfera e para o clima global, ao mudar as concentrações de óxido nítrico nas camadas superiores da atmosfera.

Os pesquisadores empregam uma técnica chamada espectroscopia de alta velocidade para estudar as diferentes cores dos sprites para determinar a quantidade de energia que os sprites carregam e descobrir mais sobre sua composição química.

Como ver um sprite

Blue jets ona  dark sky

Outra pesquisa financiada pela NSF estudou os jatos azuis, parentes próximos dos sprites vermelhos.
Crédito e imagem ampliada

Podem as pessoas que observam trovoadas em terra, vislumbrar os sprites vermelhos e os jatos azuis a olho nú? Sim, se eles souberem para onde olhar.

Os observadores têm que estarem em condições de visualizar uma trovoada distante, sem nuvens no meio, em uma área sem as luzes de uma cidade. E aí eles precisam olhar para cima da tempestade, não para os relâmpagos dentro das nuvens.

É provável, segundo os cientistas, que, se os observadores esperarem o suficiente, eles vejam um sprite vermelho. Os jatos azuis são mais difíceis de flagrar. O melhor ponto de observação provavelmente seria de dentro de uma aeronave que sobrevoasse a trovoada a quilômetros de distância.

Com seus pneus de borracha, um carro pode ser o veículo mais seguro de onde se pode caçar os efêmeros sprites das nuvens de trovoadas.


Banda de Möbius em cristal líquido


University of Warwick

Bandas de Möbius dão nós em cristal líquido – novas possibilidades de materiais para dispositivos fotônicos

Cientistas da Universidade de Warwick demonstram como fazer nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica

 IMAGEM: Nós de cristal líquido criados em torno de partículas em banda de Möbius em miniatura (simulação).

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Texto original em inglês por Anna Blackaby, contato com a imprensa da Universidade de Warwick.

Os cientistas da Universidade de Warwick demonstraram como se ata nós em cristais líquidos com o uso de uma banda de Möbius em miniatura, feita de partículas de sílica.

Atando substâncias como o cristal líquido em nós, os pesquisadores esperam compreender melhor como suas intrincadas configurações e suas propriedades ímpares podem ser aproveitadas para a próxima geração de materiais avançados e dispositivos fotônicos. 

O cristal líquido é um material essencial na vida moderna – as telas planas de nossos computadores, TVs e smartphones, todos fazem uso de suas propriedades de modulação da luz.

Eles são compostos de moléculas finas, com aspecto de haste, que se auto-alinham de forma a apontarem em uma única direção. Ao controlar o alinhamento dessas moléculas, os cientistas podem literalmente atá-las em um nó.

Para fazê-lo, eles simularam adicionar uma partícula de sílica do tamanho de um mícron – ou seja, um coloide – ao cristal líquido. Isto perturba a orientação das moléculas de cristal líquido.

Por exemplo, um coloide na forma de uma esfera fará com que as moléculas de cristal líquido se alinhem perpendicularmente à superfície da esfera, um tanto como as cerdas de um porco-espinho.

Usando um modelo teórico, os cientistas da Universidade de Warwick tomaram este princípio e o estenderam a coloides que tem um formato de nó, na forma de uma banda de Möbius.

Uma banda de Möbius com uma torção não forma um nó, entretanto com três, quatro e cinco torções ela se torna um nó de trevo, um nó de Salomão, ou um nó quinquefólio respectivamente.

 IMAGEM: Uma visualização da configuração média das moléculas em um nó de cristal líquido (simulação).

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Adicionando-se essas partículas especialmente projetadas, elas forçam o cristal líquido a assumir a mesma estrutura, criando um nó no cristal líquido.

Gareth Alexander, Professor Assistente em Física e Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick declarou: “Os nós são objetos fascinantes e versáteis, que nos são familiares desde que começamos a amarrar nossos sapatos”.

“Recentemente foi demonstrado que os nós podem ser criados em vários conjuntos naturais, tais como campos eletromagnéticos, luz laser, vórtices fluidos e cristais líquidos”.

“Esses nós são mais intrincados do que aqueles dos sapatos, já que se trata de todo um material contínuo e não somente um cadarço o que é amarrado”.

“Nossa pesquisa estende o trabalho anterior para aplicações em cristais líquidos, a substância que vemos todos os dias em nossas TVs, smartphones e telas de computador”.

“Estamos interessados nisto porque a criação e o controle desses intrincados campos em nós é uma nova avenida que se abre para o projeto de novos metamateriais e dispositivos fotônicos”.

 

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O estudo, publicado em PNAS, tem o título Knots and nonorientable surfaces in chiral nematics e é assinado por Thomas Machon e Gareth Alexander ambos do Departamento de Física e do Centro de Ciências da Complexidade na Universidade de Warwick.

A pesquisa foi financiada pelo Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

A pesquisa está disponível neste site:

http://www.pnas.org/content/early/2013/08/09/1308225110.abstract

 

“Baterias não incluídas”… NEM PRECISA!


University of Washington

Dispositivos sem fio se tornam também sem-baterias com uma nova técnica de comunicações

 IMAGEM: Empregando a retrodifusão ambiente, estes dispositivos podem interagir com usuários e se comunicarem entre si, sem usar baterias.

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Podemos estar um passo mais perto de uma realidade de internet-de-coisas.

Engenheiros da Universidade de Washington criaram um novo sistema de comunicação sem fio (“wireless”) que permite que os dispositivos interajam entre si sem precisar de baterias ou fios para energizá-los.

A nova técnica de comunicações, que os pesquisadores chamam de “retrodifusão ambiente”, aproveita as transmissões de TV e celulares que já nos envolvem o dia todo. Dois dispositivos se comunicam entre si por meio da reflexão dos sinais já existentes para trocar informações. Os pesquisadores construíram dispositivos pequenos e sem baterias que podem detectar, coletar e refletir um sinal de TV que é, por sua vez, captado por outros dispositivos similares.

A tecnologia pode permitir que uma rede de dispositivos e sensores se comuniquem sem que seja necessária uma fonte de energia ou mesmo de supervisão humana.

“Nós podemos reutilizar os sinais sem fio que já estão em torno de nós, tanto em uma fonte de energia, como em meio de comunicação”, declara o principal pesquisador Shyam Gollakota, um professor assistente de engenharia e ciências de computação da UW. “Esperamos que isso tenha aplicações em diversas áreas, inclusive computadores “vestíveis”, casas inteligentes e redes de sensores auto-sustentáveis”.

Os pesquisadores publicaram seus resultados na conferência do Grupo de Interesse Especial em Comunicação de Dados da Associação para Maquinário de Computação em Hong Kong que começa nesta data. Eles receberam o prêmio de melhor artigo da conferência por esta pesquisa.

“Nossos dispositivos formam uma rede a partir do nada”, comenta o co-autor Joshua Smith, um professor associado de engenharia e ciências de computação e de engenharia elétrica da UW. “Pode-se refletir esses sinais ligeiramente para criar um código Morse de comunicação entre dispositivos sem baterias”.

 IMAGEM: Objetos do dia a dia podem ser energizados pelo novo dispositivo para continuarem funcionando depois de esgotar suas baterias. Um dos possíveis usos é um sinalizador que permite encontrar o chaveiro perdido, sem precisar de baterias.

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Sensores inteligentes podem ser fabricados e posicionados de modo permanente dentro de quase qualquer estrutura, e então postos em comunicação entre si. Por exemplo, sensores colocados em uma ponte podem monitorar a saúde do concreto e do aço, e enviar um sinal de alarme se detectarem uma rachadura minúscula. A tecnologia pode também ser usada para as comunicações – por exemplo, mensagens de texto e emails – em dispositivos “vestíveis” (ou seja, incluídos na indumentária), sem necessitar de baterias como fonte de energia.

Os pesquisadores testaram a técnica de retrodifusão ambiente com protótipos do tamanho de um cartão de crédito, postados a alguns metros de distância. Em cada dispositivo, os pesquisadores fizeram antenas com placas de circuito comuns que fazem piscar um LED quando recebem um sinal de comunicação de outro dispositivo.

Grupos desses dispositivos foram testados em diversas disposições na área de Seattle, inclusive dentro de um prédio de apartamentos, em uma esquina de rua e no andar de cima de um estacionamento. Todas essas posições ficavam entre menos de 1 km até 13 km de distância de uma torre de emissão de TV.

Eles descobriram que os dispositivos eram capazes de se comunicar entre si, mesmo aqueles mais afastados da torre de TV. Os dispositivos receptores captaram um sinal de suas contrapartes transmissoras a uma taxa de 1 kilobit por segundo quando separados por uns 75 cm nos exteriores e 45 cm nos interiores. Isto é o bastante para enviar informações tais como leituras de um sensor, mensagens de texto e informações de contacto.

Também é concebível montar esta tecnologia em dispositivos que usam baterias, tais como smartphones. Ela pode ser configurada de modo tal que, quando a bateria zerar, o telefone ainda possa enviar mensagens de texto, retirando a energia de um sinal de TV no ambiente.

As possibilidades de aplicações são inúmeras, dizem os pesquisadores, e eles planejam continuar melhorando a capacidade e o alcance das redes de comunicações por retrodifusão.

 IMAGEM: Os pesquisadores demonstram como um cartão de pagamentos pode transferir fundos para outro cartão, usando como fonte de alimentação os sinais ambientes de TV.

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Os outros pesquisadores envolvidos são David Wetherall, professor de engenharia e ciências de computação da UW, Vincent Liu, estudante de doutorado de engenharia e ciências de computação e Aaron Parks e Vamsi Talla, ambos estudantes de doutorado em engenharia elétrica.

A pesquisa foi financiada pela Universidade de Washington através de um Prêmio de Pesquisas Google e pelo Centro de Pesquisas para Engenharia Sensorimotor Neural da Fundação Nacional de Ciências na UW.

Para mais informações, contactar Gollakota e Smith em abc@cs.washington.edu.

Website da retrodifusão ambiental: http://abc.cs.washington.edu/

Vídeo no YouTube: http://youtu.be/gX9cbxLSOkE

Artigo: http://abc.cs.washington.edu/files/comm153-liu.pdf

Videos e imagens disponíveis em; http://www.washington.edu/news/2013/08/13/wireless-devices-go-battery-free-with-new-communication-technique/

Lentes na escala nanométrica?… Bolhas!


Penn State

Bolhas, as novas lentes para feixes de luz em nanoescala

 IMAGEM: Imagens de laboratório de um feixe de luz. A primeira, sem a lente de bolha; as três seguintes mostrando os efeitos das lentes de bolha.

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Entortar feixes de luz segundo seus caprichos pode parecer um trabalho para um feiticeiro ou para um complexo trambolho composto por espelhos, lentes e prismas, no entanto umas poucas pequenas bolhas de líquido podem ser tudo que preciso para abrir as portas para uma nova geração de circuitos e mostradores de alta velocidade, segundo os pesquisadores da Penn State.

Para combinar a velocidade da comunicação óptica com a portabilidade dos circuitos eletrônicos, os pesquisadores recorreram à nano-plasmônica – dispositivos que empregam ondas eletromagnéticas curtas para modular a luz na escala de nanômetros, onde a óptica convencional não funciona. No entanto, mirar e focalizar estes feixes de luz modulados para os alvos desejados é algo difícil.

“Existem diferentes dispositivos de estado sólido para controlar (feixes de luz), para ligá-los e desligá-los ou modulá-los, mas as suas manutenção e reconfiguração são muito limitadas”, diz Tony Jun Huang, professor associado de ciências de engenharia e mecânica. “Usar uma bolha apresenta um monte de vantagens”.

E a vantagem principal de uma lente de bolha é exatamente o quão rápido e facilmente os pesquisadores podem reconfigurar posição, tamanho e formato da bolha – todos coisas que afetam a direção e o foco de qualquer feixe de luz que passar através dela.

A equipe de Huang criou simulações separadas dos feixes de luz e das lentes de bolhas para predizer seus comportamentos e otimizar as condições, antes de combinar os dois no laboratório. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications.

Para formar lentes de bolha, os pesquisadores usaram um laser de baixa intensidade para aquecer água sobre uma superfície de ouro. O comportamento óptico da pequena bolha permanece constante, enquanto a potência do laser e a temperatura ambiente continuarem constantes.

 IMAGEM: Um feixe de luz em nano-escala, modulado por curtas ondas eletromagnéticas, conhecidos como SPP, passa pela lente de bolha.

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A simples movimentação do laser, ou o ajuste de sua potência, podem modificar a maneira como a bolha irá refratar um feixe de luz, tanto como um feixe de luz concentrado em um alvo específico, como uma onda dispersa. Mudar o líquido também afeta como um feixe de luz será refratado.

Os materiais para formar as lentes de bolha são baratos e as próprias bolhas são fáceis de dissolver, substituir e mover.

“Além de sua capacidade sem precedentes de reconfiguração e facilidade de manutenção, nossa lente de bolha tem ao menos mais uma vantagem sobre suas contra-partes de estado sólido: sua lisura natural”, acrescenta Huang. “Quanto mais lisa for uma lente, melhor será a qualidade da luz que passa através dela”.

Huang acredita que o próximo passo será descobrir como o formato da bolha influencia a direção do feixe de luz e a posição de seu ponto focal. A capacidade de ajuste fino desses feixes de luz permitirá melhoramentos em dispositivos biomédicos em chips e imageamento em resolução superior.

“Para todas essas aplicações, é realmente necessário controlar precisamente a luz em nano-escala e é aí que este trabalho pode ser um componente muito importante”, finaliza Huang.

 

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Chenglong Zhao, doutor associado para ciências de engenharia e mecânica, da Penn State, projetou e conduziu a experiência; Yongmin Liu, professor assistente de engenharia mecânica e industrial, e de engenharia elétrica e de computação da Northeastern University, trabalharam em conjunto com Nicholas Fang, professor associado de engenharia mecânica do MIT, para analisar os resultados e desenvolver simulações; e Yanhui Zhao, estudante de pós-graduação em ciências de engenharia e mecânica da Penn State, fabricou os materiais.

O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciências e o Centro para Ciência em Nano-escala da Penn State.

 

Novas notícias sobre o CO2


Traduzido de
Seasonal carbon dioxide range expanding as more is added to Earth’s atmosphere

Cientistas descobrem que os ecossistemas terrestres do Hemisfério Norte estão “tomando fôlegos mais profundos”

8 de agosto de 2013

The NSF/NCAR Gulfstream V aircraft in Anchorage, Alaska, outside the hangar

O avião Gulfstream V da NSF/NCAR em Anchorage, Alaska, durante o estudo HIPPO.
Crédito e imagem ampliada

Os níveis de dióxido de carbono na atmosfera aumentam e caem a cada ano, na medida em que as plantas, através da fotossíntese e respiração, armazenam o gás durante a primavera e o verão, e liberam o mesmo durante o outono e o inverno.

Agora a amplitude deste ciclo está se expandindo, na medida em que mais dióxido de carbono é emitido pela queima de combustíveis fósseis e outras atividades humanas, segundo um estudo liderado pelos cientistas da Instituição de Oceanografia Scripps (Scripps Institution of Oceanography = SIO).

As descobertas vêm de uma sondagem a bordo de aeronaves, ao longo de vários anos, HIAPER Pole-to-Pole Observations, ou HIPPO [NT: HIAPER = High-Performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research – Plataforma Aerotransportada com Instrumentos de Alto Desempenho para Pesquisa Ambiental; um programa da NSF – “Pole-to-Pole” é mesmo “Polo-a-Polo”…]

Os resultados do estudo são relatados em um artigo publicado online na edição desta semana da Science.

A Fundação Nacional de Ciências (National Science Foundation = NSF), junto com o Departamento de Energia dos EUA, o Centro Nacional de Pesquisas Atmosféricas (National Center for Atmospheric Research = NCAR), a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (National Oceanic and Atmospheric Administration  =NOAA) e o Escritório Naval de Pesquisas financiaram o estudo.

“Esta pesquisa fornece indícios dramáticos da influência significativa que a biosfera terrestre pode ter sobre a amplitude das tendências sazonais da troca de dióxido de carbono”, declarou Sylvia Edgerton, diretora de programa na Divisão de Ciências Atmosféricas e Geoespaciais da NSF que financiou a pesquisa.

As observações do dióxido de carbono atmosférico, feitas por aeronaves em altitudes entre 3 e 6 km, mostram que as variações sazonais do dióxido de carbono mudaram substancialmente nos últimos 50 anos.

A amplitude aumentou aproximadamente em 50% nas regiões acima dos 45° N, em comparação com observações aéreas do final da década de 1950 e início da década de 1960.

Isto quer dizer que mais carbono está sendo acumulado nas florestas, outros tipos de vegetação e solos do Hemisfério Norte durante o verão e mais carbono está sendo liberado para a atmosfera no outono e inverno, diz a principal cientista do estudo, Heather Graven do SIO.

Segundo ela, ainda não se sabe por que o aumento na amplitude da concentração do dióxido de carbono é tão grande, mas isso certamente é um indício claro de amplas mudanças nos ecossistemas do Norte.

HIPPO logo, or HIAPER Pole-to-Pole Observations

HIPPO, ou HIAPER Pole-to-Pole Observations. Os cientistas estudam os níveis de dióxido de carbono em escala mundial.
Crédito e imagem ampliada

“As observações do dióxido de carbono atmosférico são importantes porque elas mostram o efeito combinado das mudanças ecológicas em grandes regiões”, observa Graven.

“Isto reforça os estudos feitos com base no solo que mostram que estão ocorrendo mudanças substanciais como resultado do aumento das concentrações de dióxido de carbono, aumento das temperaturas e modificações do manejo das terra, inclusive a expansão das florestas em algumas regiões e a migração na direção do Polo Norte de ecossistemas”.

Peter Milne, diretor de programa na Divisão de Ciências Atmosféricas e Geoespaciais da NSF acrescenta: “Nós podemos medir facilmente o efeito estufa de uma chaminé, mas é um pouco mais difícil quando se trata de um renque de árvores. Conhecer este efeito para todo o planeta, é muito mais desafiador”

“Tirando vantagem da capacidade de voar por longas distâncias e em altas altitudes do Gulfstream V da NSF [também conhecido como HIAPER], o projeto HIPPO foi feito para tirar uma imagem instantânea da troposfera global [a camada mais baixa da atmosfera da Terra] e ver se podemos explicar e modelar a distribuição dos gases de efeito estufa”.

Neste estudo, os cientistas compararam os recentes dados da aeronave, com dados obtidos por aeronaves entre 1958 e 1961 pelos voos de reconhecimento meteorológico da Força Aérea dos EUA.

Os dados antigos foram analisados pelo geoquímico do SIO, Charles David Keeling, pai de Ralph Keeling, também um cientista do SIO e membro da equipe de pesquisa.

Essas medições feitas por aeronaves foram realizadas na época em que Charles Keeling estava começando a fazer medições contínuas do dióxido de carbono no Mauna Loa, Hawaii.

Muito embora as medições no Mauna Loa seajm atualmente amplamente conhecidos como a “Curva de Keeling”, os dados antigos colhidos pelas aeronaves estavam quase que totalmente esquecidos.

As concentrações de dióxido de carbono na atmosfera variaram entre 170 e 280 partes por milhão (PPM) ao longo dos últimos 800.000 anos.

Quando Charles Keeling começou a coletar os dados no Mauna Loa em 1958, a concentração tinha subido para cerca de 315 PPM.

Air-sampling flasks used during HIPPO flights and researcher Andy Watt on the plane

Frascos para coleta de amostras de ar, usadads durante os voos HIPPO; o pesquisador Andy Watt cuida deles.
Crédito e imagem ampliada

Em maio de 2013, a medição diária do dióxido de carbono no Mauna Loa passou das 400 PPM pela primeira vez na história da humanidade.

As recentes observações a bordo do Gulfstream V foram feitas durante voos regulares, realizados durante a campanha HIPPO, de 2009 a 2011.

A aeronave repetidamente subiu e desceu desde poucas centenas de metros até cerca de 12 km (40.000 pés) nos céus entre o Polo Norte e a Antártica. A meta era construir uma figura única da composição química da atmosfera.

Outros dados recentes vêm de voos regulares realizados pela NOAA em uma rede de localidades.

O aumento da amplitude do dióxido de carbono, desde 1960, já tinha sido detectado em duas estações em terra: Mauna Loa e Barrow, Alaska.

Outras estações operadas pelo Scripps e pela NOAA só começaram a medir o dióxido de carbono entre as décadas de 1970 e 1990.

As observações a bordo de aeronaves mostram de modo único a grande área nas altas latitudes do Norte onde a amplitude do dióxido de carbono aumentou fortemente desde 1960.

As razões exatas para as variações sazonais mais amplas de dióxido de carbono ainda precisam ser encontradas, dizem os pesquisadores.

Embora a atividade das plantas possa aumentar com temperaturas mais quentes e concentrações maiores de dióxido de carbono, a mudança na amplitude do dióxido de carbono é maior do que se esperava com esses dois efeitos.

Geoscientist Ralph Keeling replaces used flasks filled with air samples

O geocientista Ralph Keeling substitui frascos usados, cheios de amostras de ar, com novos frascos.
Crédito e imagem ampliada

A concentração de dióxido de carbono aumentou em 23% e a temperatura média ao norte dos 30°N aumentou 1ºC desde 1960.

Outros fatores podem incluir a quantidade de carbono nas folhas, caules e raízes; mudanças nas extensões ou na composição de espécies de ecossistemas; ou ainda mudanças no tempo da fotossíntese e da respiração das plantas.

Os cientistas descobriram que simular processos complexos em ecossistemas terrestres com modelos de computador é um desafio.

A mudança na amplitude do dióxido de carbono observada é maior que aquela simulada pelos modelos empregados pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (Intergovernmental Panel on Climate Change = IPCC).

Embora esta subestimação não ponha em questão as respostas do clima às concentrações de dióxido de carbono nos modelos do IPCC – segundo os pesquisadores – ela sugere enfaticamente que uma melhor compreensão sobre o que vem acontecendo nos últimos 50 anos pode melhorar as projeções sobre futuras mudanças nos ecossistemas.

Ao fim e ao cabo, segundo Graven, Ralph Keeling e seus colegas, o fato é que o Hemisfério Norte parece estar se comportando de modo diferente do que fazia há 50 anos.

Além de Graven e Ralph Keeling, os co-autores do artigo da Science  incluem Stephen Piper, Lisa Welp e Jonathan Bent do SIO; Prabir Patra Instituto de Pesquisas de Mudanças Globais de Yokohama, Japão; Britton Stephens do NCAR; Steven Wofsy, Bruce Daube e Gregory Santoni da Universidade Harvard; Colm Sweeney da NOAA e do Instituto Cooperativo para Pesquisas em Ciências Ambientais da Universidade do Colorado, Boulder; Pieter Tans da NOAA; John Kelley da Universidade do Alaska, Fairbanks e Eric Kort do Laboratório de Propulsão a Jato em Pasadena, Califórnia.

-NSF-

Contactos para a mídia:
Cheryl Dybas, NSF (703) 292-7734 cdybas@nsf.gov
Rob Monroe, SIO (858) 349-1723 rmonroe@ucsd.edu
David Hosansky, NCAR (303) 497-8611hosansky@ucar.edu

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As pequenas colisões dão energia às tempestades de poeira

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Crédito da imagemt: squeaks2569 via flickr | http://bit.ly/133kwVc
Informações sobre direitos: http://bit.ly/c34Awz

08 de agosto de 2013
Por: Sophie Bushwick, Contribuidora do ISNS
(ISNS) – Tempestades de poeira podem varrer milhões de toneladas de solo e mandar o turbilhão de poeira a milhares de quilômetros de distância. Muito embora essas tempestades pareçam ser enormemente poderosas, parte de sua força na verdade deriva da fonte mais aparentemente insignificante: as colisões em pleno ar entre os grãos de poeira ou areia.
Quando as partículas em suspensão no ar se chocam contra o chão durante uma tempestade de poeira, elas lançam as partículas que repousavam no solo, para atmosfera, da mesma forma que uma ventania recolhe as gotículas d’água de um lago. Este processo, chamado saltação, carrega ainda mais poeira e debris para a atmosfera. Algumas dessas partículas vão voar como saltons, enquanto que as assim chamadas reptons caem de volta e se assentam sobre o solo.
Porém um novo estudo publicado na Physical Review Letters sugere que o destino de uma partícula depende de mais fatores do que estes derrame sobre o solo. Uma colisão em pleno ar pode modificar o comportamento individual de uma partícula — e o movimento da tempestade como um todo.
Para examinar os efeitos dessas colisões, uma equipe internacional de pesquisadores criou um modelo tri-dimensional de computação que incorpora o comportamento de partículas individuais durante uma tempestade de poeira, dando a cada partícula o tamanho aproximado de um grão de areia.
Quando os cientistas mandavam sua simulação ignorar essas colisões em pleno ar, o fluxo da tampestade ficava três vezes mais fraco do que quando o computador levava em conta essas colisões. Isso soa meio contra-intuitivo — seria de se esperar que ir de encontro a um obstáculo fosse encurtar a trajetória de uma partícula, não aumentá-la. No entanto, as colisões em pleno ar podem criar mais saltons que voam mais alto, o que acrescenta mais poeira à tempestade.
“Os saltons passam a maior parte do tempo no ar e, por causa disso, ganham mais velocidade graças às interações com os ventos”, explica o co-autor Nuno Araújo do Instituto de Materiais de Construção de Zurique. “Assim, quando eles colidem com o chão, causam um efeito splash maior”.
Claramente, os saltons podem contribuir para a intensidade de uma tempestade. Porém sua criação depende de colisões com o chão, não com outras partículas em suspensão no ar, ao menos de acordo com o modelo original. O novo estudo afirma que esse quadro está errado. Para começo de conversa, os reptons se dividem em duas categorias distintas: os rastejantes que mantêm o contato com o chão, e os saltadores que dão pequenos saltos sobre a superfície.
“Quando os saltons tentam voltar e tocar o chão, eles colidem com esses saltadores”, explana Araújo. “Em vez de caírem direto no chão, eles tocam um e tocam outro. O que estamos explicando agora é que esses saltons são criados devido ao histórico de colisões que eles têm em pleno ar, não durante o splash. Na maioria das vezes, é quando estão no meio do salto que os saltadores colidem com outras partículas e se tornam saltons”.
Além de poder incluir ou excluir as colisões em pleno ar em suas tempestades de poeira, os pesquisadores também podiam alterar várias propriedades de suas partículas simuladas. Isto os ajudou a encontrar os fatores que maximizariam o fluxo de debris voadores.
Os cientistas descobriram que uma tempestade fica mais forte quando for feita do tipo de partículas que percam cerca de 30% de sua energia cinética em uma colisão. E – surpresa!… – grãos de areia preenchem estes requisitos.
A areia é o material perfeito para aumentar a intensidade de uma tempestade de poeira, o que explica por que as tempestades de areia podem ser tão destrutivas. Além de jogarem o solo de um lado para o outro, tempestades de poeira e areia contribuem para a erosão, danos a obras humanas e uma pletora de problemas de saúde, desde asma até os fungos aeromóveis que causam a febre do vale de San Joaquin.
Para se preparar adequadamente para essas tempestades e, quem sabe, impedir que a poeira se torne voadora, para começar, os cientistas precisam fazer modelos de tempestades de poeira tão acurados quanto possível. “Não se pode começar observando um modelo e identificar exatamente quais serão os locais de onde a poeira pode subir”, afirma William Sprigg, da Universidade do Arizona em Tucson.
Uma vez que os pesquisadores saibam a fonte da poeira, eles podem tentar mantê-la no chão, usando vários métodos, desde a proibição de veículos recreacionais, o que permite que a área mantenha uma crosta firme, até a mais trabalhosa colocação de redes com sementes, o que criaria uma vegetação de superfície para manter o solo fixo.
Embora a incorporação do novo estudo possa acrescentar novas informações para os modelos de tempestades de poeira, alguns deles já provaram sua capacidade. Por exemplo, o Dust REgional Atmosphere Model, (DREAM = Modelo Regional de Poeira) da Universidade do Arizona, desenvolvido por Slobodan Nickovic. Em julho de 2011, o DREAM previu a massiva tempestade de poeira que engolfou a cidade de Phoenix, Arizona.
Tal como descreve Sprigg, “Essa poeira tem quilômetros de altura, cerca de 60 km de profundidade. E nosso modelo se saiu muito bem na previsão do que essa tempestade iria se tornar com dois dias de antecedência”.
E enquanto as novas informações sobre as colisões em pleno ar podem auxiliar os sistemas de previsão de tempestades de poeira, também tem outras aplicações. Afinal, a saltação não afeta apenas a formação de tempestades de poeira, ela também contribui para a movimentação dos solos dos desertos.
Como explica Araújo, “Esta mudança de comportamento no transporte em massa pode modificar o que sabemos acerca da formação e evolução das dunas”.

Sophie Bushwick é uma escritora de ciências freelance da cidade de Nova York. Seus trabalhos já foram publicados em vários meios de comunicação impressos e online.

 

Seis imagens do mesmo quasar, ao mesmo tempo


University of Copenhagen – Niels Bohr Institute

O mesmo Quasar observado em 6 reflexos de luz distintos

 IMAGEM: Esta é a imagem – ou antes, as seis imagens do mesmo quasar – refratado pelo fenômeno de lentes gravitacionais.

Clique aqui para mais informações.

Quasares são buracos negros ativos – originários principalmente dos primórdios do universo. Empregando um método especial onde se pode a luz refratada pela gravidade ao longo de seu caminho através do universo, um grupo de estudantes de física do Instituto Niels Bohr observou um quasar cuja luz foi refratada e refletida em seis imagens diferentes. Esta é a primeira vez que se observa tantas imagens refratadas de um mesmo quasar. O resultado das observações está sendo publicado no  Astrophysical Journal.

 IMAGEM: Nordic Optical Telescope, NOT, em La Palma na Espanha.

Clique aqui para mais informações.

 

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Artigo no Astrophysical Journal: http://stacks.iop.org/0004-637X/773/146

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Novo tipo de estrela “nova”: “kilonova”

3 de agosto de 2013
Por: J.D. Harrington – NASA Headquarters, Washington

GRB 130603B. 13 de junho de 2013. Crédito: HubbleSite, NASA.

O Telescópio Espacial Hubble da NASA apresentou recentemente os mais fortes indícios até agora de que erupções de raios gama de curta duração são produzidas pela fusão de dois objetos estelares pequenos e super-densos.

Os indícios residem na detecção de um novo tipo de explosão estelar, batizado de “kilonova”, que resulta da energia liberada quando um par de objetos compactos se espatifam mutuamente. O Hubble observou, no último mês, a cada vez menos brilhante bola de fogo que se seguiu a uma curta erupção de raios gama (gamma ray burst = GRB) em uma galáxia a quase 4 bilhões de anos-luz da Terra. Era previsto que o fenômeno de uma kilonova acompanhasse uma GRB de curta duração, mas isto ainda não tinha sido visto.

“Esta observação finalmente resolve o mistério da origem das erupções de raios gama de curta duração”, afirmou Nial Tanvir da Universidade de Leicester no Reino Unido. Tanvir liderou uma equipe de pesquisadores que usaram o Hubble para estudar a recente GRB de curta duração. “Vários astrônomos, inclusive nosso grupo, já tinham apresentado muitos indícios de que as erupções de raios gama de longa duração (aqueles que duram mais que dois segundos) são produzidos pelo colapso de estrelas extremamente massivas. Mas só tínhamos fracos indícios circunstanciais de que as erupções curtas fossem produzidas pela fusão de objetos compactos. Este resultado parece dar a prova definitiva que apoia este cenário”.

Os resultados da equipe estão publicados na edição especial online de hoje da Nature.

Uma kilonova é cerca de 1.000 vezes mais brilhante do que uma nova, que é causada pela erupção de uma anã branca. A auto-detonação de uma estrela massiva, uma supernova, pode ser até 100 mais brilhante do que uma kilonova. As erupções de raios gama são misteriosos flashes de intensa radiação de alta energia que aparecem de direções aleatórias no espaço. Erupções de curta duração duram no máximo alguns segundos, no entanto, algumas vezes, produzem tênues rastros luminosos em luz visível e infravermelha que persiste por várias horas e mesmo dias. Esses rastros luminosos ajudaram aos astrônomos a estabelecer que as GRBs vêm de galáxias distantes.

Concepção artística da fusão de duas estrelas de nêutrons. Crédito: HubbleSite NASA.

Os astrofísicos predisseram que as GRBs de curta duração seriam criados quando um par de estrelas de nêutrons super-densas em um sistema binário espiralassem até colidir. Enquanto este evento está acontecendo, o sistema emite radiação gravitacional que cria pequenas ondas na tessitura do espaço-tempo. A energia dissipada pelas ondas faz com que as duas estrelas se aproximem ainda mais. Nos milissegundos finais, antes da explosão, as duas estrelas se fundem em uma espiral mortal que expele material altamente radioativo. Esse material se aquece e se expande, emitindo um jato de luz.

Em um recente artigo científico Jennifer Barnes e Daniel Kasen da Universidade da California em Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley apresentaram novos cálculos predizendo como as kilonovas deveriam parecer. Eles predisseram que o mesmo plasma quente que produz a radiação, também bloquearia a luz visível, fazendo com que o jorro de energia da kilonova exsudasse na forma de infravermelho próximo por vários dias.

Uma inesperada oportunidade para testar este modelo apareceu em 3 de junho, quando o Telescópio Espacial Swift da NASA captou a erupção de raios gama extremamente brilhante, catalogada como GRB 130603B.  Embora o clarão inicial de raios gama tenha durado apenas um décimo de segundo, ele era aproximadamente 100 bilhões de vezes mais brilhante que o subsequente flash da kilonova.

Desde 12-13 de junho, o Hubble varreu o local da erupção inicial, localizando um tênue objeto avermelhado. Uma análise independente dos dados de outra equipe de pesquisas confirmou a detecção. As observações subsequentes do Hubble em 3 de julho revelaram que a fonte tinha se apagado, comprovando assim que o brilho em infravermelho era de uma explosão causada pela fusão de dois objetos.

Para imagens e mais informações sobre a kilonova, visite:

http://hubblesite.org/news/2013/29

Para mais informações sobre o Telescópio Espacial Hubble, visite:

http://www.nasa.gov/hubble

Gotículas líquidas dão pistas sobre comportamentos quânticos

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Traduzido de: Liquid Droplets Reveal Clues To Quantum Behavior

Uma gota de fluido, ao atingir a superfície de um banho fluido, produz ondas que, por sua vez, impelem a gotícula ao longo do banho. Crédito da imagem: Dan Harris (licença de uso da Creative Commons)

Uma experiência que pode revelar os detalhes de pequena escala do universo.

Original publicado em: 2 de agosto de 2013
Por: Charles Q. Choi, Contribudor do ISNS 
(ISNS) — Depois que uma gotícula cai em um recipiente de fluido sob vibração, o que ela faz a seguir pode ajudar a resolver mistérios fundamentais da física quântica. Agora os cientistas mapearam o comportamento dessas gotículas em maior detalhe do que jamais conseguido e descobriram que elas podem se mover de novos jeitos.
Se um recipiente de fluido vibrar com pouca intensidade, a gotícula que cai nele simplesmente desaparece no líquido. No entanto, se a vibração tiver a vibração exata, a gotícula pode quicar no mesmo lugar ou mesmo percorrer a superfície do fluido. Ela pode até se comportar de modo ainda mais bizarro. Dependendo de como o líquido for agitado, ela pode mudar regularmente o tamanho de seus saltos, ou ziguezaguear de maneira imprevisível.
Cada vez mais os cientistas descobrem que o comportamento desconcertante dessas gotículas peripatéticas imita estranhos efeitos que só foram observados anteriormente em nível microscópico no domínio quântico, onde os objetos podem aparentemente existir em dois ou mais lugares ao mesmo tempo, ou girar em duas direções opostas simultaneamente.
Por exemplo, uma das famosas descobertas da física quântica é que as partículas, que seria de se esperar que agissem como bolas de bilhar, podem se comportar como ondas que se poderia observar em um laguinho. Se uma onda que viaja na superfície da água, encontrar uma barreira com duas fendas, é possível que, do outro lado da barreira, surjam duas ondas, criando uma série de ondulações conhecidas como um padrão de interferência. Elétrons e outras partículas quânticas que atinjam uma tela com dois orifícios nela, vão gerar padrões de interferência semelhantes, se comportando essencialmente tanto como uma partícula, como uma onda em diferentes partes de seu caminho.
Acontece que as ondulações geradas por uma gotícula, quando elas passam por fendas em barreiras submersas em um recipiente de fluido sob vibração, recriam o mesmo padrão de ondas. “De uma certa forma ela se comporta como uma partícula, de outra forma, como uma onda”, declara o pesquisador John Bush, um professor de matemática aplicada e dinâmica de fluidos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology = MIT).
O jeito com o qual essas gotículas se comportam corresponde a uma tentativa, por muito tempo negligenciada, para explicar o comportamento ondulatório das partículas quânticas. Nos primórdios da física quântica, o físico francês Louis de Broglie sugeriu que as partículas quânticas eram transportadas por ondas-guia de algum tipo, tal como uma boia o é pela maré. Mas como não foi descoberto qualquer exemplo físico para a assim chamada teoria da onda-guia, ela foi quase inteiramente abandonada — até o aparecimento dessas gotículas saltitantes e fluidos sob vibração, descobertos em 2005 pelo físico francês Yves Couder, o primeiro exemplo real da teoria da onda-guia, desde sua proposição, há mais de 80 anos, segundo Bush.
Estas recentes descobertas podem reacender a questão sobre se existe um fundamento secreto para a física quântica. Sistemas de ondas-guia são caóticos, assim como os sistemas meteorológicos – eles são sensíveis a perturbações de uma forma que pode fazê-los se comportarem de maneira probabilística, igual às partículas quânticas.
“Se os sistemas de ondas-guia puder reproduzir os mistérios da mecânica quântica com uma dinâmica observável, existe a possibilidade de que eles possam fornecer pistas sobre como a dinâmica pode funcionar na escala quântica”, declara Bush.
Agora Bush e seus colegas realizaram a análise mais detalhada até hoje de como as gotículas quicam e caminham em fluidos vibrantes. Eles também descobriram, inesperadamente, um novo tipo exótico de gotícula caminhante: aquelas com um passo variável, onde as velocidades com as quais quicam para cima e para baixo.
Os cientistas exploraram como gotículas de diferentes tamanhos e viscosidades – seu nível de resistência ao fluxo – se comportavam em fluido vibrado em frequências variantes. O dispositivo experimental compreendia um prato circular, cheio de óleo de silicone, agitado na vertical por um vibrador industrial. As gotículas, com tamanhos variando de 400 a 1000 mícrons — ou seja, de 4 a 10 vezes o tamanho médio de um cabelo humano — foram criadas mergulhando-se rapidamente uma agulha no fluido. E câmeras de alta velocidade ajudaram a medir o tamanho das gotículas e registrar seu comportamento.
“As experiências eram extremamente delicadas, sensíveis a vibrações de origem externa”, comenta Bush. “Nós temíamos os efeitos da passagem dos trens do metrô”.
Ainda é algo incerto o que as descobertas dos pesquisadores podem revelar, embora os resultados estejam encorpando os modelos teóricos que Bush e seus colegas desenvolveram para descrever o comportamento dessas gotículas. Seus trabalhos podem melhorar as chances de descobrir análogos líquidos ao domínio quântico, segundo Bush. As descobertas de suas recentes pesquisas foram detalhadas em um trio de artigos a serem publicados em agosto, dois deles em Journal of Fluid Mechanics  e o terceiro em Physics of Fluids.
“Agora dispomos de todo um novo enfoque para o problema de descrever o domínio quântico”, declarou o físico teórico Antony Valentini da Universidade Clemson na Carolina do Sul, que não participou deste estudo.
“Esses modelos analógicos certamente vão sugerir novas ideias teóricas, assim como nos inspirar a repensar as ideias originais de de Broglie dos anos 1920. Os modelos provavelmente também vão sugerir novas maneiras de resolver a mecânica quântica, assim como o quanto a teoria quântica pode ser modificada”.

Charles Q. Choi é um escritor de ciências freelance da Cidade de Nova York, que já escreveu para o The New York Times, Scientific American, Wired, Science, Nature  e várias outras publicações.

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