Brasileiros descobrem pista para estudar a gravitação quântica

Fabio Reynol - Agência Fapesp - 24/09/2010

A gravitação quântica é um fenômeno cuja medição direta é impraticável porque ela ocorre em locais inacessíveis ao homem, como o interior dos buracos negros.[Imagem: NASA/JPL-Caltech]

A medição direta dos efeitos da gravitação quântica é praticamente impossível. O motivo é que eles têm origem em locais inacessíveis ao homem, como em buracos negros. Além disso, seus efeitos são extremamente sutis.

Mas um grupo de físicos brasileiros desenvolveu um meio de estudar indiretamente um desses fenômenos, a flutuação da velocidade da luz.

Líquidos heterogêneos

A solução consiste em usar experimentos de propagação de ondas acústicas em fluidos com aleatoriedade, como em coloides, líquidos heterogêneos que contêm partículas ou moléculas de diferentes tamanhos em suspensão - o leite é um exemplo.

O trabalho foi realizado por Gastão Krein, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Nami Svaiter, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), e Gabriel Menezes, pós-doutorando da Unesp.

"Em uma conversa que tivemos com Svaiter, surgiu a ideia de que a propagação do som em fluidos coloides poderia apresentar efeitos similares aos da luz em ambientes nos quais a gravitação quântica seria relevante", disse Krein.

O encontro entre os físicos foi importante para a concepção da pesquisa, uma vez que Krein tem larga experiência em estudos com equações com flutuações aleatórias e Svaiter é especialista em gravitação quântica, tendo desenvolvido estudos de seus efeitos com Lawrence Ford, da Universidade Tufts, nos Estados Unidos.

Flutuações clássicas e quânticas

Flutuações em um fluido podem ser clássicas ou quânticas. O artigo demonstra que é possível usar microvibrações em coloides como uma plataforma para estudar a gravitação quântica. Segundo o estudo, os dois fenômenos são descritos por equações matemáticas similares.

Se trabalhos com coloides são comuns e conhecidos, o mesmo não se pode dizer do segundo fenômeno. Na gravidade quântica a velocidade da luz não é uma constante, como ensina a física clássica, mas flutua de um ponto a outro devido aos efeitos quânticos. Estima-se que esse tipo de gravidade esteja presente em buracos negros e tenha vigorado durante o Big Bang.

Outros experimentos já foram propostos para estudar a gravidade quântica, mas o trabalho dos brasileiros é o primeiro a contemplar o estudo das flutuações da velocidade da luz através das flutuações da velocidade de propagação de ondas acústicas em fluidos.

Segundo Krein, o mérito da pesquisa foi ter apontado um meio de simular em laboratório um fenômeno de observação não possível atualmente. "O comportamento das ondas sonoras ao se propagar em um meio aleatório, como os coloides, permite trazer para o laboratório efeitos análogos aos da gravitação quântica", disse.

Radiação Hawking

Krein e colegas pretendem usar os modelos com fluidos para estudar o equivalente a um buraco negro e como vibrações acústicas quânticas são criadas e destruídas próximo a essas formações no espaço.

Os físicos buscam compreender melhor o fenômeno conhecido como "radiação Hawking", prevista em 1973 pelo físico inglês Stephen Hawking. Segundo Hawking, os buracos negros encolhem com a perda de energia por meio dessa radiação.

Krein, Svaiter e Menezes procuram também grupos experimentais de pesquisa que investiguem fluidos e se interessem em fazer experimentos nessa área.

"Com um fluido, podemos controlar parâmetros do experimento, como a densidade e a concentração das partículas em suspensão, e, com isso, aprender como muda a propagação do som de maneira controlável no laboratório. Isso permitirá construir correlações dos resultados com o que ocorre na gravitação quântica", disse Krein.

Bibliografia:

Analog Model for Quantum Gravity Effects: Phonons in Random Fluids
G. Krein, G. Menezes, N. F. Svaiter
Physical Review Letters
20 September 2010
Vol.: 105, 131301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.131301

LHC detecta fenômeno físico potencialmente desconhecido

Imagem de uma colisão próton-próton captada pelo experimento CMS, que produziu mais de 100 partículas carregadas.[Imagem: Cern]

Interligação entre partículas

Depois de quase seis meses de operação, as experiências no LHC estão começando a ver "sinais de efeitos potencialmente novos e interessantes".

Nos resultados divulgados pelos cientistas do experimento CMS, um dos quatro grandes detectores do LHC, foram observadas correlações até agora desconhecidas entre as partículas, que foram geradas durante colisões próton-próton realizadas a uma energia de 7 TeV.

Uma centena ou mais de partículas podem ser produzidas durante as colisões próton-próton. Os cientistas do CMS, aí incluído um grupo de brasileiros, estudam essas colisões medindo as correlações angulares entre as partículas conforme elas se espalham a partir do ponto de impacto - a foto mostra um "mapa" de um desses espalhamentos.

As análises revelaram que algumas das partículas se espalham seguindo o mesmo ângulo, o que pode demonstrar que elas estão intimamente interligadas, de uma forma nunca antes vista em colisões de prótons.

Em busca das explicações

O efeito é sutil e muitos cruzamentos e checagens tiveram que ser feitas para confirmar que ele é real.

Segundo os cientistas, o efeito, para o qual eles ainda não têm uma explicação, se parece com aqueles observados nas colisões de núcleos no laboratório RHIC, localizado no Laboratório Nacional Brookhaven, nos Estados Unidos - vejaDescoberta antimatéria que cria nova tabela periódica e Descoberta partícula de antimatéria mais estranha já vista.

No entanto, durante uma apresentação feita pelos cientistas do CMS aos demais pesquisadores do CERN, eles destacaram que há várias explicações possíveis a serem consideradas.

A apresentação centrou-se em mostrar os resultados experimentais com o objetivo de promover uma discussão mais ampla sobre o assunto e, só então, apresentar explicações para essa "conexão" entre as partículas.

O LHC continuará acelerando e colidindo prótons até o final de outubro, acumulando mais dados que poderão ajudar a entender o fenômeno. No restante de 2010, o LHC irá colidir núcleos de chumbo.

Do que são feitos os quarks

Nessa nova etapa, será a vez do detector ALICE, otimizado para estudar colisões de núcleos. O principal objetivo do ALICE é estudar a matéria no estado quente e denso que teria existido apenas pequenas frações de segundo após o Big Bang.

Nesses experimentos, os cientistas esperam compreender como a matéria evoluiu para a matéria nuclear ordinária que compõe o Universo, sem sinais da antimatéria correspondente - presume-se que o Big Bang tenha criado quantidades iguais de matéria e de antimatéria.

Outro detector do colisor de partículas, chamado LHCb, recentemente detectou quarks excitados. Até agora acreditava-se que os quarks fossem os componentes mais básicos que formam todas as partículas conhecidas. Mas a presença de quarks excitados pode indicar que "subpartículas" estejam se rearranjando para alterar o estado de energia desses quarks.

O LHC, que é o maior laboratório científico do mundo, acelera partículas ao longo de seu anel de 27 km, arremessando-as umas contras as outras em busca de inúmeras respostas, mas de uma especificamente que parece desafiar o bom senso: de onde surge a massa das partículas - ou, dito de outro modo, o que faz com que a matéria seja matéria.

Nessa busca, contudo, ainda não foram encontrados nem mesmo "sinais potencialmente novos e interessantes". Por outro lado, em seu primeiro artigo científico, o LHC confirmou uma teoria do físico brasileiro Constatino Tsallis.

Bibliografia:

Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC
CMS Collaboration
arXiv
21 Sep 2010
http://arxiv.org/abs/1009.4122

Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2010

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar. [Imagem: Julian Berengut/UNSW]

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo.

Em um artigo ainda não aceito para publicação em revistas científicas, o grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.

Constante alfa

O artigo propõe que uma das supostas constantes fundamentais da natureza talvez não seja assim tão constante.

Em vez disso, este "número mágico", conhecido comoconstante de estrutura fina - ou constante alfa - parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética - em outras palavras, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Há alguns anos, físicos propuseram que alfa poderia ter variado ao longo do tempo - numa escala de 12 bilhões de anos - mas agora os físicos propõem que ela varia ao longo do espaço.

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar.

"As implicações para o nosso entendimento atual da ciência são profundas. Se as leis da física passam a ser apenas 'sub-leis locais', pode ser que, embora a nossa parte observável do Universo favorece a existência da vida e dos seres humanos, outras regiões mais distantes podem ter diferentes leis que se oponham à formação da vida, pelo menos tal como a conhecemos," especula ele.

Eixo magnético universal

As conclusões dos pesquisadores foram baseadas em medições realizadas com oVery Large Telescope (VLT), no Chile, e com os maiores telescópios ópticos do mundo, no Observatório Keck, no Havaí.

"Os telescópios Keck e VLT estão em hemisférios diferentes - eles olham para direções diferentes ao longo do Universo. Quando olhamos para o norte com o Keck, vemos em média um alfa menor nas galáxias distantes, mas quando olhamos para o sul com o VLT, vemos um alfa maior," explica o Dr. Julian King, coautor do trabalho.

A variação observada é muito pequena, não mais do que 1 parte em 100.000. "Mas é possível que variações muito maiores possam ocorrer fora do nosso horizonte observável", especula King.

"Depois de medir a constante alfa em cerca de 300 galáxias distantes, surgiu uma consistência: este número mágico, que nos dá a força do eletromagnetismo, não é o mesmo em todos os lugares, como ele é aqui na Terra, e parece variar continuamente ao longo de um eixo preferencial através do universo," explica o professor John Webb, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália.

A variação da constante alfa foi detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo - é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra. [Imagem: Webb et al.]

Este talvez seja o elemento mais intrigante da proposta, o fato de a variação ter sido detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo - é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra.

De forma bastante interessante, esse eixo magnético universal coincide com medições anteriores que deram origem à teoria do chamado Fluxo Escuro, que indica que uma parte da matéria do nosso Universo estaria vazando por uma espécie de "ralo cósmico", sugada por alguma estrutura de um outro universo.

Variação das leis da física

Se os dados se confirmarem - e não tiverem outra explicação menos revolucionária - um achado como esse poderia obrigar os cientistas a repensarem totalmente sua compreensão das leis da Natureza.

"A constante de estrutura fina, e outras constantes fundamentais, são absolutamente centrais para a nossa teoria atual da física. Se elas realmente variam vamos precisar de uma teoria melhor, mais profunda," arrisca o Dr. Michael Murphy, coautor do trabalho.

A variação das leis da física, seja no espaço ou no tempo, sempre ocupou a mente dos cientistas. Pelas teorias atuais, uma pequena variação de alfa, por exemplo, significaria que as estrelas não produziriam carbono, a base da química que forma a vida na Terra.

É por isso que os cientistas afirmam que são as características "especiais" deste nosso ponto no Universo que criam as condições para a vida como a conhecemos, características estas que poderiam não existir em outros pontos. Uma afirmação de resto circular - poderia haver outros "pontos de equilíbrio", que dariam origem a formas de vida diferentes da nossa, algo como "se a vida não fosse assim, seria diferente" - descartada, obviamente, a hipótese da "não-vida".

"Embora uma 'constante variável' possa abalar a nossa compreensão do mundo que nos rodeia, afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. O que estamos descobrindo é extraordinário, não há dúvida sobre isso," diz Murphy.

Talvez. Mas tudo recomenda que se espere até que o artigo seja revisado por outros cientistas e aceito para publicação em uma revista conceituada. Resta saber, sobretudo, se os outros cientistas acharão que uma variação de 1 em 100.000 é assim tão extraordinária.

Bibliografia:

Evidence for spatial variation of the fine structure constant
J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, M. B. Bainbridge
Submitted to Physical Review Letters
September 2010
http://arxiv.org/abs/1008.3907

Vapor de água no espaço pode se originar das estrelas

Agência Fapesp - 02/09/2010

Quando o vapor de água foi descoberto, em 2001, ao redor da CW Leonis, os astrônomos acreditaram que ele se originaria de uma densa população de cometas. Essa hipótese agora foi descartada.[Imagem: Nasa]

Água de cometas

Astrônomos encontraram uma nova explicação para a presença de vapor de água ao redor de uma estrela gigante vermelha quase no final de sua vida.

O vapor de água, a uma temperatura de cerca de 700º C, foi detectado em 2001 ao redor da estrela CW Leonis, rica em carbono, algo até então inédito.

A melhor explicação então encontrada foi que a estrela deveria ser circundada por uma grande quantidade de cometas e asteroides, de onde se originaria a água - uma hipótese difícil de verificar para uma estrela que está a 650 anos-luz da Terra.

Água nas estrelas

Agora, um grupo de pesquisadores europeus decidiu estudar a mesma estrela usando imagens do telescópio espacial Herschel, lançado em maio de 2009 pela Agência Espacial Europeia (ESA).

Eles identificaram dezenas de linhas de vapor de água no espectro eletromagnético da CW Leonis - também conhecida como IRC+10216 - uma gigante vermelha.

Embora tenha uma massa de apenas 8 a 9 vezes a massa do Sol, a estrela é centenas de vezes maior - se fosse colocada no lugar do Sol, a CW Leonis se estenderia até além da órbita de Marte.

Segundo os cientistas, algumas das linhas espectrais são produzidas por transições de estados altamente excitados que, ao serem analisados, indicaram temperaturas que variam entre -200º C e 800º C.

Isso significa que a água não deriva da vaporização de gelo de outros corpos celestes, como cometas, e que ela está se formando em regiões muito próximas da estrela, onde cometas não poderiam existir de forma estável.

Os cientistas sugerem que uma explicação possível para a presença de vapor é a produção fotoquímica de água por meio da ação de fótons ultravioleta, provavelmente vindos do espaço interestelar. [Imagem: ESA]

Assim, o vapor de água deve estar presente no chamado envelope interno da estrela.

Os cientistas sugerem que uma explicação possível para a presença de vapor é a produção fotoquímica de água por meio da ação de fótons ultravioleta, caso o envelope da estrela tenha uma estrutura que permita a penetração da luz até as regiões mais próximas em seu entorno.

Esses fótons ultravioleta se originariam da própria estrela ou, mais provavelmente, do espaço interestelar.

Química estelar

A descoberta expõe o fato de que o conhecimento sobre a química das estrelas mais velhas "ainda é rudimentar", dizem os astrônomos.

A rigor, a presença de vapor de água em temperatura tão elevada ao redor de uma estrela altera o conhecimento atual sobre química estelar, uma vez que em um ambiente com muita presença de carbono, em equilíbrio termodinâmico, não se esperava que moléculas cheias de oxigênio (com exceção de monóxido de carbono) estivessem próximas.

A descoberta também contradiz a ideia de que vapor de água não poderia se originar dos entornos de uma estrela, mas apenas a partir de regiões mais frias e distantes.

Bibliografia:

Warm water vapour in the sooty outflow from a luminous carbon star
L. Decin, M. Agúndez, M. J. Barlow, F. Daniel, J. Cernicharo, R. Lombaert, E. De Beck, P. Royer, B. Vandenbussche, R. Wesson, E. T. Polehampton, J. A. D. L. Blommaert, W. De Meester, K. Exter, H. Feuchtgruber, W. K. Gear, H. L. Gomez, M. A. T. Groenewegen, M. Guélin, P. C. Hargrave, R. Huygen, P. Imhof, R. J. Ivison, C. Jean, C. Kahane, F. Kerschbaum, S. J. Leeks, T. Lim, M. Matsuura, G. Olofsson, T. Posch, S. Regibo, G. Savini, B. Sibthorpe, B. M. Swinyard, J. A. Yates, C. Waelkens
Nature
2 September 2010
Vol.: 467, 64-67
DOI: 10.1038/nature09344

Som das estrelas ajuda na busca por planetas habitáveis

Com informações da NSF - 30/08/2010

A sismologia estelar poderá abrir caminho para a observação da atividade magnética de centenas de estrelas, ajudando a avaliar novos sistemas solares com potencial de abrigar vida.[Imagem: Institute of Astrophysics of the Canaries (IAC)]

Sismologia estelar

Em uma tentativa de elucidar questões ainda misteriosas sobre o Sol, incluindo os impactos do seu ciclo de 11 anos sobre a Terra, uma equipe internacional de cientistas decidiu sondar uma estrela bem mais distante.

Ao monitorar as ondas sonoras emitidas pela estrela, a equipe observou um ciclo análogo ao ciclo magnético do Sol.

"Essencialmente, a estrela está tocando como um sino," diz Travis Metcalfe, coautor da pesquisa.

A equipe examinou as oscilações acústicas da estrela usando uma técnica chamada "sismologia estelar".

Os cientistas estudaram uma estrela conhecida como HD49933, que está localizada a 100 anos-luz da Terra, na constelação do Unicórnio.

Eles detectaram a assinatura de "manchas estelares", áreas de intensa atividade magnética na superfície da estrela que são semelhantes às manchas solares.

"Conforme ela se move através de seu ciclo, o tom e o volume dos sons se alteram em um padrão muito específico, deslocando-se para tons mais elevados com volumes mais baixos no auge do seu ciclo magnético."

Planetas habitáveis

A sismologia estelar poderá abrir caminho para a observação da atividade magnética de centenas de estrelas, ajudando a avaliar novos sistemas solares com potencial de abrigar vida.

Estudar muitas estrelas dessa forma vai ajudar os cientistas a entender melhor como os ciclos de atividade magnética podem variar de estrela para estrela, bem como os processos por trás de tais ciclos.

A sismologia estelar poderá ser especialmente útil para se entender os processos de atividade magnética que ocorrem dentro do Sol, inteiramente ligados à influência do Sol sobre o clima da Terra.

"Entender a atividade das estrelas que abrigam planetas é necessário porque as condições magnéticas na superfície da estrela podem influenciar a zona habitável, onde a vida poderia se desenvolver," o cientista Rafael Garcia, coautor do estudo.

A técnica também poderá permitir melhores previsões do ciclo solar e das tempestades geomagnéticas que resultam desse ciclo, fenômenos estes que podem causar grandes perturbações para as redes de distribuição elétrica e de comunicação.

Ciclos estelares

Para ouvir a estrela, os cientistas analisaram 187 dias de dados capturados pelotelescópio Corot, uma missão da qual o Brasil faz parte e cujo principal objetivo é encontrar exoplanetas.

O estudo descobriu que a HD49933 é muito maior e mais quente do que o Sol, embora seu ciclo magnético seja muito menor - pouco menos de um ano, em comparação com os ciclos de 11 anos do Sol.

O fato de outras estrelas terem ciclos magnéticos tão pequenos entusiasmou os astrônomos, que agora poderão monitorar ciclos completos das estrelas, usando tanto o Corot quanto o recém-lançado telescópio Kepler que, além de exoplanetas, também quer encontrar luas habitáveis em outros planetas.

"Quanto mais estrelas e ciclos magnéticos completos nós observarmos, mais poderemos colocar o Sol em perspectiva e explorar os impactos da atividade magnética sobre possíveis planetas girando ao redor dessas estrelas," concluem os cientistas.

Bibliografia:

CoRoT Reveals a Magnetic Activity Cycle in a Sun-Like Star
Rafael A. García, Savita Mathur, David Salabert, Jérôme Ballot, Clara Régulo, Travis S. Metcalfe, Annie Baglin
Science
27 August 2010
Vol.: 329. no. 5995, p. 1032
DOI: 10.1126/science.1191064