Brasileira ganha prêmio internacional por sua pesquisa em energia escura

Marcelle Soares-Santos venceu o Alvin Tollestrup Award (Prêmio Alvin Tollestrup) de Melhor Pesquisa de Pós-doutorado deste ano por suas contribuições para a pesquisa de energia escura, que vão desde a construção de instrumentos e comissionamento a análise física de alto nível.

The Universities Research Association (associação de 86 universidades orientadas à pesquisa cientifica situadas principalmente nos EUA) premia todos os anos o trabalho excepcional realizado por um pesquisador de pós-doutorado no Fermilab (laboratório especializado em física de partículas de alta energia dos EUA) ou em colaboração com cientistas do Fermilab.

Soares-Santos chegou ao Fermilab como uma estudante de doutorado da Universidade de São Paulo (Brasil), em 2010. Durante a construção do Câmera de Energia Escura do Fermilab e sua instalação no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, seu papel foi o de testar instrumentos através de simulações.

“Eu acho que é gratificante construir coisas, e eu pretendo fazer mais disso”, disse Soares-Santos. “É realmente fascinante saber que há equipamentos lá fora trazendo ciência não só para mim, mas para toda a comunidade astrofísica”.

Atualmente, Soares-Santos usa a Câmera para procurar novos aglomerados de galáxias nas imagens. “Estou produzindo um catálogo dos mais altos redshifts [desvios para o vermelho] já vistos”, disse. “Também será um dos maiores catálogos de aglomerados de galáxias publicados”.

O trabalho da brasileira se estende para além do objetivo original do levantamento: Marcelle também estuda a luz associada a eventos de ondas gravitacionais. Até o momento, ninguém observou esses eventos, que são produzidos a partir de colisões de estrelas de nêutrons ou colisões entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro.

Brenna Flaugher, chefe do Departamento de Astrofísica do Fermilab, recomendou Soares-Santos para o prêmio por causa dessas diversas contribuições para o laboratório. “Marcelle é uma excelente pós-doutoranda. Ela trabalha com os dados para gerar resultados científicos e desenvolver novas maneiras de entender a formação do nosso universo”.

Além do reconhecimento, Soares-Santos disse que o prêmio tem um significado especial para ela por causa do nome que carrega. “É um prêmio em homenagem a alguém que também tem muita experiência em instrumentação”, disse Soares-Santos. “Alvin tem 90 anos de idade. No ano passado dei uma palestra, e ele estava sentado na primeira fila, fazendo perguntas e me testando. Eu quero ser assim”. [FNAL]

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Nova teoria pode revolucionar a cosmologia e explicar a energia escura

Em trabalho sobre energia escura e relatividade, o professor Edward Kipreos, da Universidade da Geórgia (EUA), afirma que a energia escura pode ser um simples efeito causado pela dilatação do tempo, um dos previstos pela Teoria da Relatividade.

Só para refrescar, na década de 1990 alguns astrônomos descobriram que a expansão do universo estava acelerando. Até então, era um mistério o que aconteceria no futuro, se o universo pararia de expandir e então começaria a contrair, revertendo o Big Bang, se ele continuaria a expandir cada vez mais lento sem nunca parar, ou se ele entraria em expansão acelerada.

Examinando a luz de um tipo especial de supernova, os astrônomos descobriram que o brilho delas era menor do que o previsto pelo modelo cosmológico, indicando que elas estavam mais longe do que o esperado, e chegaram à conclusão que a expansão estava sendo acelerada. Uma energia, que ninguém sabia que energia era, estava acelerando a expansão. O apelido de energia escura foi dado à ela.

O professor Edward Kipreos, que é na verdade um biólogo celular, conta que a teoria da relatividade sempre o intrigou, e de uns anos para cá ele se pôs a pensar no assunto relatividade e cosmologia, e o problema da energia escura. Particularmente, o curioso fenômeno da dilatação do tempo o intrigava: você viaja cada vez mais rápido, e o tempo “anda” cada vez mais devagar para você.

Baseado em seus próprios cálculos, ele publicou um trabalho no periódico aberto PLOS ONE, chamado “Implication of an Absolute Simultaneity Theory for Cosmolgy and Universe Acceleration”. Nele, o professor alega que deve have um referencial preferencial na hora de medir a dilatação do tempo, e este referencial seria o ponto de maior concentração de matéria nas proximidades.

No caso do observador aqui no nosso planeta, este referencial preferencial está bem debaixo de nossos pés, a Terra. Utilizando este referencial, o professor alega normalizar as velocidades de expansão, fazendo desaparecer a aceleração da expansão: tudo não passaria de uma ilusão causada pela dilatação do tempo destes objetos que estão viajando longe de nós.

O professor ainda alega que várias observações ficam bem explicadas pelo seu novo modelo, e não é preciso procurar a energia escura, por que a expansão do universo não estaria em aceleração.

Os problemas com a nova teoria

O primeiro sinal de alerta vem da maneira que o biólogo encontrou a solução, usando um referencial privilegiado. O que ele sugere é considerado por alguns uma espécie de retorno ao geocentrismo: vemos o universo em expansão por que estamos aqui neste ponto de observação privilegiado.

Outro sinal de alerta é que o veículo escolhido para publicar é o PLOS ONE. Este periódico tem publicado bons trabalhos, mas como é uma publicação aberta, a revisão por pares deixa um tanto a desejar. Além disso, o editor, que também é da área de biologia, pode deixar passar algo que não tem condições de revisar.

Finalmente, tem mais um problema: o autor se concentrou em explicar o brilho das supernovas, mas não são elas as únicas evidências da expansão acelerada do universo, como a chamada oscilação acústica bariônica (perturbações na radiação cósmica de fundo), e a densidade de aglomerados de galáxias. Estas e outras observações confirmam que o universo está em expansão acelerada.

Lembrando que novas hipóteses e teorias não substituem antigas teorias; apenas explicam um fenômeno único. O professor Kipreos alega que seu trabalho explica o desvio para o vermelho e a anomalia no brilho das supernovas que foi a primeira pista para a expansão acelerada, mas não fala nada sobre os outros aspectos do universo que também confirmam a expansão acelerada.

Infelizmente para o professor Kipreos, sua nova teoria para explicar a energia escura parece que já nasceu morta. [Phys.Org, One Universe at a time]

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Matéria escura e energia escura: o que é?

Por Cesar Grossmann, em 13.01.2013

A matéria escura e a energia escura são soluções propostas para explicar alguns fenômenos gravitacionais, e, até onde sabemos, são coisas distintas.

Embora juntas respondam por mais de 95% do nosso universo, só sabemos de sua existência por meios indiretos, observando seus efeitos sobre o universo e tentando deduzir suas propriedades a partir deles.

Energia escura

A matéria escura foi proposta nos anos 1930 por Fritz Zwicky para explicar a diferença entre a massa gravitacional e a massa luminosa de aglomerados de galáxias (Fritz Zwicky estava trabalhando com curvas de rotação de galáxias).

A massa gravitacional de um objeto é determinada pela medida da velocidade e raio da órbita de seus satélites, um processo igual à medição da massa do sol usando a velocidade e distância radial dos planetas.

A massa luminosa é determinada pela soma de toda luz e convertendo este número em uma estimativa de massa, baseado na nossa compreensão sobre como as estrelas brilham. Esta comparação de massa-para-luz indica que a energia na matéria luminosa contribui com menos de 1% da densidade média de energia do universo.

Certamente existe mais matéria nas galáxias que não emite luz, mas as evidências indicam que há um limite máximo para a matéria normal (aquela feita de átomos) presente no universo. Evidências vindo da medição da radiação cósmica de fundo, por exemplo, apontam que no máximo 5% da densidade de massa-energia do universo e 20% da massa dos aglomerados está na forma de átomos.

Mas do que é feita a matéria escura? Muitos físicos e astrônomos acham que a matéria escura é provavelmente uma nova partícula que ainda não foi detectada em aceleradores de partículas ou em raios cósmicos.

Para ser uma partícula de matéria escura, ela tem que ter bastante massa, provavelmente mais que um nêutron, e interagir muito fracamente com a matéria normal, de forma a dificilmente reagir produzindo luz.

O protótipo do candidato é algo parecido com um neutrino, só que todos os tipos de neutrinos conhecidos são muito leves e muito raros para explicar a matéria escura.E como a matéria escura afeta o universo? Aparentemente, ela é responsável pelas estruturas que vemos no universo, como galáxias e aglomerados; é ela que “segura” estes objetos imensos, não deixando que se desfaçam. Como curiosidade, a proposta de uma matéria escura na década de 1930 por Fritz Zwicky não foi levada a sério porque o suíço tinha entrado em atrito com muitos colegas na comunidade astronômica. Em 1962, a astrônoma Vera Rubin fez a mesma descoberta, que novamente não foi levada à sério, desta vez porque ela era uma mulher. Ela persistiu e conseguiu atenção da comunidade em 1978, com um estudo profundo de 11 galáxias, inclusive a nossa.

Matéria escura

A energia escura tem sua origem nos trabalhos para entender a expansão acelerada do universo. Basicamente, a teoria atual não consegue explicar essa aceleração. Uma das especulações é que a aceleração é consequência de uma nova forma de matéria, apelidada “energia escura”, que também não foi detectada até agora.

É chamada de “escura” porque deve interagir muito fracamente com a matéria, como a matéria escura, e é chamada de energia porque uma das coisas de que estamos certos é que ela contribui com cerca de 70% da energia total do universo. Se descobrirmos o que é, podemos então trocar o nome para algo menos misterioso.

Com o estabelecimento do modelo cosmológico do Big Bang, acreditava-se que a expansão inicial de 13,7 bilhões de anos atrás estaria diminuindo com o tempo, mas duas equipes de pesquisadores independentes descobriram em 1998 que a expansão estava acelerando.

A aceleração é determinada pela medida dos tamanhos relativos do universo em diferentes eras. De uma forma específica, os astrônomos medem o redshift ou desvio para o vermelho do espectro e a distância da luminosidade de explosões estelares chamadas supernovas tipo 1a.

O tempo que a luz da supernova leva para chegar aos telescópios é descoberto examinando a distância da luminosidade, enquanto a mudança do tamanho do universo entre a explosão e a observação é determinada pelo desvio para o vermelho. Uma comparação destes tamanhos em uma sequência de tempo revela que o universo está crescendo cada vez mais rápido. Desde esta descoberta, os equipamentos ficaram mais sensíveis e os dados foram confirmados pela medição de outros fenômenos cosmológicos.

A teoria da relatividade prevê que a aceleração cósmica é determinada pela densidade média de energia e pressão de todas as formas de matéria e energia no universo. Só que as quantidades da matéria normal, da energia normal, e da matéria escura não respondem pela densidade de energia necessária para a aceleração – tem que ser outra coisa.

Uma das hipóteses mais aceitas é que o universo é preenchido por um mar de energia quântica de ponto zero, que exerce uma pressão negativa, como uma tensão, fazendo com que o espaço-tempo sofra uma repulsão gravitacional. É a chamada constante cosmológica, introduzida por Einsten em outro contexto (e referida por ele como seu maior erro).

E como a energia escura afeta o universo atualmente? Ela é responsável pela aceleração cósmica, e equipes internacionais de astrônomos estão trabalhando para refinar a medida desta aceleração. Dela depende o julgamento da constante cosmológica de Einstein, uma possível compreensão da teoria fundamental da natureza (gravidade quântica e o estado quântico do universo), e o destino do universo (Big Chill ou Big Rip?).

Os feijões representam a matéria e energia escura no universo e as jujubas a matéria que podemos enxergar

Diferenças entre as duas

As duas, matéria escura e energia escura, possuem diferenças enormes. A matéria escura atrai e a energia escura repele, ou seja, a matéria escura é usada para explicar uma atração gravitacional maior que o esperado, enquanto a energia escura é usada para explicar uma atração gravitacional negativa.

Além disso, os efeitos da matéria escura se manifestam em uma escala de 10 megaparsecs (um megaparsec corresponde a 3,2 milhões de anos luz, aproximadamente) ou menor, enquanto que a energia escura parece que só se torna relevante em escala de 1.000 megaparsecs ou mais.

Finalmente, é importante questionar se os fenômenos da matéria escura e da energia escura podem ter uma explicação gravitacional. Talvez as leis da gravidade sejam diferentes do que desenhou a teoria de Einstein. Esta é uma possibilidade, só que até hoje a teoria da relatividade não falhou em nenhum teste. Além disto, novas imagens de aglomerados revelaram um comportamento que é inconsistente com teorias gravitacionais alternativas, como a MOND – ou seja, a matéria escura está ali.

Nossas melhores mentes estão trabalhando no problema e nossa melhor tecnologia está examinando o cosmos, e, por enquanto, não há outra explicação para os efeitos que observamos: a matéria escura e a energia escura são reais. A composição do universo atual, até onde sabemos, é de 4,2% matéria normal, 24% matéria escura e 71,6% energia escura.[en.Wikipedia 1 2, Nasa Ask an Astronomer, How Stuff Works, Nasa Astrophysics, Dummies, National Radio Astronomy Observatory, Scientific American, Space.com, WMAP’s Universe]

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