O Universo iluminado por detrás, uma Super Terra infernal e os 15 minutos de fama da antimatéria – Destaques da Semana
Esta é a primeira edição em muitos meses do “destaques da semana” do Universo Físico. Espero reviver um hábito antigo meu de pegar a enxurrada de notícias de ciência que nos atinge toda semana e selecionar cinco ou seis delas que mais chamaram minha atenção para ler com mais cuidado e resumir aqui no blog. Tomara que isso seja útil para alguém além de mim…
O Universo iluminado por detrás
Astrônomos criaram o maior e mais detalhado mapa tridimensional do universo visível, quando ele tinha apenas 3 bilhões de anos (hoje tem quase 14 bilhões). Para tanto, usaram um instrumento chamado BOSS que acoplado ao telescópio SDSS, permitiu coletar a luz individual de 14 mil corpos celestes chamados quasares – galáxias extremamente brilhantes e distantes, cuja a maior parte da luminosidade é emitida concentrada em um feixe, que serve de holofote para iluminar o universo mais recente. No caminho em direção a Terra, parte da luz desses feixes é absorvida por nuvens de gás hidrogênio, que re-emitem a luz em comprimentos de ondas diferente, imprimindo no espectro da luz dos quasares uma série de linhas que os astrônomos chamam de “floresta Lyman-alfa”. Analisando essas “florestas” é possível criar um mapa das variações de densidade das nuvens de hidrogênio, revelando quando e como elas se expandiram ou contraíram O mapa foi divulgado em um encontro da American Physical Society esta semana. Os pesquisadores acreditam que acrescentando mais quasares ao mapa, poderão alcançar a sensibilidade para testar o papel da energia escura na aceleração da expansão do universo. (Fontes: Wired, New Scientist e LBNL. Imagem 1 extraída desta apresentação . Crédito da imagem 2: A. Slosar e colabroção SDSS-III, extraida da Wired)
Super Terra infernal em estrela visível a olho nu
“Há um certo prazer em ser capaz de apontar para uma estrela visível a olho nu e saber a massa e o raio de um de seus planetas”, escreve um grupo de astrônomos em um artigo, no qual reportam observações com o telescópio espacial canadense MOST. Observando a queda de luminosidade provocada pela passagem do planeta “55 Cancri e” em frente de sua estrela, a 55 Cancri, há 41 anos-luz de distância e com massa semelhante a do Sol, eles calcularam a distância do planeta à estrela (20 vezes mais próximo que Mercúrio do Sol) e o seu raio (60% maior que o da Terra). De observações anteriores da oscilação da velocidade radial da estrela, eles já sabiam o período de translação (17 horas e meia) e a massa do planeta (14 vezes a da Terra). Assim, determinaram que a densidade do “55 Cancri e” é quase o dobro da Terra, tão denso quanto chumbo. Outro grupo de astrônomos, porém, usando o telescópio espacial infravermelho Spitzer, da Nasa, obteve um valor 1,3 vezes maior para o raio, o que daria para o planeta uma densidade um pouco menor que a da Terra. Ambos grupos não sabem explicar a discrepância, que esperam resolver apontando o telescópio Hubble para a 55 Cancri. Em todo caso, está claro que o “55 Cancri e” faz parte de uma nova classe “Super Terras” próximas a suas estrelas – planetas rochosos um pouco maiores que a Terra, muito provavelmente com uma face sempre voltada para o seu sol, coberta por um oceano de lava – do qual fazem parte também os planetas recém descobertos Corot 7b e Kepler 10b. (Fontes: Universe Today, National Geographic News, Centauri Dreams e Starts With a Bang! Crédito da imagem: Jason Rowe, NASA Ames and SETI Institute and Prof. Jaymie Matthews, UBC)
Os 15 minutos de fama da antimatéria
Físicos do experimento ALPHA, no CERN, quebraram o recorde de aprisionamento de antimatéria estabelecido por eles mesmos em 2010. Ano passado, os pesquisadores anunciaram que haviam criado 38 átomos de anti-hidrogênio ao colidir uma nuvem de pósitrons (partícula de mesma massa que o elétron, mas com carga elétrica positiva) com um nuvem de antiprótons (partícula de mesma massa que o próton, mas com carga elétrica negativa), e os haviam aprisionado por 1/5 de segundo em uma armadilha magnética, tempo após o qual os anti-hidrogênios acabavam sendo aniquilados, ao entrar em contato com a matéria normal. Agora, o time do ALPHA conseguiu criar 309 anti-hidrogênios e mantê-los aprisionados por mil segundos, um pouco mais que 15 minutos. Conseguindo manter a antimatéria intacta por mais tempo vai permitir nos próximos anos realizar experimentos que vão testar se a antimatéria reage de maneira diferente à gravidade (será que antimatéria cai para cima?) ou ao eletromagnetismo (o espectro de emissão e absorção de luz do anti-hidrogênio é diferente do hidrogênio? ). (Fontes: Physics World, New Scientist, The ArXiV Blog. Crédito da imagem: Niels Madsen, ALPHA, CERN)
Brisa de matéria escura?
A famosa matéria escura – cuja existência é invocada pelos astrofísicos para explicar do giro das galáxias à evolução do universo inteiro – constitui 80% de toda a matéria, na forma de nuvens de gás rarefeito englobando a maioria das galáxias. Ela permeia tudo a nossa volta, embora seja imperceptível por interagir quase nada com a matéria comum. Alguns experimentos estão tentando obs
ervar colisões de partículas de matéria escura com os átomos de seus detectores, instalados no subterrâneo de minas ou montanhas para isolá-los da colisão com outras partículas que vem do espaço. Esta semana foi anunciado que o experimento CoGeNT registrou durante seus 15 meses de operação um excesso de colisões no verão e um déficit delas no inverno – um sinal atribuído a um “vento” de matéria de escura, que atingiria a Terra em seu giro em torno do Sol. A chance do sinal ser obra do acaso, porém, é muito alta. Serão necessários muito mais dados para confirmar uma possível descoberta. O sinal, entretanto, chamou a atenção por ser o primeiro resultado que se parece com o observado por outro experimento, o DAMA/LIBRA, em funcionamento há mais de dez anos, mas que contradiz os resultados do XENON100 e do CDMS II, que não registraram nada até agora. (Fontes: Cosmic Variance, Physics Buzz, New Scientist, Science News. Imagem: Pesquisador-chefe do CoGeNT segurando a peça de germânio que serve de detector de matéria escura ).
Relatividade Geral confirmada (de novo)
Dois efeitos previstos pela teoria da gravitação de Einstein, a Relatividade Geral, foram confirmados pela equipe de cientistas da missão Gravity Probe B (GP-B). O projeto mais longo da Nasa (nasceu em 1959), a sonda ficou em órbita da Terra entre 2004 e 2005, carregando um conjunto de quatro esferas de quartzo cobertas de nióbio, cada uma girando rapidamente em torno de si, isoladas o máximo possível do ambiente de modo que o eixo de rotação de cada uma delas fosse influenciada apenas pela gravidade da Terra. Infelizmente, uma série de defeitos inesperados em sua aparelhagem e uma tempestade solar comprometeram seriamente a precisão do experimento. Agora, finalmente, a equipe do GP-B afirmou conseguir extrair de seus dados cheios de ruído os sinais de que os eixos de rotação das esferas foram desviados 0,0018 graus em um ano na direção norte-sul, como se esperaria de um corpo em queda livre no espaço curvo da Terra, e desviados de 0,000011 graus em um ano na direção leste-oeste, devido à curvatura provocada pela rotação do planeta. O anúncio serviu mais como uma prestação de contas da Nasa, uma vez que a GP-B foi muito criticada por sua demora e seu custo (760 milhões de dólares), além desses dois efeitos já terem sido comprovados por outros experimentos, inclusive com maior precisão. Mas ninguém pode negar o pioneirismo da GP-B e as tecnologias que sua equipe desenvolveu ao longo dos anos, que levaram à criação do GPS, por exemplo. (Fontes: Discovery News, Wired Science, Science News, Centauri Dreams, Carlos Orsi, Chi vó non pó, Science NOW Imagem: Gravity Probe B)
Fontes misteriosas de raios cósmicos no hemisfério sul
Embora tenha sido planejado para observar neutrinos, o experimento IceCube, próximo ao pólo Sul, detecta todo ano involuntariamente dezenas de bilhões de raios cósmicos – núcleos atômicos vindos do espaço que atingem a Terra a velocidades próximas a da luz. Raios cósmicos colidem com átomos da atmosfera, produzindo partículas carregadas chamadas múons. No gelo da Antártica, os múons emitem luz que é registrada pelos foto detectores do experimento. Físicos apresentaram na reunião da American Physical Society um mapa do hemisfério sul que mostra um excesso de raios cósmicos vindos de metade do céu, e um déficit na outra metade. Um padrão semelhante foi observado por outros experimentos no hemisfério norte. O problema é que esperava-se que os raios cósmicos viessem igualmente de todas direções, uma vez que suas prováveis fontes estão bem longe da Terra e os campos magnéticos da galáxia e de suas estrelas embaralharia suas direções. Algum fenômeno magnético, talvez dentro do nosso sistema solar, está concentrando o raios cósmicos em certas partes do céu. Mas o que? (Fontes: New Scientist, PhysOrg e Astronomy)
Barco feito de formigas vivas (!)
Construir uma balsa com seus próprios corpos é a solução que as formigas-de-fogo (Solenopsis invicta) habitantes das planícies alagadas da Argentina encontraram para sobreviverem a constantes enchentes. Meros 3 minutos é o tempo que um grupo de 8 mil dessas formigas leva para criar uma balsa viva, capaz de flutuar por meses até achar terra firme.
As formigas fluem como um líquido vivo (veja o vídeo abaixo), descobriu um grupo de engenheiros do Instituto de Tecnologia da Georgia, EUA, que estuda esses insetos em busca de inspiração para construir minirrobôs. Em laboratório, eles observaram o comportamento coletivo das formigas ao criarem as balsas, bem como congelaram as estruturas em nitrogênio líquido para examiná-las por microscopia eletrônica.
A balsa é formada pelos corpos das formigas agarrando e mordendo umas as outras. O exoesqueleto dos insetos é coberto com uma camada de cera que repele a água. Assim, a balsa flutua pela força de repulsão entre a tapeçaria feita de formigas e a tensão superficial da água. A balsa também flutua com ajuda de bolhas de ar entre os corpos, que permitem ainda que cada formiga possa respirar. Não é incrível?
Soube via Not Exactly Rocket Science e Inside Science News Service. A pesquisa foi publicada em artigo na edição desta semana da revista PNAS.
Crédito da imagem: Nathan Mlot
Partículas elementares: Quando alguma coisa pode ser nada, e nada pode ser alguma coisa
Nas últimas semanas, três experimentos diferentes com partículas elementares causaram sensação divulgando análises de seus resultados, dois deles com direito a destaque no New York Times. De longe o mais popular de todos foi a notícia de que físicos do Fermilab, nos EUA, acreditam que uma anomalia em seus dados pode ser uma nova e revolucionária força da natureza, mas também pode ser… nada. Já a segunda notícia destacada no NYT, foi a de que os pesquisadores envolvidos na procura mais sensível feita em busca das partículas que formariam a misteriosa matéria escura anunciaram ter encontrado… nada. E a terceira notícia, que até onde vi apareceu apenas na Wired e no blog do David Harris, foi a de que o maior detector de neutrinos do mundo, o único capaz de detectar essas partículas vindas das explosões mais poderosas do universo, achou… nada.
Geralmente é frustrante noticiar que nada foi descoberto. Talvez por isso o público e a imprensa tenham vibrado tanto com o anúncio do Fermilab, mesmo que as chances de que a descoberta tenha algum significado sejam muito pequenas, enquanto os dois outros resultados, embora nulos, tenham mais chance de serem confirmados, especialmente a notícia que passou desapercebida pelo NYT.
Senão, vejamos um resumo de cada uma delas.
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Nova física ou só uma flutuação estatística? 
Físicos analisaram 10 mil colisões entre prótons e antiprótons registradas pelo detector CDF, do acelerador de partículas Tevatron, do Fermilab, nos EUA, que resultaram em uma partícula pesada conhecida como bóson W e dois jatos de quarks. A teoria mais aceita para as partículas elementares, o chamado Modelo Padrão, prevê que quanto maior a energia dos jatos, menos deles devem aparecer, isto é, o número de jatos detectados deve cair com a energia. Mas em torno da energia de 145 gigaeletrovolts parece haver um sutil pico de eventos (marcado em azul nos dados do gráfico acima, extraido do artigo original pelo blog Cosmic Variance), sugerindo que jatos extras foram produzidos.
Em 250 dessas colisões, os autores da análise acreditam que os jatos de quarks podem ter sido produzidos por uma nova partícula subatômica pesada, criada por uma nova força fundamental da natureza, além das quatro conhecidas. A tal força, segundo a análise, poderia ser explicada por uma velha teoria alternativa a do bóson de Higgs para explicar a massa de todas as partículas, conhecida como tecnicolor. Em vez de interagirem com o hipotético campo de Higgs, as partículas ganhariam suas massas interagindo com os “tecniquarks” do campo tecnicolor.
Seria a descoberta de física de partículas mais surpreendente das últimas décadas, exceto que é bem provável que seja apenas uma flutuação estatística. A chance é de uma em mil, ou “um intervalo de confiança de 3 sigma” no jargão dos físicos experimentais. Pode parecer pequena, mas nas investigações do resultado de colisões subatômicas, todo cuidado é pouco. Existem zilhões de maneiras de se cometer erros no experimento, há muito ruído de fundo, além do que, dada a natureza probabilística da mecânica quântica há margem para os resultados variarem e, vez ou outra, essas flutuações podem ser grandes o bastante para serem confundidas com o sinal de uma nova partícula. Sinais estranhos de “3 sigma” como esse já foram vistos e depois descartados. Por isso, o padrão oficial para se levar a sério um sinal desses é que a chance dele ser uma flutuação estatística seja de 1 em um milhão, ou “um intervalo de confiança de 5 sigmas”. A equipe do outro detector do Tevatron, o DZero deve divulgar as suas análises de dados parecidos nas próximas semanas. E logo os detectores do LHC devem confirmar ou descartar o achado (há rumores de que um dos detectores do LHC, o ATLAS analisou colisões parecidas e não viu nada…)
(Fontes adicionais: LA Times, New Scientist, Boing Boing)
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Nada de matéria escura, por enquanto
Para explicar o movimento das galáxias e a evolução do Universo, a maioria dos físicos acredita que 80% da matéria do Universo seja um gás rarefeito, sentido pelo resto do cosmo na maior parte do tempo apenas pela sua força gravitacional. Essa chamada matéria escura seria feita de partículas conhecidas por WIMPS (da sigla em inglês para partículas massivas fracamente interagentes).
Considerado o maior e mais sensível detector de matéria escura, o experimento XENON 100 é um tanque cheio com 62 quilogramas de xenônio líquido no laboratório subterrâneo na montanha de Gran Sasso, na Itália, embaixo de 1400 metros de rocha, para evitar que raios cósmicos normais interfiram com o experimento. Se os WIMPS existem, há uma chance de que alguns deles atinjam os núcleos de xenônio do experimento, os fazendo ionizar e emitir luz que seria captada pelos detectores do XENON 100.
A física Elena Aprile, da Universidade de Columbia, EUA, e seus colaboradores, publicaram online um paper submetido ao Physical Review Letters, com a análise de 100 dias de busca do XENON100, entre janeiro e junho de 2010. Encontraram 3 eventos candidatos, mas a chance de que esses sejam provocados pela interferência da radiação ambiente na eletrônica do equipamento é muito alta. Cautelosos, os pesquisadores afirmam portanto que não encontraram matéria escura nenhuma.
Isso não quer dizer que a matéria escura não existe, mas apenas que ela é mais difícil de se detectar do que se imaginava. O resultado implica que a matéria escura interage cinco vezes menos com a matéria normal do que se acreditava. Isso significa que, se as partículas de matéria escura realmente existem, então serão precisos detectores ainda maiores que os atuais para encontrá-las. O XENON100 deve passar por uma ampliação de uma tonelada a mais de xenônio que vai torná-lo 100 vezes mais sensível.
Os resultados contradizem o de outros experimentos parecidos, mas menores – o italiano DAMA e o norte-americano CoGeNT – cujos pesquisadores afirmavam ter encontrado evidências de WIMPS. O físico Juan Collar, do CoGeNT, disse a revista Nature que desconfia de erros na metodologia do XENON100 e espera examinar os resultados com mais cuidado.
(Fontes adicionais: Science News, Physics World, S
cienceNow)
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Nada de neutrinos vindos de GRBs (por enquanto ?)
Explosões de raios gama (GRB, em inglês) são os eventos mais luminosos do universo, durando poucos segundos e que todo dia são detectadas aqui na Terra. As teorias mais aceitas para a sua origem são a explosão de estrelas gigantes ou a colisão de estrelas de nêutrons ou buracos negros. Essas explosões acelerariam elétrons, que por sua vez emitiram raios gama. Também acelerariam prótons que seriam a fonte dos raios cósmicos mais energéticos observados na Terra, alguns 100 milhões de vezes mais energéticos que as partículas produzidas no LHC. Antes de saírem da zona da explosão, esses prótons interagiriam com os raios gama, gerando neutrinos energéticos que seriam em princípio detectáveis aqui na Terra.
Neutrinos são extremamente difíceis de detectar, porém. Quase não têm massa e interagem muito pouco com a matéria normal, pois são imunes à força eletromagnética e a força nuclear forte. Eles são produzidos em reatores nucleares, no interior da Terra, no Sol e em outros fenômenos astrofísicos, e a imensa maioria deles nos atravessa em linha reta, sem deixar vestígio. Mas eles são muitos, felizmente, e um ou outro colide com um núcleo atômico de vez em quando.
O IceCube, que foi terminado em dezembro de 2010, é o maior detector de neutrinos já construído. É uma rede cúbica quilométrica de 5160 fotodetetores enterrados a uma profundidade entre 1,5 e 2,5 quilômetros no gelo da Antártica, bem próximo ao polo Sul. Ocasionalmente, um neutrino colide com um dos átomos do gelo e cria uma partícula carregada, o múon, que emite luz à medida que se move no gelo, captada pelos foto detectores.
Em artigo publicado na Physical Review Letters, a equipe do IceCube descreve como comparou 13 meses de seus dados coletados com metade de sua rede com observações de 117 GRBs observados durante o período por telescópios espaciais. De acordo com a teoria, o IceCube esperava detectar pelo menos 3 neutrinos. Mas nenhum neutrino foi detectado dentro de meia hora depois de cada GRB, e mesmo depois desse intervalo de tempo, nenhum dos neutrinos detectado tinha a energia esperada.
Isso significa que os modelos para GRB estão errados? O IceCube está apenas começando a funcionar com sua rede completa. Se o experimento continuar não observando esses neutrinos nos próximos dois anos, a coisa vai ficar feia para o lado dos teóricos…
(Fonte adicional: Physics)
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[P.S. : Neutrinos, aliás, tem uma história de balançar as bases de nossas teorias sobre o Universo, como você pode conferir neste texto em inglês bem divertido de Ann Finkbeiner. A autora chama atenção para outro mistério atual envolvendo essas partículas: o sumiço de antineutrinos em reatores nucleares podem ser um sinal de que existe um tipo a mais de de neutrino além do Modelo Padrão. ]
“Cana-de-açucar vai resfriar clima do Brasil” – Ou da frigideira para o fogo
“Plantar cana-de-açucar pode ajudar a esfriar o Brasil”. Levei um susto ontem quando li esse título infeliz no site da New Scientist, noticiando um estudo, cujo o próprio título não tem nada de senscionalista, que, informa o site G1, concluiu que
“quando a vegetação original foi substituída por plantações e pastagens, a temperatura subiu em média 1,55 °C. Contudo, quando estes foram substituídos pela cana-de-açúcar, a temperatura caiu em 0,93°C, em média. As medições foram feitas na Região Centro-Oeste do Brasil, onde a vegetação nativa predominante é o cerrado.“LINK
Notem que a cana dimunui a temperatura em relação a outras plantações e pastagens, mas não em relação ao bom e velho cerrado, como ressalta a matéria na edição de hoje da Folha:
“Tudo isso não significa, porém, que se deva sair por aí derrubando árvores e florestas e colocando um monte de cana-de-açúcar no lugar. Os autores da pesquisa, publicada na última edição da revista “Nature Climate Change”, alertam que a cana não substitui a boa e velha mata nativa.” LINK.
O próprio texto da New Scientist alerta, mas só no finalzinho:
“Timothy Searchinger da Universidade de Princeton diz que [a expansão da cana e a consequente expansão das demais culturas] pode levar ao corte de mais cerrado para plantar comida, de modo que as temperaturas locais subiriam, e não cairiam.”
Enfim, só enfatizando que essas culturas precisam ser planejadas para manter uma boa porção de cerrado em pé, se não quisermos viver em um inferno onde até uma plantação de cana é relativamente fresquinha.
Como arremessar um buraco negro para fora da galáxia
Você viu um buraco negro voando por ai? Eu também não, mas em 2008, astrofísicos do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Alemanha, afirmaram observar os raios X emitidos pelo gás quente em volta de um imenso buraco negro com 100 milhões de vezes a massa do Sol, que teria sido arremessado para fora de sua galáxia, viajando a uma velocidade de 2650 km/s. O que teria catapultado esse monstro no espaço intergaláctico?
Curiosamente, um buraco negro voando feito bala perdida foi o que previu uma simulação por computador feita em 2007 por uma equipe liderada pela física Manuela Campanelli, da Universidade do Texas, em Brownsville, EUA. Durante o choque entre duas galáxias, os dois buracos negros no centro de cada uma delas podem colidir e se fundir, formando um buraco negro maior. Durante sua colisão, os buracos negros desprendem parte de sua energia na forma de violentas oscilações na gravidade ao seu redor (veja neste vídeo da Nasa, uma ilustração delas). Foram essas ondas gravitacionais que Campanelli e seus colegas calcularam. Eles descobriram que, dependendo de como os buracos estiverem alinhados logo antes de colidirem, as ondas gravitacionais da colisão podem se concentrar todas de um lado só do buraco negro recém criado. Como em um gigantesco foguete, pela lei da ação e reação as ondas gravitacionais propulsionam o buraco negro para o lado oposto.
A simulação mostrou que o efeito existe, mas ninguém entendeu muito bem porque as ondas gravitacionais se concentravam de um lado só. Agora, outra equipe de físicos coordenada por Robert Owen, da Universidade de Cornell, EUA, desenvolveu uma nova técnica para visualizar as complicadas ondulações gravitacionais, ajudando os pesquisadores a ganharem uma intuição do que acontece durante a colisão de buracos negros.
A técnica lembra o jeito de se visualizar campos elétricos e magnéticos, por meio de linhas desenhadas no espaço que descrevem a intensidade desses campos. De maneira semelhante, os físicos descobriram que podem visualizar melhor as ondas gravitacionais desenhando dois conjuntos diferentes de linhas. Uma delas, as chamadas linhas de tendicidade (“tendex lines” em inglês), descrevem como a gravidade estica ou comprime os objetos em qualquer ponto do espaço. Já as linhas de vorticidade (“vortex lines”), indicam em cada ponto como a gravidade pode torcer um objeto feito uma toalha.
Figura – Acima, linhas de tendicidade de um buraco negro, representam como a gravidade estica e comprime em cada ponto do espaço. Abaixo, as linhas de vorticidade de um buraco negro girando, representam como agravidade pode torcer obejtosem cada ponto do espaço. Crédito: Caltech/Cornell SXS Collaboration.
Calculando as linhas geradas por dois buracos negros como na simulação de Campanelli, Owen e seus colegas descobriram que o par colidindo gera espirais de rolos de linhas de tendicidade e vorticidade. De um lado do buraco resultante da fusão, a influência das espirais uma na outra se cancela, enquanto se soma do outro lado, produzindo só ali as ondas gravitacionais.
A nova técnica ainda facilita o cálculo da frentes dessas ondas, que se espera um dia serem detectadas diretamente, por instrumentos como o LIGO, nos EUA.
Encontrar novos jeitos de visualizar a curvatura do espaço e do tempo pela gravidade sempre foi o forte de um dos envolvidos nessa pesquisa, o renomado físico Kip Thorne, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech). “Nunca antes fui coautor de um artigo onde essencialmente tudo é novo”, disse Thorne em um press release. Ele e seus colegas esperam que as linhas de tendicidade e vorticidade sirvam para entender melhor muitos outros problemas em aberto de buracos negros e de cosmologia.
Figura mais acima: concepção artística de buraco negro ejetado de galáxia. Crédito: MPE/HST-Archive.
Energia solar sem painéis solares, apenas com vidro
Extrair energia da luz do Sol de forma barata, sem usar os caros materiais semicondutores dos painéis solares atuais pode ser possível graças a um novo fenômeno ótico, descoberto por dois físicos da Universidade de Michigan, EUA. William Fisher e Stephen Rand descobriram que um feixe de luz intenso o suficiente atravessando um meio transparente e não condutor de eletricidade, como o vidro por exemplo, pode separar as cargas elétricas positivas das negativas do material, o transformando em uma bateria pronta para fornecer eletricidade.
Pensava-se que essa separação de cargas induzida pelo campo magnético da luz fosse fraca demais, mas Fisher e Rand mostraram que em certas condições ela pode ser 100 milhões de vezes mais intensa que o normal (Rand fala sobre essa “ressonância paramétrica” em neste artigo para físicos, em PDF).
Os painéis solares geram eletricidade quando as partículas de luz atingem os elétrons de um material semicondutor a base de silício. Fabricar semicondutores envolve processos caros e sofisticados, como “dopar” o silício com “impurezas”, produzir uma junção p-n, etc. Por outro lado, uma futura “bateria ótica” poderia ser alimentada por uma lente que concentrasse a luz solar, tudo feito do simples e barato vidro.
Vale lembrar, porém, que entre demonstrar a existência de um efeito e fabricar um protótipo existe um longo caminho…
Fontes:
Universidade de Michigan (soube via @physicsdavid)
Journal of Applied Physics
O cosmo em miniatura – jatos de estrelas e até o big bang em laboratório
Acho fascinantes as experiências em laboratório que conseguem produzir imitações em miniatura de fenômenos cósmicos. Em 2009, escrevi sobre gotas levitando que lembram planetas-anões. E minha dissertação de mestrado, de 2004, tinha a ver com ondas na superfície de tanques d’água que se parecem com a radiação que se acredita seja emitida por buracos negros – uma experiência finalmente realizada ano passado.
Esta semana apareceram mais dois exemplos curiosos. Igor Smolyaninov e Yu-Ju Hung, ambos da Universidade de Maryland, EUA, criaram um simulacro do Big Bang – mais precisamente, de como acontece a expansão do Universo. Eles fizeram isso com um material feito de camadas de acrílico e ouro, pelo qual fizeram passar um feixe laser que produzia ondas de elétrons livres (manchas verdes na imagem acima). Eles projetaram as propriedades ópticas do material de tal forma que as equações matemáticas descrevendo a passagem das ondas de elétrons imitam as equações de movimento de galáxias em um Universo se expandindo (à direita na imagem acima). Os pesquisadores esperam que, ao observarem as ondas de elétrons interagirem umas com as outras em seu modelo de universo, eles consigam uma ideia mais clara de como a expansão do espaço se relaciona com o fato da “desordem”, ou entropia, do Universo aumentar com o tempo. (Fontes: Wired Science e o artigo original.)
Com objetivos bem mais modestos, a outra experiência divulgada esta semana conseguiu criar uma versão mini dos imensos jatos de gás ionizado que estrelas jovens produzem (um deles, com 20 vezes o tamanho do sistema solar, pode ser visto nesta imagem do telescópio Hubble). Um grupo liderado por Daniela Tordella, da Universidade Politécnica de Turim, Itália, bombeou uma série de gases nobres, como o hélio, em um tubo de vácuo com 4 metros de extensão. O formato do tubo era tal que fazia os gases atingirem uma velocidade hipersônica. No final do tubo, os gases eram bombardeados por elétrons que excitavam seus átomos, os tornando visíveis para câmeras de alta velocidade. Comparando as imagens gravadas com simulações por computador, os cientistas confirmaram que seus mini jatos se comportavam como os jatos astrofísicos. (Fontes: Physorg e o artigo original)
Os jatos podem ser vistos neste vídeo onde Tordella explica o trabalho:
Crédito da imagem: Igor Smolyaninov e Nasa.
Observações desafiam teoria sobre raios cósmicos
Raios cósmicos são núcleos atômicos, principalmente hidrogênio e hélio, que chegam à Terra vindos de todas as direções do espaço com velocidades incríveis. A teoria mais aceita para a origem da maioria deles diz que são lançados ao espaço pela explosão de supernovas em nossa galáxia.
A ideia é que as ondas de choque da explosão lançam nuvens de gás eletricamente carregadas que, por sua vez, geram campos magnéticos que arremessam núcleos atômicos carregados ao espaço. Desviados e acelerados ainda mais pelo campo magnético da própria Via Láctea, alguns deles chegam à Terra.
Parece, porém, que essa não é toda a história, de acordo com um novo estudo publicado na revista Science em 3 de março, baseado em três anos de observações de raios cósmicos feitas pelos instrumentos da missão PAMELA, em órbita da Terra.
Conforme a teoria vigente, por serem acelerados pelo mesmo mecanismo, a abundância dos núcleos de hidrogênio e hélio com relação a sua energia deveria seguir um mesmo padrão conhecido por “lei de potência”. Mas contrariando a previsão, os dados do PAMELA sugerem que tanto o hidrogênio quanto o hélio foram acelerados por mecanismos diferentes.
Os autores do estudo afirmam que outras fontes de raios cósmicos além das supernovas podem ser importantes e precisam ser buscadas. Outros especialistas ouvidos pelos sites Science News e Physics World, entretanto, acham que é cedo para buscar teorias alternativas, já que a diferença observada entre o hidrogênio e o hélio é pequena e pode, talvez, ser explicada por cálculos mais detalhados, levando em conta, por exemplo, desigualdades dentro de uma mesma onda de choque ou entre ondas de choques de supernovas diferentes.
Cem anos de núcleo atômico e colisões
“Foi de longe o evento mais incrível que jamais aconteceu comigo em minha vida. Foi quase tão incrível quanto se você atirasse um projétil de 40 centímetros contra um pedaço de papel toalha e ele ricocheteasse e acertasse você.” – Ernest Rutherford (1871-1937), citado no livro Big Bang, de Simon Singh.
Assim o físico Ernest Ruhterford descreveu a incrível descoberta do núcleo atômico, anunciada pela primeira vez na Sociedade Filosófica e Literária de Manchester, Reino Unido, em 7 de março de 1911, como ficamos sabendo neste artigo na Ciência Hoje do físico Odilon Tavares, do CBPF, que relata vários detalhes interessantes da história e o espírito da física na época.
A descoberta resultou dos experimentos de Rutherford, realizados com seus colegas Hans Geiger e Ernest Marsden, em 1909. Na época, a visão que se tinha do átomo era a de uma esfera pouco densa e uniforme de carga elétrica positiva, incrustada com partículas de carga elétrica negativa (a esfera vermelha da figura abaixo). Para verificar esse modelo, Ruhterford, Geiger e Marsden resolveram lançar um feixe de partículas positivamente carregadas (núcleos de átomo de hélio, na época chamadas de partículas alfa) contra uma placa fina de ouro (figuras do experimento podem ser vistas no artigo da Ciência Hoje). Se o átomo fosse mesmo com se pensava até então, os núcleos de hélio atravessariam a placa de ouro sem sofrer quase nenhum desvio (setas pretas na figura). Mas em vez disso, os físicos observaram que uma vez ou outra, uma partícula alfa era fortemente espalhada, como se tivesse colidido com algo muito duro e ricocheteasse (figura abaixo).
Foi só em 1910 que Rutherford conseguiu entender o que estava acontecendo. Ele foi forçado a concluir que toda a carga elétrica positiva do átomo estava concentrada em seu centro, em uma região 100 mil vezes menor que o próprio átomo. Na maioria de seu volume, o átomo era essencialmente vazio. Foi uma conclusão estarrecedora, que desencadeou uma série de questionamentos que contribuiram ao desenvolvimento da mecânica quântica.
Fonte: Wikipedia
E há mais um motivo para se comemorar o experimento de Rutherford, Geiger e Marsden. Como ressaltam Frederick Dylla, do American Institute of Physics, e Steven Corneliussen, do Jefferson Lab, nesta apresentação em PDF, o método do experimento de colidir partículas e analisar o resultado das colisões é a base de todos os experimentos de física nuclear e de partículas elementares que resultaram em todas as outras descobertas da estrutura da matéria no século XX. Já no século XXI, embora um milhão de vezes mais energéticos que as partículas alfa de Rutherford, os prótons do recém inaugurado LHC, e os elétrons e pósitrons do ainda em projeto ILC, colidem em experimentos cuja essência é basicamente a mesma.
Estrela de neutrons tem superfluido em seu interior
Astrofísicos descobriram uma evidência clara de que no núcleo dos objetos estáveis mais densos do universo, as estrelas de nêutrons, a matéria existe em um dos estados mais bizarros já observados, o da superfluidez.
Formadas durante explosões conhecidas como supernovas, a partir da implosão do núcleo de uma estrela muito massiva, as estrelas de nêutrons concentram a massa de até dois sóis (ou seja, 660 mil vezes a massa da Terra) em uma esfera com uns 20 quilômetros de diâmetro. A matéria em seu interior, principalmente em seu núcleo, é tão espremida que os núcleos dos átomos se desfazem e formam uma sopa quente de neutrons. Uma colher de chá dessa sopa de temperatura de milhões de graus pesa seis bilhões de toneladas.
As estrelas de neutrons foram estudadas teoricamente desde os anos 1930 e, desde 1967, mais de duas mil delas já foram detectadas, conta Nicholas Chamel, da Universidade Livre de Bruxelas, que escreveu um comentário sobre a descoberta no site Physics.
Uma delas foi identificada pelo telescópio espacial Chandra de raios X em 1999, a 11 mil anos-luz de distância, no centro do remanescente da supernova Cassiopeia A — uma explosão que teria sido vista na Terra há 330 anos. A imagem abaixo mostra uma composição da Cassiopeia A vista em luz visível e em raios X, com uma ilustração artística de estrela de neutrons inserida, marcando sua localização:
Crédito:raios X: NASA/CXC/UNAM/Ioffe/D.Page,P.Shternin et al; luz visível: NASA/STScI; ilustração: NASA/CXC/M.Weiss
As estrelas de neutrons nascem bem quentes, com temperaturas de milhares de bilhões de graus Kelvin, mas esfriam ao longo de suas primeiras décadas de vida até chegarem a temperaturas da ordem de milhões de graus. Os principais responsáveis por esse resfriamento são partículas de massa quase inexistente chamadas de neutrinos. Elas são produzidas em reações nucleares no interior dessas estrelas [uma delas é “o processo Urca“, descoberta pelo físico brasileiro Mário Schenberg (1914-1990)] e rapidamente escapam para o espaço, levando energia consigo, o que com o tempo diminui a temperatura da estrela.
Ano passado, Craig Heinke, da Universidade de Alberta, Canadá, e Wynn Ho, da Universidade de Southampton, Reino Unido, analisaram as observações da estrela de neutrons em Cassiopeia A feitas pelo Chandra entre 1999 e 2009. Deduzindo a temperatura da estrela por sua emissão de raios X, eles notaram uma queda de 4% da temperatura em dez anos. Logo ficou claro que essa taxa era alta demais para ser explicada apenas pelos processos de emissão de neutrinos mais conhecidos.
Agora, no final de fevereiro, dois grupos de pesquisadores independentes anunciaram que chegaram a uma mesma solução para esse mistério. Um grupo publicou seus resultados em um artigo na Physical Review Letters, assinado por Dany Page, da Universidade Nacional Autônoma do México, e colegas. O outro grupo, liderado por Peter Shternin, do Instituto Técnico Físico Ioffe, na Rússia, e do qual Heinke e Ho fazem parte, publicará seu artigo na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ambos grupos de pesquisadores conseguiram explicar as observações de Heinke e Ho, assumindo que há um século mais ou menos depois de nascer, quando o interior da estrela alcançou uma certa temperatura crítica, os seus nêutrons começaram a se organizar em pares. Quando dois nêutrons formam um par, eles emitem um par de neutrinos. Seriam esses neutrinos extras os responsáveis pelo rápido resfriamento da estrela.
De acordo com o modelo teórico, o resfriamento rápido acontece em uma fase da vida bem específica da estrela de nêutrons, durante algumas décadas, e depois continua mais lentamente. Se a explicação estiver correta, foi um lance de sorte encontrar uma estrela de neutrons jovem o suficiente e no momento certo para observar o fenômeno.
Uma consequência do pareamento dos nêutrons é que, pelas leis da mecânica quântica, o comportamento coletivo deles se transforma radicalmente. A sopa de nêutrons passa a se comportar como um superfluido, um fluido que, diferente da água ou de outro líquido normal, não tem viscosidade. Isso significa que ele flui sem oferecer nenhuma resistência.
Aqui na Terra, os físicos encontraram o fenômeno da superfluidez pela primeira vez em 1938, resfriando hélio de peso atômico 4 líquido até alcançar meros 2,17 graus acima do zero absoluto, como neste vídeo:
Como visto no vídeo, entre outras bizarrices a ausência de viscosidade permite que o superfluido vaze por qualquer canal, não importa o quão pequena seja a sua espessura. Permite também que o líquido superfluido em um recipiente aberto vaze dele escalando a superfície molhada de suas paredes!
Enquanto que a superfluidez do hélio-4 nos laboratórios aqui na Terra depende das interações entre os átomos resfriados quase ao zero absoluto, a superfluidez dos pares de nêutrons no interior das estrelas de neutrons depende da força nuclear forte, a interação da natureza que mantêm os núcleos atômicos coesos. Como os detalhes da força nuclear forte nas condições extremas de densidade e temperatura das estrelas de nêutrons são ainda incertos, estudar melhor o resfriamento rápido observado pode ajudar a testar os modelos atuais de como se comporta a matéria nuclear superdensa.
Se essa explicação para o fenômeno de Cassiopeia A estiver correta, os pesquisadores prevêm que o Chandra deve observar a mesma tendência de resfriamento pelas próximas décadas. Se a tendência não se confirmar e o resfriamento rápido parar abruptamente, sua causa pode ser algo mais simples, como a colisão de material remanescente da supernova com a estrela.
Referência:
Page, D., Prakash, M., Lattimer, J
., & Steiner, A. (2011). Rapid Cooling of the Neutron Star in Cassiopeia A Triggered by Neutron Superfluidity in Dense Matter, Physical Review Letters, 106 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.081101
