O tamanho do Universo: uma pegunta difícil (parte 3)
Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo
autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada
violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan
Siegel em “Starts with a Bang” vai aí abaixo.
Desvio para o vermelho (redshift) e Distância no Universo em Expansão
Category: Astronomy • Dark Energy • Galaxies • Gravity • relativity
Posted on: August 5, 2009 4:23 PM, by Ethan Siegel
Na semana passada [NT: eu me atrasei com a tradução – este post é de 5 de agosto], começamos a falar sobre como entender o tamanho do Universo e continuamos nesta com algumas informações sobre distâncias e movimento no Universo. Isto nos traz a meu caso particular favorito que nos leva à expansão de Hubble.
Desvio para o vermelho (redshift). Como se pode ver, sempre que um átomo ou uma molécula emite luz, o faz em uns poucos comprimentos de onda específicos. Por exemplo, se for hidrogênio, teremos sempre luz nos comprimentos de 656 nanômetros (vermelho), 486 nm (ciano), 434 nm (indigo), 410 nm
(violeta) e 397 nm (na fronteira entre o violeta/ultravioleta):
Agora, existem três coisas — e somente três (a menos que você queira entrar em detalhes realmente técnicos) — que podem acontecer que mudam os comprimentos dessa luz. Senão vejamos:
1. Desvio para o vermelho gravitacional. Se estivermos nas profundezas de um campo gravitacional (tal como próximo de um buraco negro), temos que usar energia para sair dele. Para luz de todos os tipos, a energia e o comprimento de onda são intimamente relacionados. Menor comprimento de onda = maior energia e maior comprimento de onda = menor energia. De forma que, se precisar escapar de um campo gravitacional forte, a luz perde energia e, assim, seu comprimento de onda é desviado para o vermelho. Isso é o que chamamos de desvio para o vermelho, quando acontece algo que torna o comprimento de onda mais longo e com menor energia. Mas o desvio para o vermelho gravitacional raramente é significativo: dois outros efeitos são muito mais importantes.
2. Desvio para o vermelho causado pelo movimento. Se um objeto que emite luz, se move para longe de você, a luz fica desviada para o vermelho. É exatamente o mesmo efeito – o Efeito Doppler – que faz com que a sirene de uma ambulância fique mais grave quando ela se afasta de você. Quer saber? Se um objeto que emite luz, se mover em sua direção, a luz sofre um desvio para o azul e fica mais energética! (É o que vemos com relação à luz vinda da galáxia de Andrômeda, uma das pouquíssimas no Universo que se move em nossa direção). E, embora esse dado seja extremamente útil, não é o que acontece em geral com a luz no Universo. Lembre-se: eu disse que essas galáxias distantes não estão se movendo – o espaço entre elas está simplesmente se expandindo. Então, adivinhe só!…
3. O Espaço em expansão causa um desvio para o vermelho! (E obrigado a av8n.com pela imagem!) Como você pode ver, na medida em que o espaço se expande (acima), os comprimentos de onda da luz nele também se expandem, como se pode ver abaixo.
E este último efeito é que é importante para o Universo em expansão. Por que? Bem, se medirmos a luz de vários objetos distante e calcularmos suas distâncias, podemos – apenas com base no desvio para o vermelho dos objetos – aprender toda a história de como o Universo se expandiu. E o desvio para o vermelho também é fácil de medir.
É a partir de literalmente milhões e milhões dessas medições individuais que conseguimos estabelecer toda a história de como o Universo se expandiu. Entre outras coisas, foi assim que descobrimos a energia escura e o Universo em aceleração! Uma coisinha notável e, no entanto, nem um pouco intuitiva.
Então, o que se deve tirar disso? Que, na medida em que a luz atravessa o espaço e esse espaço se expande, ele (o espaço) faz com que a própria luz se expanda, também. Assim é que aprendemos a história da expansão cósmica em nosso Universo. Repito: é a expansão que causa esse desvio para o vermelho, não o movimento. Espero que isso clareie esse negócio meio complicado apresentado até agora!
O baile das moléculas da água
Menlo
Park, Califórnia — A água é familiar para todos — ela dá forma aos nossos corpos e nosso planeta. Porém, apesar de toda essa abundância, a estrutura molecular da água tem permanecido um mistério e as muitas estranhas propriedades dessa substância ainda são mal compreendidas. Um recente trabalho no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC (do Departamento de Energia) e várias universidades na Suécia e no Japão está trazendo novas informações sobre as idiossincrasias das moléculas de água e revelando novidades sobre seu comportamento conjunto em grandes quantidades.
Ao todo, a água exibe 66 anomalias conhecidas que incluem uma densidade que varia de modo estranho, um grande calor específico e uma alta tensão superficial. De modo oposto aos outros líquidos “normais” que se tornam mais densos quanto mais baixa for a temperatura, a água alcança sua densidade máxima no entorno dos 4°C. Acima e abaixo dessa temperatura, a água é menos densa; motivo pelo qual os lagos congelam da superfície para baixo, por exemplo. A água também tem uma capacidade incomum de armazenar calor, o que estabiliza a temperatura dos oceanos, e uma alta tensão superficial que permite que insetos caminhem sobre a água, que gotas se formem e que as árvores levem a água a grandes alturas.
— Compreender essas anomalias é muito importante porque a água é a base fundamental de nossa existência: sem água, sem vida. Nosso trabalho ajuda a explicar essas anomalias ao nível molecular nas temperaturas relevantes para a existência da vida – diz Anders Nilsson, cientista do SLAC que lidera as experiências.
Como as moléculas se dispõem na forma sólida da água (gelo) é algo há muito conhecido: as moléculas formam uma grade “tetraédrica”, com cada molécula se ligando a quatro outras. Entretanto, descobrir qual é o dispositivo das moléculas de água líquida se mostrou muito mais difícil. Por mais de 100 anos, essa estrutura foi objeto de um intenso debate. O modelo didático corrente sustenta que, já que o gelo é feito de estruturas tetraédricas, a água líquida deve ser parecida, porém com uma estrutura menos rígida, uma vez que o calor cria desordem e quebra as ligações. Quando o gelo se derrete, diz-se, as estruturas tetraédricas perdem sua força e se quebram com o aumento da temperatura, mas continuam tentando se manter, tanto quanto possível, na estrutura tetraédrica, o que resulta em uma distribuição homogênea em torno de estruturas tetraédricas distorcidas e parcialmente rompidas.
Recentemente, Nilsson e seus colegas dirigiram possantes raios-X gerados pela Fonte de Luz de Radiação Synchrotron Stanford no SLAC e do Synchrotron SPring-8 no Japão, sobre amostras de água líquida. Essas experiências indicaram que o modelo didático da água em temperatura ambiente estava incorreto e que, inesperadamente, existem dois tipos diferentes de estrutura – uma muito desordenada e outra muito tetraédrica – não importa em qual temperatura.
Em um artigo publicado ontem em Proceedings of the National Academy of Sciences, os pesquisadores revelam a descoberta adicional de que os dois tipos de estrutura ficam espacialmente separados, com as estruturas tetraédricas aglomeradas em amontoados de cerca de até 100 moléculas, cercadas por regiões desordenadas; o líquido é uma mistura flutuante desses dois tipos de estrutura em temperaturas que vão da ambiente até o ponto de ebulição. À medida em que a temperatura da água aumenta, restam cada vez menos aglomerados, mas sempre restam alguns deles em amontoados de tamanhos parecidos. Da mesma forma, os pesquisadores descobriram que as regiões desordenadas se tornam mais desordenadas ainda com o aumento da temperatura.
Nilsson descreve:
— Se pode visualizar isso como um restaurante com pista de dança, onde algumas pessoas se sentam em grandes mesas que ocupam um bom pedaço do espaço – como o componente tetraédrico da água – e outras pessoas ficam na pista de dança, de pé e próximas umas das outras e se movendo mais rápido ou mais devagar conforme o ritmo da música – tal como as moléculas nas regiões desordenadas respondem ao calor. Há uma troca de lugares quando as pessoas sentadas resolvem levantar e dançar, enquanto outras se sentam para descansar. Quando a pista de dança fica realmente cheia, as mesas podem ser removidas para abrir espaço para mais dançarinos, e quando as coisas esfriam, mais mesas podem ser trazidas de volta.
Essa compreensão mais detalhada da estrutura molecular e da dinâmica da água líquida em temperaturas ambientes espelha o trabalho teórico sobre água “super-resfriada”: um estado incomum onde a água não vira gelo, embora esteja muito abaixo do ponto de congelamento. Os teóricos postulam que, nesse estado, o líquido seja composto de uma mistura continuamente flutuante de estruturas tetraédricas e outras mais desordenadas, com a proporção entre os dois tipos variando em função da temperatura — exatamente como Nilsson e colegas descobriram ser o caso com a água nas temperaturas ambientes importantes para a vida.
— Antes, quase ninguém pensava que tais flutuações que levam a estruturas locais diferentes, existissem em temperaturas ambientes – diz Nilsson – Mas foi precisamente o que achamos.
Esse novo trabalho explica, em parte, as estranhas propriedades do líquido. O máximo de densidade da água a 4°C pode ser explicado pelo fato de que as estruturas tetraédricas são de menor densidade que não varia significativamente com a temperatura, enquanto que as regiões mais desordenadas – que têm maior densidade – se tornam mais desordenadas e portanto menos densas, com o aumento da temperatura. Da mesma forma, quando a água se aquece, a porcentagem de moléculas no estado mais desordenado aumenta, o que permite a essa estrutura excitável absorver significativas quantidades de calor, o que leva ao alto calor específico da água. A tendência da água em formar fortes pontes de hidrogênio explica a tensão superficial da qual se aproveitam os insetos para caminhar pela superfície.
Conectar a estrutura molecular da água com suas propriedades em grandes quantidades é algo tremendamente importante para campos do conhecimento que vão da medicina e biologia, à pesquisa de energia e climatológica. Congcong Huang, um pesquisador que realizou as experiências de difração de raios-X, declara:
— Se não conhecermos este material básico para a vida, como podemos estudar os materiais mais complexos dos quais é feita a vida – tal como as proteínas – que são imersos na água? Temos que compreender o simples, antes de podermos compreender o complexo.
Essa pesquisa foi realizada por cientistas do SLAC, Universidade de Estocolmo, Spring-8, Universidade de Tóquio, Universidade de Hiroshima e Universidade de Linkoping. O trabalho for financiado pela Fundação Nacional de Ciência (EUA), Fundação Sueca de Pesquisa Estratégica, Conselho Sueco de Pesquisas, Centro Nacional de Supercomputadores da Suécia e pelo Minsitério Japonês de Educação, Ciência, Esportes e Cultura.
O SLAC National Accelerator Laboratory é um laboratório multi-funcional que explora questões avançadas de ciência de fótons, astofísica, física de partículas e pesquisa com aceleradores. Localizado em
Menlo Park, California, o SLAC é operado pela Universidade de Stanford para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
As fases de um exoplaneta
06/08/09
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Exoplaneta orbitando próximo a seu sol. |
O novo telecópio Kepler da NASA, projetado para procurar exoplanetas, detectou a atmosfera de um gigante gasoso já conhecido, o que demonstra as extraordinárias capacidades científicas desse telescópio. A descoberta será publicada na edição de sexta-feira, 7 de agosto, da revista Science.
A descoberta se baseia em uns poucos 10 dias de dados coletados antes do início oficial das operações científicas. Essas observações demonstram a alta precisão do telescópio, pois foi feita antes mesmo que o software de análise de dados e a calibragem estivessem prontos.
Jon Morse, Diretor de Missões Científicas da Divisão de Astrofísica da NASA, declarou: “Na qualidade de primeira missão da NASA direcionada aos exoplanetas, o Kepler fez uma estréia espetacular. A detecção da atmosfera desse planeta com somente os 10 primeiros dias de dados é somente um aperitivo do que vai acontecer. A caça aos exoplanetas começou!”
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Distribuição das massas e tamanho das órbitas dos exoplanetas descobertos. Clique aqui para imagem ampliada. |
Os membros da equipe do Kepler dizem que esses novos dados indicam que a missão é realmente capaz de descobrir exoplanetas semelhantes à Terra, se eles existirem. O Kepler vai levar os próximos três anos e meio procurando por planetas pequenos como a Terra, inclusive aqueles que orbitem em uma zona quente o suficiente para haver água. Isso será feito procurando por quedas periódicas no brilho das estrelas que ocorrem quando os planetas que a orbitam “transitam”, ou seja, cruzam a frente das estrelas.
William Borucki, líder da equipe de pesquisas e principal autor do artigo, declarou: “Quando as curvas de luz de dezenas de milhares de estrelas foram mostradas para a equipe científica do Kepler, todos ficaram estarrecidos; ninguém tinha jamais visto antes medições tão minuciosamente detalhadas das variações da luz de tantos tipos diferentes de estrelas”.
As observações foram coletadas de um planeta chamado HAT-P-7, conhecido por transitar por uma estrela localizada a cerca de 1.000 anos-luz da Terra. Esse planeta orbita sua estrela em apenas 2,2 dias e está 26 vezes mais próximo do que a Terra de seu sol. Sua órbita, combinada com uma massa algo maior do que a de Júpiter, coloca esse planeta na classe dos “Júpiteres quentes”. Ele fica tão perto de sua estrela que ele fica tão quente quanto uma resistência de uma torradeira de pão.
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Comparação entre as curvas de luz obtidas a partir de observações da superfície da Terra e do espaço para o exoplaneta HAT P7b. |
As medições feitas pelo Kepler mostram o trânsito do exoplaneta HAT-P-7. Essas novas medições são tão precisas que elas mostram uma suave elevação e posterior queda da luz no meio do trânsito, causadas pela mudança de fases do planeta, similares às da nossa Lua. Além dessas elevação e queda, a curva de luz mostra uma pequena queda brusca, correspondente à “ocultação” que é quando o planeta passa por trás da estrela, bem no meio de cada trânsito.
Os novos dados obtidos pelo Kepler podem ser usados para estudar esse Júpiter-quente em detalhes jamais vistos. A profundidade da ocultação e o formato e amplitude da curva de luz mostram que o planeta tem uma atmosfera com uma temperatura diurna de cerca de 2.400 ºC. Pouco deste calor é levado ao frio lado noturno. O tempo de ocultação, comparado ao período total do trânsito, mostra que o planeta descreve uma órbita quase circular. A detecção da luz desse planeta confirma as previsões dos pesquisadores e dos modelos teóricos de que a emissão seria detectável pelo Kepler.
E essa descoberta também demonstra que o Kepler tem a precisão necessária para descobrir planetas do tamanho da Terra. A variação de brilho observada é apenas uma vez e meia a esperada para o trânsito de um planeta do tamanho da Terra. Mesmo sendo essa a medição de mais alta precisão jamais obtida por uma observação dessa estrela, o Kepler ficará ainda mais preciso depois que for completado o desenvolvimento do software de análise de dados.
David Koch, vice-chefe dos pesquisadores do Centro de Pesquisas Ames da NASA, em Moffet Field, Califórnia, diz: “Esses resultados preliminares mostram que o sistema de detecção do Kepler está funcionanado bem na marca. Isto é um bom augúrio para as possibilidades do Kepler detectar planetas do tamanho da Terra”.
O Kepler é uma missão NASA Discovery. O Centro Ames é responsável pelo desenvolvimento do sistema em Terra, pela operação da missão e pela análise dos dados científicos. O Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, em Passadena, Califórnia, gerencia o desenvolvimento da missão. A Ball Aerospace and Technologies Corporation, de Boulder, Colorado, é responsável pelo desenvolvimento do sistema de voo do Kepler e pelo apoio às operações da missão.
Má notícia: o permafrost está derretendo
[Livremente traduzido daqui: Permafrost Could Be Climate’s Ticking Time Bomb]
Pesquisadores realizam trabalho de campo para monitorar o derretimento do permafrost no Alaska e obter novos dados acerca da liberação de carbono para a atmosfera
Os estudantes de doutorado Gregory Lehn e Matt Knhosh conversam com o co-responsável pela pesquisa Jim McClelland. |
5 de agosto de 2009
Por Amanda Morris, Northwestern University
O terreno da Encosta Norte do Alaska não é íngreme, no entanto Andrew Jacobson ainda enfrenta dificuldades ao caminhar pela tundra esponjosa que é cheia de pedregulhos e enxames de mosquitos.
Jacobson,
um professor de ciências da Terra e Planetárias na Northwestern University,
extrai amostras de solo e água à procura de indícios acerca de uma das maiores bombas-relógio do aquecimento global que estão tiquetaqueando: o derretimento do permafrost.
O Permafrost,
ou terreno congelado, recobre aproximadamente entre 20 a 25% da superfície do hemisfério Norte e estima-se que contenha até 1.600 gigatons de carbono, principalmente na forma de matéria
orgânica. (Um gigaton equivale a 1 bilhão de toneladas). Em comparação, a atmosfera contém, atualmente, cerca de 850 gigatons deste elemento na forma de dióxido de carbono.
Jacobson, cuja pesquisa é financiada pela Fundação Nacional de Ciências (NSF) e pela Fundação David & Lucile Packard, diz: “O permafrost tem historicamente servido como um reservatório de carbono, isolando grandes quantidades de carbono do chamado ‘ciclo de carbono’. Entretanto, o aquecimento global pode transformar o Ártico em uma nova fonte de carbono com a aceleração do ritmo de derretimento do permafrost. Isso teria, sem dúvida alguma, um efeito dramático no ciclo de carbono global”.
Jacobson diz que a principal preocupação é que o carbono do permafrost se oxide em dióxido de carbono, à medida em que o derretimento se acelerar, causando uma realimentação positiva para o aquecimento global. Um clima mais quente facilita uma maior liberação de carbono que, por sua vez, favorece mais aquecimento ainda, criando um círculo vicioso.
Assim, Jacobson e seus colegas coletam amostras das águas dos rios e de solo próximos à Estação de Pesquisa Ecológica de Logo Prazo de Toolik (da NSF) – a 250 km ao Norte do Círculo Ártico. A Rodovia Dalton – construída como via de suprimentos para o Sistema de Oleodutos Trans-Alaska – é a única via de acesso ao local.
Ele graceja: “O planejamento constitui uma grande parte de nossos dias – olhar os mapas, procurando saber onde ir e como chegar lá. O trabalho de campo é tipicamente o tempo todo problemas com veículos, estradas ruins e mau tempo. Uma coisa que você sempre pode apostar, é que cada expedição é uma aventura”.
Embora o primeiro passo lógico para criar um modelo do aquecimento global seja quantificar o fluxo de carbono, existem problemas complexos e não solucionados que envolvem o ciclo de carbono do Ártico, o que torna difícil a criação de modelos para esse elemento.
Jacobson e sua equipe usam uma abordagem complementar, analisando os isótopos que existem naturalmente de outros elementos, tais como cálcio e estrôncio, que rastreiam o derretimento do permafrost e, assim, fornecem dados acerca da liberação de carbono. Os dados iniciais mostram que os rios e o permafrost têm quantidades de isótopos de cálcio e estrôncio inteiramente distintas.
Quando o permafrost derrete durante o verão e escorre para os rios, estes mostram quantidades de cálcio e estrôncio que se aproximam mais daquelas do permafrost. Jacobson acredita que, em um mundo mais quente, a assinatura do
permafrost nos rios seja mais pronunciada por períodos mais longos.
Mudanças nas quantidades de isótopos nos rios podem se relacionar com mudanças no ritmo de liberação de carbono. Assim, as taxas de cálcio e estrôncio nos rios do Ártico podem servir como registro para o monitoramento do impacto do aquecimento sobre a estabilidade do permafrost e da liberação de dióxido de carbono.
“A meta básica é estabelecer uma linha de base contra a qual se possa comparar futuras mudanças”, diz Jacobson. “Daqui a muitos anos, poderemos comparar as mudanças reais às previsões dos modelos e melhorar nossa compreensão sobre como o sistema funciona”.
A estação de coleta de amostras dura um curto tempo quando o permafrost derrete na primavera, até que congele novamente no outono. O pessoal no campo coleta as amostras que são enviadas ao laboratório de Jacobson em Evanston no Illinois, onde ele realiza as análises fora da estação. Em 2007 ele recebeu fundos para a aquisição de um espectrômetro de ionização térmica multi-coletor para medir os isótopos de cálcio, estrôncio e outros elementos. A Universidade Nortwestern está, atualmente, construindo um avançadíssimo laboratório “livre de metal” que abrigará o instrumento e servirá para as pesquisas de Jacobson.
O tamanho do Universo: uma pegunta difícil (parte 2)
Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo
autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada
violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan
Siegel em “Starts with a Bang” vai aí abaixo.
Distâncias, Posição e Movimento no Universo.
Distances, Position, and Motion in the Universe
Category: Astronomy • Gravity • Physics • relativity
Posted on: August 3, 2009 2:13 PM, by Ethan Siegel
No fim da semana passada, eu [Ethan Siegel] escrevi um post explicando como o Universo pode ser tão grande (93 bilhões de anos-luz de diâmetro), quando tem apenas 13,7 bilhões de anos de idade. A chave para a visualização é pensar no espaço como sendo a superfície de um balão que se expande, enquanto todas as coisas nesse Universo (estrelas, galáxias, etc) são como formigas nessa superfície.
Bom… Eu expliquei que duas formigas parecerão estarem se afastando uma da outra devido à expansão do Universo, muito embora nenhuma das duas formigas esteja se movendo com relação à superfície do balão. Se eu for uma das formigas e usar a luz para medir se a outra formiga está ou não se afastando de mim, eu vou descobrir que ela está: a luz que vem dela apresenta um desvio para o vermelho, da mesma forma que um automóvel em alta velocidade e que se afasta da gente, faz um barulho mais grave.
No entanto, na semana passada, eu disse que:
É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há
matéria alguma se movendo. Portanto, em princípio, o espaço pode se
expandir tão rapidamente quanto quiser, até mais rápido do que a velocidade da luz, porque não há coisa alguma se movendo.
Essa afirmação causa confusão e eu percebo isso. Ao fim e ao cabo, você mede quão rápido aquela outra formiga está se afastando de você e, ainda assim, eu estou aqui dizendo que nenhuma das duas está se movendo. Este é um problema muito profundo. Vamos tentar fazer algum sentido disso.
Quando se pensa na palavra “movimento” ou em algo “se movendo”, provavelmente a ideia que vem à cabeça é de algo que está em algum lugar em um certo ponto no tempo e estará em um lugar diferente em outro ponto no tempo. É com esse sentido que empregamos essas palavras em nossa conversa habitual. O ato de ir de um lugar no espaço e no tempo para outro é o que chamamos de “movimento”.
Porém, quando pensamos sobre isso, nós partimos de um pressuposto implícito. Nós pressupomos que nós somos capazes de traçar uma grade – ou, em linhas gerais, estabelecer um sistema de coordenadas – e medir nossas mudanças de posição com relação a essas coordenadas.
Parece uma suposição razoável, não é?… Afinal é o que fazemos na Terra. De fato, é o que fazemos dentro de toda a nossa galáxia e nunca tivemos um problema com isso.
Mas, quando vamos além de nossa galáxia, há um problema com isso. Por que?… Porque a “grade” que podemos traçar para medir nosso Universo não é constante no tempo.
Quer uma analogia?… Imagine a seguinte situação hipotética: imagine que a Terra esteja se expandindo. Imaginemos até que ela esteja se expandindo rapidamente: daqui a um ano, a Terra terá o dobro do raio atual.
(Crédito da Imagem: Marc Reiter.)
Vista de New York, Los Angeles parece estar a 3.900 km e vice-versa. Porém, um ano mais tarde, medem novamente a distância e descobrem que a distância entre elas é de 7.800 km. Em New York, acusam Los Angeles de estar se afastando. Em Los
Angeles, eles acusam New York pelo afastamento. Enquanto isso, ambas as cidades insistem em que não saíram do lugar o tempo todo.
As coisas só fazem piorar quando eles começam a medir as velocidades. Em New
York, usam a luz para medir a que velocidade Los Angeles está se afastando de New York, e descobrem que Los Angeles está fugindo a 0,44 km/h. Em Los Angeles, eles fazem a mesma medição com relação a New York e descobrem que New York, também, parece estar se afastando a 0,44 km/h.
Porém, na verdade, nenhuma das duas está se movendo. O que está acontecendo é que o mundo onde essas duas cidades estão, está crescendo e isso faz com que todos “vejam” que estão se afastando entre si. E quanto mais distante, pior: Shanghai, China, fica, atualmente, a 11.900 km de New York. Mas, daqui a um ano se a Terra estivesse se expandindo, estaria a 23.800 km e pareceria estar se afastando (em nosso exemplo de Terra em expansão) a 1,36 km/h. No entanto, Shanghai, Los Angeles e New York não estão se movendo. Elas apenas parecem estar se movendo em relação às outras.
Assim é com o Universo, com um Universo em expansão, em lugar de uma Terra em expansão e com galáxias sem mudanças, em lugar de cidades sem mudanças. E esta é – provavelmente – a parte esquisita: a expansão é restrita ao Universo nas escalas mais largas. Galáxias, estrelas, planetas, células e átomos não se expandem como o Universo; a expansão do Universo é fraca demais para afetar qualquer parte da dinâmica desses objetos relativamente pequenos. (Sim… Em comparação com o Universo em expansão, até uma galáxia é pequena demais para ser levada em conta).
Então?… Isso clareia as coisas?… Ou torna tudo mais confuso ainda?… Algo tão fundamental e aparentemente simples tal como distâncias, posições e velocidades são – até mesmo entre cosmologistas profissionais – uma das coisas mais confusas (e mal entendidas) que se pode discutir. Não é, de modo algum, algo intuitivo, porque contraria totalmente nossa experiência diária. E isso é um dos motivos que torna a coisa tão interessante.
O tamanho do Universo: uma pergunta difícil
Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan Siegel em “Starts with a Bang” vai aí abaixo.
The Size of the Universe: A Hard Question
Category: Astronomy • Galaxies • Physics • Q & A • big bang • relativity
Posted on: July 31, 2009 3:19 PM, by Ethan Siegel
Me fazem uma mesma pergunta frequentemente e ela é uma das perguntas mais difíceis para qualquer cosmologista responder. Hoje, vou tentar encará-la. Ela é mais ou menos assim:
Se o Universo tem 13,7 bilhões de anos de idade e nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz, como é que podemos ver coisas que estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância?
Em primeiro lugar – e eu quero deixar isto bem claro – tudo nesta pergunta é uma dúvida legítima.
1.) O Universo tem mesmo 13,7 bilhões de anos de idade. Existe um pequeno erro de aproximação aqui – ninguém ficaria surpreso de ele tivesse 13,5 ou 14,0 bilhões de anos – mas certamente não são 12 bilhões ou menos de anos, nem 16 ou mais bilhões de anos.
2.) Nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Se você tiver massa, seja você uma galáxia, uma nave espacial, uma bala ou um neutrino, você terá que ir mais lentamente do que a velocidade da luz. E, se você não tiver massa, vai ter que andar exatamente na velocidade da luz. Sem exceções.
3.) As coisas mais distantes no Universo – coisas que emitiram suas luzes a 13,7 bilhões de anos atrás – estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância de nós agora.
Então, como foi que isso aconteceu? De duas maneiras, uma simples e outra nem tanto. A parte simples é que o Universo vem se expandindo todo esse tempo. Imagine que você tem uma formiga sobre um balão murcho e essa formiga se move a 1 cm/seg. Quando o balão está totalmente murcho, a formiga está a apenas 2 cm do topo do balão, seu destino. Porém, na medida em que ela caminha em direção ao topo, ela percebe que o balão em volta dela está se expandindo.
Como é que acontece essa expansão? Bem, essa é parte não tão simples assim… Expansão não é uma velocidade. É uma velocidade por unidade de distância. Digamos que ela seja de 0,4 cm/seg por centímetro. Isto significa que, se a formiga estiver a 1 cm de alguma coisa, essa coisa se expande para longe dela a 0,4 cm/seg. O topo do balão, que estava inicialmente a 2 cm de distância, se expande para longe a 0,8 cm/seg. E qualquer coisa que estiver a 15 cm de distância, estaria se expandindo para longe a 6 cm/seg.
Então, se eu fizer os cálculos dessa formiga caminhando a 1 cm/seg para um ponto a 2 cm de distância neste balão em expansão, não leva 2 segundos para ela chegar lá. Na verdade – fazendo corretamente os cálculos – leva um pouquinho de nada mais do que 3 segundos para a formiga alcançar seu destino. Além disso, o balão continuou a se expandir, de forma que, quando ela olha de volta para o ponto de partida, você sabe a que distância ele está?… A mais de 6 centímetros! Quando ela olha de volta para o ponto de partida, não só ele está três vezes mais distante do que quando ela começou a viagem, como todo o balão está maior do que era antes.
E é isso que o Universo está fazendo: se expandindo enquanto a luz está viajando em nossa direção, vinda de fontes distantes. Existe, é claro, mais um “busilis” em nosso Universo. A taxa de expansão é abestalhantemente lenta: 72 km por segundo por Megaparsec. Nos termos da formiga, isso é 2,3 x 10-18 cm / segundo / cm. Acontece apenas que nosso Universo é tão grande que, se você se afastar bastante – pouco menos do que 13 bilhões de anos-luz – a taxa de expansão eventualmente fica maior do que a velocidade da luz.
Mas está tudo bem. É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há matéria alguma se movendo. Portanto, em princípio, o espaço pode se expandir tão rapidamente quanto quiser, até mais rápido do que a velocidade da luz, porque não há coisa alguma se movendo. E é por isso que, muito embora o
Universo tenha apenas 13,7 bilhões de anos, nós podemos ver coisas a 46,5 bilhões de anos-luz de distância.
Alguma pergunta?
Os elétrons são indivisíveis? Talvez…
uma equipe das Universidades de Cambridge e Birmingham demonstrou que os elétrons em fios estreitos pode se dividir em duas novas partículas chamadas spinons e holons.
O “se dividir” é meio que uma licença poética… O que realmente acontece é que em um fio excepcionalmente fino (chamado de “fio quântico”) os elétrons (que têm cargas EM iguais) se repelem mutuamente e criam o que, em física de matéria condensada, se chama de elétron-buraco: uma ausência de um elétron que funciona como se houvesse um posítron no espaço correspondente.
Em 1981 o físico Duncan Haldane conjeturou teoricamente que, nessas condições de limitação de espaço e em temperaturas extremamente baixas, os elétrons iriam se comportar de maneira que seus campos elétrico e magnético assumisse a forma de duas partículas distintas que ele chamou de spinions (de “spin”) e holons (de “hole” = “buraco” em inglês).
O desafio consistia em criar um “fio quântico” que confinasse os elétrons, e trazer esse fio próximo o suficiente de um metal comum, de forma que os elétrons do metal pudessem realizar um “salto quântico” (por meio do “tunelamento quântico”) para dentro do fio. Observando como o ritmo de saltos varia em função de um campo magnético aplicado, a experiência pode revelar como o elétron, ao entrar no fio quântico, se “separa” em spinions e holons.
Isso foi feito mediante a colocação de um pente de fios acima de uma nuvem plana de elétrons em um metal. Assim, os físicos de Cambridge, Yodchay Jompol e Chris Ford, puderam ver distintamente as assinaturas das novas partículas, exatamente como os teóricos, Tim Silk e Andy Schofield, de Birmingham tinham previsto.
O Dr Chris Ford do Laboratório Cavendish da Univesidade de Cambridge descreve:
“Tivemos que desenvolver uma nova tecnologia para fazer passar uma corrente entre um fio e uma folha [metálica] separadas por apenas 30 diâmetros atômicos.”
“As medições tiveram que ser realizadas em temperaturas extremamente baixas: cerca de um décimo de grau acima do zero absoluto.
“Os fios quânticos são largamente empregados para conectar ‘pontos’ quânticos, os quais podem vir a ser no futuro a base de um novo tipo de computador – o chamado computador quântico. Assim, compreender suas propriedades pode ser importante para tais tecnologias quânticas, além de auxiliar no desenvolvimento de teorias mais completas sobre a super-condutividade e a condutividade nos sólidos em geral. Isto pode levar a uma nova revolução nos computadores”.
O Professor Andy
Schofield, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham, diz:
“O experimento para testar isso se baseia em uma ideia que eu e mais três colegas tivemos, fazem quase dez anos. Naquela época, a tecnologia necessária para realizar o teste ainda estava a anos de distância.”
“O notável nesta nova experiência não é somente a clareza com que se pode observar o spinion e o holon, o que confirma alguns estudos anteriores, mas que o spinion e o holon sejam visíveis bem além da região originalmente imaginada por Duncan Haldane”.
“Nossa capacidade em controlar o comportamento de um único elétron é a responsável pela revolução dos semicondutores que levou a computadores mais baratos, iPods e outros. Se vamos ser capazes de controlar essas novas partículas com o mesmo sucesso dos elétrons isolados, é algo ainda por se descobrir. O que isso revela é que espremer elétrons em um ambiente confinado faz emergir novas propriedades e até novas partículas”.
Notas:
1. O artigo original foi publicado em Science 10.1126/science.1171769 em http://dx.doi.org/10.1126/science.1171769
2.
A experiência foi realizada no Laboratório Cavendish em Cambridge com o apoio teórico da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham.
Em nano-escala, se pode quebrar a lei
[ traduzido deste press-release do MIT ]
Quebrando a lei, na nano-escala
Colocar objetos extremamente perto um do outro pode aumentar a transferência de calor por radiação, de acordo com um novo estudo que demonstra a quebra da Lei de Planck
Por David L. Chandler,
MIT News Office
29 de julho de 2009
Uma lei firmemente estabelecida da física descreve a transferência de calor entre dois objetos, porém alguns físicos a muito tempo prediziam que essa lei deveria ser quebrada quando os objetos estivessem muito próximos. Entretanto, os cientistas jamais tinham podido confirmar – sequer medir – essa quebra na prática. Pela primeira vez, os pesquisadores do MIT conseguiram realizar esse feito e comprovaram que a transferência de calor pode ser até 1.000 vezes maior do que o previsto na lei.
As novas descobertas podem levar a novas aplicações significativas que incluem melhores projetos das cabeças de gravação dos discos rígidos usados para a armazenagem de dados em computadores e novos tipos de dispositivos para coletar a energia do calor que, de outra forma, seria desperdiçada.
A Lei da Radiação do Corpo Negro de Planck, formulada em 1900 pelo físico alemão Max Planck, descreve como a energia é dissipada na forma de diferentes comprimentos de onda de radiação, a partir de um objeto ideal não-reflexivo, chamado de corpo negro. A lei diz que a emissão proporcional de radiação em diferentes comprimentos de onda segue um padrão preciso que varia de acordo com a temperatura do objeto. A emissão de um corpo negro é usualmente considerada o máximo que um objeto pode irradiar.
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Professor Gang Chen com a câmara de vácuo usada nesta pesquisa. (Foto: cortesia de Gang Chen) |
A lei funciona perfeitamente na maioria dos casos, porém o próprio Planck sugeriu que, quando os objetos estivessem muito próximos, as previsões feitas pela lei seriam quebradas. No entanto, controlar os objetos de forma a manter as minúsculas separações necessárias para demonstrar este fenômeno se provou uma tarefa incrivelmente.
Gang Chen, Professor “Carl Richard Soderberg” de Engenharia de Energia e diretor do Laboratório Pappalardo de Micro e Nano Engenharia do MIT, explica: “Planck foi muito cuidadoso ao dizer que sua teoria só era válida para sistemas grandes. Dessa forma ele meio que antecipou essa quebra, mas a maioria das pessoas não sabe disto”.
Parte do problema em medir a forma como a energia é irradiada quando os objetos estão muito próximos reside na dificuldade mecânica em manter os objetos em estreita proximidade sem que eles realmente se toquem. Chen e sua equipe, o estudante de pós-graduação Sheng
Shen e o Professor da Universidade de Columbia Arvind Narayaswamy, solucionaram este problema de duas maneiras, descritas em um artigo a ser publicado na edição de agosto de Nano Letters (atualmente disponível online). Em primeiro lugar, ao invés de usar duas superfícies planas e tentar manter um minúsculo intervalo entre elas, eles usaram uma superfície plana próxima de uma pequena conta de vidro redonda, cuja posição é mais fácil de controlar. “Se usarmos duas superfícies paralelas, fica muito difícil levá-las à escala nanométrica sem que algumas partes se toquem”, explica Chen, mas com o uso de uma conta só há um único ponto de quase-contato, o que é bem mais fácil de manter. Em segundo lugar, eles usaram a tecnologia do cantilever bimetálico de um microscópio de força atômica para medir as mudanças de temperatura com grande precisão.
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Foto: cortesia de Sheng Shen. Diagrama do dispositivo, inclusive um cantilever de um microscópio de força atômica, usado para medir a transferência de calor entre objetos separados por distância na faixa de nanômetros. |
“Por muitos anos tentamos fazê-lo com placas paralelas”, descreve Chen. Mas com esse método não foram capazes de manter separações menores do que cerca de um mícron (um milionésimo de metro). Usando contas de vidro (sílica), eles conseguiram obter separações de até 10 nanômetros (10 bilionésimos de metro, ou seja, um centésimo da distância conseguida anteriormente) e agora estão tentando obter separações menores ainda.
O professor Sir John Pendry do Imperial College London, que realizou extensos trabalhos neste campo, chama os resultados de “muito entusiasmantes”, ao mesmo tempo que observa que os teóricos desde há muito previam essa quebra e a ativação de um mecanismo mais poderoso.
“A confirmação experimental se mostrou elusiva por causa da extrema dificuldade em medir diferenças de temperatura em distâncias muito pequenas”, diz Pendry. “As experiências de Gang Chen dão uma elegante solução para essa dificuldade e confirmam a contribuição preponderante dos efeitos de campo próximo na transferência de calor”.
Nos sistemas atuais de gravação magnética de dados – tais como o usado nos discos rígidos de computador – o espaçamento entre a cabeça de gravação e a superfície do disco fica tipicamente na faixa de 5 a 6 nanômetros, diz Chen says. A cabeça tende a se aquecer e os pesquiadores têm procurado por meios para gerenciar esse calor e até mesmo explorar o aquecimento para controlar o espaçamento. Segundo ele, “é uma questão muito importante para a armazenagem de dados”. Tais aplicações podem ser desenvolvidas bem rapidamente – prossegue ele – e algumas companhias já mostraram um grande interesse pelo trabalho.
As novas descobertas podem também auxiliar o desenvovimento de novos dispositivos de conversão de energia fotovoltáica para captar os fótons emitidos por uma fonte de calor, chamada de termofotovoltáica. Segundo Chen, “O alto fluxo de fótons potencialmente pode permitir a fabricação de conversores de energia termofotovoltáicos mais eficientes e com maior densidade de energia, e até dispositivos totalmente novos de conversão de energia”.
Shen diz que as novas descobertas podem ter “um largo impacto”. As pessoas que trabalham com dispositivos que usam separações muito pequenas, agora podem entender claramente que a Lei de Planck “não é uma limitação fundamental”, como muitos pensavam até agora. Mas Chen adverte que mais pesquisas são necessárias para explorar separações ainda menores porque “não sabemos exatamente qual é o limite ainda” em termos de quanto calor pode ser dissipado em sistemas estreitamente separados. “As teorias correntes não serão mais válidas quando passarmos do intervalo de 1 nanômetro”.
E ele finaliza: “além das aplicações práticas, tais experimentos podem ser uma ferramenta útil para compreender alguma física básica”.
O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
Mais do que a vista alcança…

[ Livremente traduzido daqui: An ‘eye catching’ vision discovery Ah!… Sim… Eu juro que a legenda das ilustrações é essa mesmo…]
Johns Hopkins Medical Institutions
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Quase todas as espécies têm alguma capacidade de detectar a luz. Ao menos três tipos de células na retina nos permitem ver imagens ou distinguir entre o dia e a noite. Agora, os pesquisadores da Escola de Medicina Johns Hopkins descobriram nos peixes um outro tipo de célula que pode sentir a luz e contribuir para o sentido da visão.
Conforme relatado na edição desta semana da Nature,
a equipe de neurocientistas mostra que as células horizontais da retina, que são um tipo de células nervosas que, se pensava, só se comunicavam com células nervosas adjacentes – nem sequer com o cérebro – são fotossensíveis por si próprias.
Segundo diz King-Wai Yau, Ph.D., professor de
neurociência no Departamento Solomon H. Snyder de Neurociência na
Johns Hopkins: “Isto é estarrecedor! Por mais de 100 anos se sabe que os cones e bastonetes são responsáveis por sentir a luz e, portanto, pela visão. Então, a cerca de sete anos, foi descoberto um outro tipo de sensor de luz na retina, revelando um terceiro tipo de célula fotossensível nos mamíferos, de forma que nos dispusemos a pesquisar se isso era verdade em outros vertebrados também”.
Focalizando a pesquisa no fotossensor de melanopsina, o qual é responsável por diferenciar o dia da noite, mas raramente está envolvido na visão de imagens — pelo menos, nos mamíferos — a equipe de Yau buscou células que contém melanopsina em outros vertebrados, e encontrou algumas nas células horizontais da retina de peixinhos dourados e bagres.
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Os bagres têm dois tipos de células horizontais: as que se conectam com cones, que respondem à luzes intensas, e as que se conectam com os bastonetes, que respondem à luz suave. A equipe realizou medições elétricas de células horizontais de retina isoladas e descobriu que a luz causava uma mudança de corrente elétrica nas células horizontais tipo-cone, mas não nas células horizontais tipo-bastonete.
As células horizontais, segundo Yau, permitem a intercomunicação entre células foto-receptoras adjacentes, permitindo que essas células comparem a luz que estão sensoreando, um processo necessário para que o cérebro veja as imagens. “O cérebro processa o que ele vê dentro do contexto do ambiente”, explica Yau. “Isso permite que nosso cérebro veja bordas e contornos — as células horizontais são a razão de podermos reconhecer uma face que vemos, por exemplo”.
Testando luzes em diferentes comprimentos de onda, a equipe descobriu que essas células horizontais dos peixes são milhares de vezes menos fotossensíveis do que os cones. Yau aduz: “Em suma, o efeito da luz sobre as células horizontais é sutil, talvez permitindo que os olhos desses animais faça o ajuste fina de suas funções para condições diferentes de iluminação ambiente. Mas o mero fato dessas células horizontais serem sensíveis à luz é uma descoberta bastante surpreendente e muda nossa compreensão das retinas como um todo”.
Aprender mais sobre como a sensibilidade à luz das células horizontais contribui para a visão de imagens, vai necessitar o estudo de retinas completas, não só de células isoladas. Yau que busca compreender a visão em si, declara: “Pode ser que ainda haja outras células fotossensíveis nos olhos sobre as quais ainda não sabemos”.
Os autores do artigo são Ning Cheng, Takashi Tsunenari e Yau, todos da Johns Hopkins.
Você já ouviu falar do Itérbio?… Pois devia.
DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory
A quebra de simetria no Itérbio
As maiores violações da paridade jamais medidas em um átomo
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O Itérbio (Yb) foi descoberto em 1878, porém, até que encontrasse uso como nos atuais relógios atômicos, o metal mole jamais foi notícia. Agora o itérbio pode reclamar seu lugar na “calçada da fama” da ciência. As medições feitas no isótopo Yb-174 (70 prótons e 104 nêutrons) mostraram os maiores efeitos de quebra de paridade jamais observadas em um átomo — cem vezes mais do que o medido com precisão no elemento césio.
O princípio da “paridade” presume que, na escala atômica, a natureza se comporte da mesma forma quando se troca a esquerda pela direita: interações vistas “no espelho” devem ser indistinguíveis das “normais”. Parece uma questão de mero bom senso, mas, notavelmente, não é sempre assim…
Dmitry Budker, da Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e professor de física da Universidade da Califórnia em Berkeley, que liderou a pesquisa, explica que a violação da paridade é um efeito da Força [Nuclear] Fraca.
Das quatro forças fundamentais da natureza – [Nuclear] Forte, Eletromagnética, [Nuclear] Fraca e Gravitacional – a última a ser descoberta foi a Fraca que tem um alcance extremamente curto. Os neutrinos, que não têm carga eletromagnética, são imunes ao eletromagnetismo e só interagem através da Força Fraca. A Força Fraca tem também a espantosa capacidade de modificar o “sabor” dos quarks e, desta forma, transformar prótons em nêutrons e vice versa.
A violação da paridade – os nêutrons e a Força Fraca
Os prótons isolados duram para sempre, aparentemente, mas um nêutron isolado se desmancha em cerca de 15 minutos; ele se transforma em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino – um processo conhecido como decaimento beta. E o decaimento beta é um efeito da Força Fraca.
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Os cientistas pensaram por muito tempo que a natureza era simétrica na escala atômica. As coisas deveriam parecer as mesma, não somente quando se invertesse esquerda por direita, mas também quando as cargas elétricas das partículas envolvidas em uma interação fossem invertidas, ou mesmo se todo o processo fosse invertido no tempo, do futuro para o passado. Essa inversão é chamada de “conjugação” – e a conjugação de cargas é denotada por “C”, da paridade “P” e de tempo “T”. Se pensava que a natureza fosse invariante em C, P e T.
Porém em 1957 os pesquisadores descobriram que a Força Fraca não dava a mínima para o que os cientistas achavam. Quando certos tipos de núcleos atômicos (tais como o de cobalto-60) são colocados em um campo magnético para serem polarizados (alinhar os polos N e S nas mesmas direções) e passam por um decaimento beta, mais elétrons são emitidos do polo Sul do que do polo Norte.
Essa foi a primeira demonstração da violação da paridade. Antes que essa experiência com o cobalto-60 fosse realizada, o grande físico Richard Feynman tinha dito que, se a violação de P fosse verdadeira (coisa que ele duvidava), seria possível algo que se pensava ser impossível: “distinguir a esquerda da direita”.
Agora parece que vários átomos exibem a violação da paridade, embora isso não seja fácil de detectar. A violação de P foi medida com a mais alta precisão nos átomos de césio que têm 55 prótons e 78 nêutrons no núcleo, por meio de processos ópticos que observam os efeitos resultantes da excitação dos elétrons do átomo a níveis de energia mais elevados.
Os pesquisadores de Berkeley projetaram sua própria aparelhagem para detectar a violação da paridade prevista para o itérbio (que deveria ser bem mais alta do que no césio). Na experiência, o itérbio metálico é aquecido a 500ºC, produzindo um feixe de átomos que é enviado através de uma câmara com campos elétricos e magnéticos orientados perpendicularmente entre si. Dentro da câmara, os átomos de itérbio são alvejados por um raio laser, sintonizado para excitar alguns dos elétrons até estados energéticos mais altos, através de uma transição “proibida” (altamente improvável). Depois os elétrons voltam a níveis energéticos menores através de diferentes caminhos.
As interações fracas entre o elétron e o núcleo – junto com interações fracas dentro do núcleo do átomo – contribuem para “misturar” alguns dos estados de energia dos elétrons, dando uma pequena contribuição para a transição “proibida”. No entanto, outros processos eletromagnéticos mais comuns (que envolvem imperfeições na aparelhagem) também contribuem para misturar os estados e “borrar” o sinal. O propósito dos campos elétricos e magnéticos dentro da câmara é amplificar o efeito de violação da paridade e remover ou identificar esses efeitos eletromagnéticos espúrios.
Quando analisaram seus dados, os pesquisadores encontraram um sinal claro de violações de paridade a nível atômico, 100 vezes maior do que o sinal similar obtido a partir do césio. Com refinamentos na experiência, a força e a clareza do sinal do itérbio promete avanços significativos no estudo das Forças Fracas no núcleo.
Observando o trabalho da Força Fraca
Espera-se que as experiências do grupo de
Budker possam expor como a Carga Fraca se modifica em diferentes isótopos (núcleos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons) de itérbio e revelem como as Correntes Fracas se propagam dentro desses núcleos.
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Os resultados também devem ajudar a explicar como os nêutrons dentro dos núcleos de átomos pesados se distribuem, inclusive se uma “película” de nêutrons circunda os prótons no centro, como sugerem diversos modelos nucleares.
Budker afirma: “A película de nêutrons é muito difícil de detectar com sondas com carga, tais como a dispersão de elétrons, porque os prótons, com suas grandes cargas elétricas, dominam a interação”.
E acrescenta: “Em um nível pequeno, o efeito da violação de paridade medido depende de como os nêutrons ficam distribuídos dentro do núcleo – especificamente de seu raio quadrado médio. O raio quadrado médio do próton é bem conhecido, mas esse seria o primeiro indício de seu gênero da distribuição dos nêutrons”.
As medições de violação de paridade no itérbio também pode revelar “momentos anapolares” na camada externa de nêutrons no núcleo (chamados de “nêutrons de valência”). Como previsto pelo físico russo Yakov Zel’dovich, essas correntes elétricas são induzidas pela Interação Fraca e circulam dentro do núcleo tal como as correntes na bobina toroidal de um tokamak. Elas foram observadas nos prótons de valência do césio, mas ainda não nos nêutrons de valência.
As experiências podem levar a testes sensíveis do Modelo Padrão – a teoria que, embora sabidamente incompleta, ainda é a que melhor descreve as interações de todas as partículas subatômicas observadas até agora.
“Até agora, os dados mais precisos acerca do Modelo Padrão vieram de aceleradores de partículas de altas energias”, explica Budker. “Os bósons vetores da Força Fraca, W e Z, foram descobertos no CERN colidindo prótons com antiprótons, um regime de ‘alta transferência de momento’. As experiências de violação de paridade atômicas do Modelo Padrão são muito diferentes – elas ficam no regime de baixa transferência de momento e complementam as experiências de altas energias”.
Desde 1957, quando Zel’dovich primeiro sugeriu procurar uma variação a nível atômico por meio de dispositivos ópticos, os pesquisadores têm chegado cada vez mais perto de aprender como a Força Fraca atua nos átomos. A violação da paridade foi detectada em vários átomos e seus efeitos previstos, tais como momentos anapolares nos prótons de valência do césio, observados com uma clareza sempre crescente. Com suas novas técnicas experimentais e a observação de uma grande violação da paridade no itérbio, Dmitry
Budker e seus colegas chegaram a uma nova marca, mais próxima da compreensão da assimetria fundamental de nosso universo na escala atômica.
Artigo: “Observation
of a large atomic parity violation in ytterbium,” por K. Tsigutkin, D.
Dounas-Frazer, A. Family, J. E. Stalnaker, V. V. Yashchuck e D.
Budker, publicado em Physical Review Letters e disponível online em http://arxiv.org/abs/0906.3039.