Universo teve 10 dimensões no Big Bang

Um grupo de pesquisadores do High Energy Research Accelerator Organization (KEK), da Universidade de Shizuoka e da Universidade de Osaka revelou que o Universo nasceu com três dimensões espaciais a partir de dez dimensões descrita pela teoria das supercordas.

© NASA/Adolf Schaller (Universo Primordial)

A teoria das supercordas descreve que o espaço-tempo tem nove direções espaciais e um sentido temporal.

Segundo o "Modelo Padrão" na cosmologia, o Universo se originou de uma expansão de um ponto invisível minúsculo (singularidade). Esta teoria é fortemente apoiada pela observação da radiação cósmica de fundo e a abundância relativa de elementos. No entanto, uma situação em que o Universo é um ponto minúsculo excede o alcance da teoria geral da relatividade de Einstein, e por isso não foi possível confirmar como o Universo se originou.
Na teoria das supercordas, que é considerada a "teoria de tudo", todas as partículas elementares são representados como vários modos de oscilação das diminutas cordas. Entre os modos de oscilação, há um que corresponde a uma partícula que medeia a gravidade, e, portanto, a teoria geral da relatividade pode ser naturalmente estendida para a escala das partículas elementares.
Portanto, espera-se que a teoria das supercordas permita a investigação do nascimento do Universo. No entanto, o cálculo real tem sido difícil porque a interação entre as cordas é forte, por isso toda a investigação até agora tem sido restrita na indagação de vários modelos.
A teoria das supercordas prevê um espaço com nove dimensões, o que coloca o grande enigma de como isso pode ser consistente com o espaço tridimensional que nós vivemos.
Um grupo de três pesquisadores, Jun Nishimura (professor associado da KEK), Asato Tsuchiya (professor associado da Universidade de Shizuoka) e Sang-Woo Kim (pesquisador da Universidade de Osaka) conseguiu simular o nascimento do Universo, usando um supercomputador para cálculos com base na teoria das supercordas. Isso mostrou que o Universo teve nove dimensões espaciais no início, mas apenas três destas foram submetidas à expansão em algum ponto no tempo.
Neste estudo, a equipe estabeleceu um método para calcular as matrizes de grandes dimensões (no modelo de matriz IKKT), que representam as interações de cordas.

Nos primordios do Universo o espaço é de fato estendido em nove direções, mas, em seguida, em algum momento apenas três dessas direções começam a expandir-se rapidamente. Este resultado demonstra, pela primeira vez, que o espaço tridimensional emerge a partir do espaço nonodimensional que a teoria das supercordas prevê.
Este cálculo foi realizado por simulação numérica com auxílio do supercomputador Hitachi SR16000 do Instituto Yukawa de Física Teórica da Universidade de Kyoto, que possui um desempenho teórico de 90,3 TFLOPS (Teraflops).
O estabelecimento de um novo método para analisar a teoria das supercordas por intermédio de computadores abre a possibilidade de aplicar essa teoria a diversos problemas. Por exemplo, agora deve ser possível fornecer uma compreensão teórica da inflação que se acredita ter ocorrido no início do Universo, e também a expansão acelerada do Universo.

Espera-se que a teoria das supercordas continuará evoluindo e desempenhando um papel importante na resolução de problemas em física de partículas, tais como a existência da matéria escura que é sugerida por observações cosmológicas, e a partícula de Higgs, que está prestes a ser descoberta pelos experimentos do LHC.

Fonte: High Energy Research Accelerator Organization

Leis da Física variam ao longo do Universo

Uma pesquisa afirma que as leis da natureza podem variar ao longo do Universo.

© John Webb (variação da constante alfa)

O gráfico mostra medições feita pelo telescópio Keck e VLT (Very Large Telescope). Os quadrados são dados do VLT, os círculos do Keck, e os triângulos são quasares observados em ambos.

O estudo concluiu que uma das quatro forças fundamentais, o eletromagnetismo, parece variar de um lugar para outro.

O eletromagnetismo é medido por meio da chamada constante de estrutura fina, simbolizada pela letra grega alfa (α).

Esta constante é uma combinação de três outras constantes: a velocidade da luz (c), a carga do elétron (e) e a constante de Planck (h), onde α = e²/hc.

O resultado é cerca de 1/137, um número sem dimensão, o que a torna ainda mais fundamental do que as outras constantes, como a gravidade, a velocidade da luz ou a carga do elétron.

Em termos gerais, a constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética, ou seja, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Agora, John Webb e pesquisadores das universidades de Nova Gales do Sul e Swinburne, na Austrália, e Cambridge, no Reino Unido, mediram o valor de alfa em cerca de 300 galáxias distantes, usando dados do VLT do ESO, no Chile.

Observaram que numa direção, a partir de nossa localização no Universo, a constante alfa vai ficando gradualmente mais fraca, e gradualmente mais forte na direção oposta.

Isso mostra uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo, de certa forma coincidente 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.

A descoberta, se confirmada, terá profundas implicações para o nosso entendimento do espaço e do tempo, e viola um dos princípios fundamentais da teoria da Relatividade Geral de Einstein, o princípio da equivalência de Einstein.

Essas violações são de fato esperadas por algumas “teorias de tudo”, que tentam unificar todas as forças fundamentais. Uma alteração suave e contínua de alfa pode implicar que o Universo seja muito maior do que a parte dele que conseguimos observar, possivelmente infinito.

O professor Webb afirma que esta descoberta também pode dar uma resposta muito natural para uma questão que tem intrigado os cientistas há décadas: por que as leis da física parecem tão bem ajustadas para a existência da vida?

"A resposta pode ser que outras regiões do Universo não são tão favoráveis à vida como nós a conhecemos, e que as leis da física que medimos em nossa parte do Universo são meramente 'regras locais'. Neste caso, não seria uma surpresa encontrar a vida aqui," afirma o cientista.

Isto porque basta uma pequena variação nas leis da física para que, por exemplo, as estrelas deixem de produzir carbono, o elemento básico da vida como a conhecemos.

Para chegar às suas conclusões, os cientistas usaram a luz de quasares muito distantes como faróis.

O espectro da luz que chega até nós, vinda de cada quasar, traz consigo sinais dos átomos nas nuvens de gás que a luz atravessou em seu caminho até a Terra.

Isto porque uma parte da luz é absorvida por estes átomos, em comprimentos de onda específicos que revelam a identidade desses átomos.

Essas linhas de absorção são então comparadas com as mesmas assinaturas encontradas em laboratório aqui na Terra para ver se a constante alfa é mesmo constante.

Os resultados mostraram que não, que alfa varia ao longo de um eixo que parece atravessar o Universo, assim como um eixo magnético atravessa a Terra.

Se há variação em uma das constantes, é de se esperar que as outras constantes fundamentais também variem.

Portanto, é preciso projetar experimentos que possam verificar variações na gravidade, na carga do elétron ou na velocidade da luz.

Fonte: Physical Review Letters

Usando o Sol para testar teorias alternativas

Um grupo de físicos portugueses está propondo que o Sol seja usado para testar algumas teorias alternativas à Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

© NASA/SOHO (Sol)

Jordi Casanellas e seus colegas da Universidade Técnica de Lisboa afirmam que uma teoria proposta há mais de um século por Arthur Eddington não foi totalmente descartada pelas observações recentes dos neutrinos solares e das ondas acústicas solares.

E, segundo eles, uma variante da teoria de Eddington pode ajudar a resolver algumas das deficiências das teorias atuais.

A Teoria da Relatividade Geral, que descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo por corpos celestes de grande massa, tem passado por todos os testes aos quais tem sido submetida ao longo dos anos. Mas existem problemas para serem resolvidos.

Além da bem conhecida dificuldade de unificação com a mecânica quântica e das ainda pendentes explicações para a matéria e a energia escuras, há o problema bem mais sério das singularidades, onde as leis da física simplesmente se esfacelam.

Em 2010, Máximo Bañados (Universidade Católica do Chile) e Pedro Ferreira (Universidade de Oxford) propuseram uma variante da teoria de Eddington que adiciona um termo gravitacional repulsivo para a teoria da relatividade.

Mas o que parece ser a simples adição de mais um membro a uma equação tem um efeito devastador sobre o entendimento mais geral do cosmo.

Esse termo gravitacional repulsivo não apenas elimina a necessidade das singularidades, ele descarta a formação dos buracos negros e a ideia de que o Universo teria surgido de um Big Bang.

Quando tenta interpretar um campo gravitacional em um vácuo, essa teoria inspirada em Eddington é equivalente à Teoria da Relatividade. Mas ela prevê efeitos diferentes para a gravidade agindo no interior da matéria.

O lugar ideal para testar essas diferenças seria o interior de estrelas de nêutrons. Embora se acredite que estrelas de nêutrons possam ativar o vácuo quântico, não se sabe o suficiente a respeito delas para comparar as duas teorias. Por exemplo, recentemente foi encontrada uma estrela de nêutrons cuja existência parecia ser impossível.

O Sol é uma fonte de gravidade muito menos extrema do que uma estrela de nêutrons, porém o funcionamento do seu interior já é razoavelmente bem descrito pelos modelos solares.

O grupo de Casanellas calculou que, mesmo em sua forma newtoniana, não-relativística, a teoria derivada de Eddington prevê diferenças quantificáveis nas emissões solares em comparação com a teoria gravitacional padrão, desenvolvida por Einstein.

O termo gravitacional repulsivo na teoria de Bañados e Ferreira seria equivalente a dar um valor diferente para a constante gravitacional no interior da matéria.

E intensidades diferentes da gravidade no interior do Sol devem resultar em diferenças em sua temperatura interna, uma vez que se assume que o Sol está em equilíbrio hidrostático, ou seja, a pressão para dentro de sua massa é equilibrada pela pressão para fora gerada pelas reações de fusão nuclear em seu interior.

Uma temperatura mais elevada implica uma maior taxa de fusão nuclear, implicando em uma maior taxa de emissão de neutrinos solares, algo diretamente mensurável.

Uma força da gravidade maior no interior do Sol propicia numa variação na sua distribuição de densidade, o que deve modificar a propagação das ondas acústicas em seu interior, podendo ser medida com as técnicas da heliossismologia.

Todos esses dados já estão disponíveis. Contudo, eles colocam sérias restrições à nova teoria, impondo limites muito estreitos para seus valores.

Um teste mais rigoroso exigiria melhorias nos modelos solares, incluindo a abundância de hélio na superfície do Sol, ou medições mais precisas dos fluxos de neutrinos.

Paolo Pani, um dos membros da equipe, sugere um teste alternativo, aqui na Terra mesmo.

Para ele, tanto a teoria derivada de Eddington, quanto outras teorias alternativas da gravidade, poderiam ser testadas medindo a atração gravitacional entre uma esfera de metal inserida em um buraco no solo e a massa da Terra ao seu redor.

A ideia é fazer um buraco onde coubesse apenas a esfera, e nada mais, com uma precisão gigantesca, de forma que a medição mostrasse apenas a intensidade da gravidade no interior da matéria, e não no vazio ao seu redor.

Entretanto, tal experimento apresenta desafios consideráveis.

Fonte: Physics World

Qual será o destino final do Universo?

Os americanos Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Riess são os ganhadores do Prêmio Nobel de Física 2011 por seus trabalhos sobre a expansão acelerada do Universo, informou nesta terça-feira a Real Academia de Ciências da Suécia.

© NASA/ESA (SN 1604 - supernova de Kepler)

Saul Perlmutter, nascido em 1959 nos Estados Unidos,  é astrofísico no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e coordena o Projeto Cosmológico Supernova, na Universidade da Califórnia. Foi eleito membro da Associação Americana para o Avanço da Ciência.

Brian P. Schmidt , nascido também nos Estados Unidos em 1967 e com nacionalidade australiana, é astrofísico do observatório Mount Stromlo da Universidade Nacional da Austrália.

Adam G. Riess, nascido em Washington em 1969, é astrofísico no Instituto Científico de Telescópios Espaciais da Universidade John Hopkins. Foi nomeado membro da Academia Nacional das Ciências dos Estados Unidos.

© AFP (Saul Permutter, Adam Riess e Brian Schmidt)

O prêmio de 10 milhões de coroas suecas, (cerca de R$ 2,8 milhões), será dividido em duas partes. Uma para Perlmutter e, a outra, entre Schmidt e Riess.

O Supernova Cosmology Project, da Universidade de Berkeley, e o High-z Supernova Search Team, da Universidade Nacional da Austrália, estavam mapeando o Universo em busca de suas supernovas (um tipo específico de estrelas no fim de sua vida) mais distantes, para tentar demonstrar que a expansão do Universo estava se desacelerando.

As observações feitas em 1998 por estes astrônomos, associados em duas equipes diferentes, sobre a explosão de supernovas e a análise da luz emitida nessas situações permitiu demonstrar que o Universo cresce de forma acelerada e não cada vez mais devagar, como se achava.

A descoberta da expansão acelerada do Universo foi possível através da observação de um tipo muito especial de supernova: a supernova Ia.

Trata-se da explosão de uma estrela muito antiga e compacta, tão pesada quanto o Sol, mas de tamanho relativamente pequeno, como o da Terra. Uma única supernova pode emitir, durante algumas semanas, tanta luz quanto uma galáxia inteira.

Os dois times de pesquisa descobriram mais de 50 dessas supernova e detectaram que a luz delas era mais fraca do que o esperado, um sinal de que a expansão do Universo estava acelerando.

Embora os resultados contrariassem todas as previsões, ambos os grupos chegaram às mesmas conclusões sobre a aceleração.

Acredita-se que o fenômeno seja causado pela energia escura, que compõe cerca de 70% do Universo e sobre a qual ainda quase não se sabe nada.

As pesquisas realizadas também mostram como as equações da teoria da relatividade geral, desenvolvida em 1915 pelo físico alemão Albert Einstein, estão corretas.

A constante cosmológica foi um recurso usado por Einstein para tentar equacionar a expansão do Universo com apenas a matéria visível disponível.

Antes de morrer, em 1953, Einstein reconheceu a constante cosmológica como um erro. Ele também admitiu que o Universo, de fato, estava se expandindo.

Agora, a constante cosmológica é utilizada para provar o aumento do Universo. Diferente da ideia inicial de Einstein, mas salvando um conceito que era tido como errado há mais de meio século.

No entanto, a descoberta de que essa expansão está se acelerando é espantosa. Se ela continuar acelerando, o Universo  vai acabar em gelo!

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Evolução da matéria após Big Bang

Algumas das perguntas mais intrigantes em foco da física básica são sobre neutrinos.

© Berkeley Lab (detector experimental de neutrinos Daya Bay)

Os neutrinos são partículas muito difíceis de serem detectadas por terem carga neutra, uma massa extremamente pequena e pouca interação com a matéria. Sua existência foi comprovada há cerca de 60 anos e, desde então, já se descobriu que existem três tipos de neutrinos, além de suas respectivas antipartículas.

Quanto pesam os diferentes tipos de neutrinos e qual é o mais pesado?

As respostas estão na forma como os três tipos de neutrinos - elétron, múon e tau - oscilam ou misturam-se no espaço. Para saber mais sobre os neutrinos, o detector experimental Daya Bay foi criado.

"Os resultados obtidos serão uma contribuição importante para a compreensão do papel dos neutrinos na evolução dos tipos básicos da matéria nos primeiros momentos após o Big Bang", explica Kam-Biu Luk, um professor de física da Universidade da Califórnia, em Berkeley, envolvido no projeto.

Os primeiros dados coletados deste detector mostram uma precisão maior que as medidas de outros experimentos em andamento.

O Daya Bay deu início a obtenção de dados para estabelecer um parâmetro que é fundamental na física de partículas, mas até agora não foi medido com precisão. Para medir a amplitude de oscilação dos neutrinos e chegar a este parâmetro serão necessários de dois a três anos de coleta de dados, com todos os seus oito detectores.

China e Estados Unidos lideram a colaboração internacional do Daya Bay, que inclui participação da Rússia, República Tcheca, Hong Kong e Taiwan. O experimento tem contribuições intelectuais de mais de 40 instituições de países do mundo todo.

Os neutrinos serão coletados por oito grandes detectores enterrados na parte subterrânea das montanhas adjacentes aos seis reatores nucleares de um grupo nuclear no sul da China, próximo a Hong Kong. Os reatores nucleares produzem enormes quantidades de antineutrinos, que são identificados por seus flashes.

Fonte: Berkeley Lab

Rotação de galáxia pode explicar o enigma da antimatéria

Um físico da Universidade de Warwick, no Reino Unido, produziu uma solução de dimensões galácticas para explicar o enigma do "desaparecimento" da antimatéria que deve ter sido criada no surgimento do nosso Universo.

© University of Warwick (torção espacial devido rotação de galáxia)

Recentemente, observações experimentais de partículas conhecidas como káons e mésons B revelaram diferenças significativas na forma como a matéria e a antimatéria decaem.

Esta "violação da paridade de carga", ou "violação de CP", é uma anomalia inconveniente para alguns pesquisadores, mas é um fenômeno útil para outros, já que pode abrir o caminho para uma explicação de por que mais matéria do que antimatéria parece ter sobrevivido na criação do nosso Universo.

Agora, o Dr. Mark Hadley, acredita ter encontrado uma explicação testável para a aparente violação da paridade de carga, uma explicação que não apenas preserva a paridade, mas também torna a violação da paridade de carga uma explicação ainda mais plausível para a divisão entre matéria e antimatéria.

Segundo os pontos de vista aceitos na física de partículas, a natureza é fundamentalmente assimétrica. Existe uma clara assimetria da esquerda para a direita nas interações fracas e uma violação de CP bem menor em sistemas Káon, que têm sido medidos, mas nunca explicados.

Esta pesquisa sugere que os resultados experimentais em nossos laboratórios são uma consequência da rotação galáctica torcendo nosso espaço-tempo local. Se isso se mostrar correto, então a natureza seria, afinal de contas, fundamentalmente simétrica.

Parece ser fácil negligenciar o efeito de algo tão grande quanto uma galáxia, porque o que parece mais óbvio para nós é o campo gravitacional local da Terra ou do Sol, sendo ambos muito mais facilmente perceptíveis do que o efeito gravitacional que nossa galáxia como um todo exerce sobre nós.

No entanto, o Dr. Hadley acredita que o que é mais importante neste caso é um efeito gerado pelo giro de tal corpo tão maciço.

A velocidade e o momento angular do giro de um corpo tão maciço quanto nossa galáxia cria um "arrastamento" sobre o espaço e o tempo locais, torcendo o formato desse tempo-espaço e criando efeitos de dilatação do tempo.

A rotação da nossa galáxia tem um efeito de torção no nosso espaço local que é um milhão de vezes mais forte do que a causada pela rotação da Terra.

Quando a violação de CP foi observada no decaimento dos mésons B, a diferença fundamental observada entre a dissolução das versões de matéria e de antimatéria da mesma partícula é uma variação nas diferentes taxas de decaimento.

Curiosamente, embora os pesquisadores observem essa larga variação no padrão das taxas de decaimento, quando as taxas de decaimento individuais são somadas elas aumentam o total tanto para as versões de matéria quanto de antimatéria da mesma partícula. O efeito de arrastamento de toda a galáxia sobre o espaço-tempo local pode ser a explicação para essas observações.

As versões de matéria e antimatéria da mesma partícula vão manter exatamente a mesma estrutura, exceto quando elas forem imagens espelhadas umas das outras. Não é sem sentido esperar que o decaimento dessas partículas também comece como uma imagem espelhada exata uma da outra.

No entanto, não é assim que ele termina. O decaimento pode começar como uma imagem espelhada exata, mas o efeito de arrastamento induzido pela rotação da galáxia é significativo o suficiente para fazer com que as diferentes estruturas em cada partícula experimentem diferentes níveis de dilatação do tempo e, portanto, decaiam de formas diferentes.

A variação geral dos diferentes níveis de dilatação do tempo, contudo, fica na média quando cada partícula no decaimento é levada em conta - a violação de CP desaparece e a paridade é conservada.

A beleza desta teoria é que ela também pode ser testada: há previsões que podem ser feitas feitas a partir da teoria e testadas experimentalmente.

A enorme variedade de dados que já existe, que mostram a aparente violação de CP em alguns decaimentos, pode ser analisada para ver se há um padrão que está alinhado com a rotação da galáxia.

O artigo do Dr. Hadley somente trata de como o arrastamento do espaço-tempo em escala galáctica poderia explicar as observações experimentais da aparente violação de CP.

Entretanto, a explicação também deixa aberta a porta para aqueles teóricos que acreditam que a violação de CP seria uma ferramenta útil para explicar a separação entre matéria e antimatéria no nascimento do nosso Universo, e o subsequente predomínio aparente da matéria.

As estruturas primitivas do Universo podem ter tido massa e giro suficientes para gerar efeitos de arrastamento que poderiam ter tido um efeito significativo na distribuição da matéria e da antimatéria.

Fonte: Europhysics Letters

Esqueleto da turbulência

Embora a turbulência seja um fenômeno que se caracteriza pela movimentação caótica das partículas de um fluido, existem técnicas capazes de identificar estruturas coerentes, permitindo a previsão desses movimentos.

© Astrophysical Journal Letters (fluxos turbulentos)

Estudos sobre a dispersão de cinzas vulcânicas, ciclones, tornados, tsunamis, ciclos solares, formação de planetas e estrelas, o Universo primordial e outras áreas tão diversas como o transporte de sangue em sistema cardiovascular e a fusão termonuclear controlada poderão se beneficiar destas pesquisas.

Os trabalhos foram liderados pelo físico espacial Abraham Chian, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e pelo matemático computacional Erico Rempel, do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos (SP), em cooperação com um colega da Universidade de Estocolmo (Suécia) e um aluno de doutorado do Inpe.

Um dos estudos foi concluído durante a visita de Chian ao Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, com apoio de uma bolsa da Fundação Guggenheim. O estudo contou com a participação de Pablo Muñoz, estudante de doutorado do Inpe, que recebeu prêmio de melhor trabalho de alunos durante o 9º Congresso Latino-Americano de Geofísica Espacial realizado na Costa Rica, em abril de 2011.

Os cientistas estudaram o campo magnético relacionado às estruturas coerentes da turbulência verificada no plasma solar. De acordo com Chian, utilizando os dados fornecidos pelos instrumentos a bordo de quatro sondas espaciais da missão Cluster, o grupo detectou em frente a uma nuvem magnética interplanetária duas estruturas coerentes na forma denominada como “lâminas de corrente”.

“A análise de dados de flutuações magnéticas na vizinhança dessas estruturas coerentes demonstrou que o vento solar exibe o comportamento de turbulência bem desenvolvida do tipo Kolmogorov, semelhante às turbulências encontradas na borda de uma máquina de plasma de fusão termonuclear, na atmosfera solar, no meio interestelar, em um túnel de vento e na copa da floresta amazônica, para citar alguns exemplos”, disse Chian à Agência FAPESP.

A caracterização da dinâmica da borda dianteira de uma nuvem magnética interplanetária é fundamental para o monitoramento e a previsão de clima espacial, uma vez que existe a evidência de que a tempestade magnética na Terra pode ser iniciada pela chegada de uma nuvem magnética proveniente de uma erupção solar.

“Os eventos extremos na natureza, tais como ciclones, tsunamis, a precipitação excessiva de chuvas em regiões localizadas, manchas solares e ejeções de massas coronais interplanetárias, estão relacionados às estruturas coerentes que dominam a dinâmica da turbulência e podem causar grandes impactos no clima terrestre, clima espacial e ambiente solar-terrestre”, explicou.

O segundo trabalho foi iniciado durante o estágio de pós-doutorado de Rempel na Universidade de Cambridge, com bolsa da FAPESP, e contou com a colaboração de Chian e de Axel Brandenburg, professor do Instituto Nórdico de Astrofísica Teórica e da Universidade de Estocolmo (Suécia).

De acordo com Chian, Brandenburg é um dos pioneiros do modelo de dínamo cósmico. “Esse modelo de dínamo pode explicar a origem e a evolução de ciclos solares, por exemplo, o aparecimento de períodos prolongados de atividades calmas do Sol conhecidos como os Grandes Mínimos”, disse.

No estudo, o grupo investigou as estruturas coerentes lagrangianas da turbulência astrofísica, com base na simulação numérica de um modelo não-linear de dínamo.

As estruturas coerentes lagrangianas são linhas ou superfícies materiais que atuam como barreiras de transporte na turbulência. Inspirado pela teoria de caos, esse conceito foi introduzido há quase dez anos por George Haller, atualmente professor de engenharia mecânica da Universidade de McGill, no Canadá.

“Essa nova técnica não-linear permite uma visualização mais acurada da dinâmica e estrutura complexa de fluidos, que não seria possível usando as técnicas tradicionais baseadas em formalismo euleriano”, disse Chian.

Essas estruturas são determinadas por meio da computação do máximo expoente de Lyapunov de tempo finito, que fornece o valor médio da taxa máxima de divergência ou do alongamento entre as trajetórias das partículas num certo intervalo de tempo.

“Isso permite a identificação de trajetórias atrativas e repulsivas em imagens obtidas das simulações numéricas ou imagens reais do campo de velocidade de um fluido, revelando o esqueleto da turbulência que forma as barreiras para o transporte das partículas. Os cruzamentos entre essas barreiras são responsáveis pela mistura caótica de partículas”, disse.
O estudo de estruturas coerentes lagrangianas, segundo os autores, tem aplicações em diversas áreas, por exemplo, a previsão do movimento dos poluentes na atmosfera e no mar, a migração dos fitoplânctons no oceano, o fluxo aperiódico em furacões, a interação entre o fluido e a estrutura no entorno das válvulas cardíacas e o plasma termonuclear em máquinas de confinamento magnético.

De acordo com Rempel, o grupo brasileiro foi o primeiro a introduzir essa nova técnica para a astrofísica. Usando as imagens da turbulência de plasma simuladas para modelar a geração do campo magnético nas camadas convectivas do Sol e de outras estrelas, foi comprovado pelo estudo que as estruturas coerentes lagrangianas são capazes de distinguir nitidamente os detalhes da complexidade da distribuição espacial de barreiras de transporte entre dois regimes diferentes do dínamo.

“Desde que o conceito foi desenvolvido por Haller, a técnica foi aplicada para problemas de fluidos, tanto em simulações como em dados observacionais voltados para dispersão de poluentes nos oceanos, por exemplo, mas não tinham ainda sido utilizadas, no campo da astrofísica, em fluidos com campo magnético”, disse Rempel.

Essas estruturas coerentes marcam certas direções preferenciais das partículas de fluidos em movimento. Quando um poluente é arrastado pelos vórtices e correntes do oceano a identificação das estruturas coerentes permite detectar linhas de atração que possibilitam prever para onde o fluido irá se movimentar. O mesmo fenômeno pode acontecer, por exemplo, com as cinzas expelidas na atmosfera por um vulcão.

“No enfoque da astrofísica, nosso objetivo era saber qual o impacto do campo magnético sobre os movimentos turbulentos do plasma de uma estrela”, disse Rempel, que coordenou o projeto Simulação numérica e análise de transição para turbulência em plasmas espaciais: uma abordagem baseada em sistemas dinâmicos, apoiado pela FAPESP.

Segundo ele, na camada convectiva do Sol, uma região intensamente turbulenta, as partículas se movimentam como se estivessem aprisionadas em vórtices. As estuturas coerentes lagrangianas marcam as fronteiras desses vórtices, delimitando as regiões do fluido entre as quais as partículas não se misturam.

“Quando fazemos o estudo das estruturas coerentes, vemos que algumas partículas podem se cruzar, passando para outras regiões do fluido. No caso da estrela, observamos que, quando o campo magnético ficava mais forte, existiam menos cruzamentos – isto é, a turbulência diminuía”, disse.

Esses resultados, segundo Rempel, foram obtidos a partir de uma simulação ainda bastante simplificada. “A partir desse modelo acadêmico, vamos agora procurar estender essa aplicação a modelos mais realistas da camada convectiva do Sol”, disse.

Fonte: Agência FAPESP e Astrophysical Journal Letters

A granularidade do espaço

O Telescópio de Raios Gama Integral, da Agência Espacial Europeia, revelou que qualquer "granulação" quântica do espaço deve ter uma escala muito menor do que se previa.

© ESA (explosão de raios gama)

A Teoria Geral da Relatividade de Einstein descreve as propriedades da gravidade e assume que o espaço é um tecido suave e contínuo.

No entanto, a teoria quântica sugere que o espaço deve ser granulado quando visto em uma escala suficientemente pequena, como a areia em uma praia.

Uma das maiores ocupações dos físicos na atualidade está na tentativa de conectar estes dois conceitos, criando uma única teoria da gravitação quântica.

Agora, o Integral colocou novos limites muito mais rigorosos para o tamanho desses "grãos" quânticos no espaço, mostrando que eles devem ser muito menores do que algumas ideias sobre a gravidade quântica vinham sugerindo.

Segundo os cálculos, os minúsculos grãos poderiam afetar a forma com que os raios gama viajam pelo espaço.

Os grãos devem "torcer" os raios de luz, mudando a direção na qual eles oscilam, cuja propriedade é denominada polarização.

Os raios gama de alta energia devem ser torcidos mais do que os raios gama de energias mais baixas, e a diferença na polarização pode ser usada para estimar o tamanho dos grânulos do espaço.

Philippe Laurent e seus colegas usaram dados do instrumento IBIS, a bordo do observatório Integral, para procurar diferenças de polarização entre raios gama de alta e baixa energia, emitidos durante uma das mais poderosas explosões de raios gama (GRBs) já vistas.

As GRBs vêm de algumas das explosões mais energéticas conhecidas no Universo. Acredita-se que a maioria delas ocorra quando estrelas muito maciças colapsam para formar estrelas de nêutrons ou buracos negros.

Esse colapso gera um gigantesco pulso de raios gama, com duração de poucos segundos até alguns minutos - mas, durante esse tempo, o pulso ofusca o brilho de galáxias inteiras.

O GRB 041219A ocorreu em 19 de dezembro de 2004 e foi imediatamente classificado no topo da lista dos GRBs em brilho. Ele foi tão brilhante que o Integral foi capaz de medir a polarização dos seus raios gama com precisão.

Os cientistas então procuraram diferenças na polarização a diferentes energias, mas não encontraram nenhuma dentro dos limites de precisão dos dados.

Algumas teorias sugerem que a natureza quântica do espaço - sua "granularidade" - deve manifestar-se na chamada escala de Planck: a 10^-35 metro.

No entanto, as observações do Integral são cerca de 10.000 vezes mais precisas do que qualquer medição anterior e mostram que qualquer grão quântico deve estar em torno dos 10^-48 metro ou menor.

"Este é um resultado muito importante em física fundamental e descarta algumas teorias das cordas e teorias da gravidade quântica em loop," afirmou o Dr. Laurent.

Fonte: ESA

Ímã líquido gera magnetismo pelo movimento

A Terra, o Sol e outros corpos celestes geram campos magnéticos através do movimento dos seus fluidos internos condutores de eletricidade.

© Los Alamos National Laboratory (geodínamo)

Estes fluidos são frequentemente muitíssimo turbulentos.

Mas pode ser possível gerar magnetismo em um fluido que flui com suavidade, por exemplo, em um tanque de sódio líquido posto para girar suavemente.

Uma equipe de físicos anunciou ter alcançado uma amplificação de oito vezes de um campo magnético promissor. Na próxima fase de seu projeto, eles esperam demonstrar um campo magnético auto-sustentável, como ocorre na Terra, assim como em todos os planetas e estrelas.

Na última década, pesquisadores conseguiram criar campos magnéticos em laboratório usando os chamados dínamos fluidos. Assim como seus equivalentes astronômicos, esses sistemas são baseados na rotação de um fluido, tipicamente o sódio, devido à sua alta condutividade.

Um pequeno campo magnético inicial, aplicado ao tanque com o sódio em rotação, pode gerar uma corrente elétrica.

Esta, por sua vez, gera mais campo magnético, criando um círculo virtuoso que pode levar a um crescimento exponencial do campo.

Em vez de discutir as complexas interações corrente-campo magnético, os pesquisadores frequentemente descrevem essa amplificação como um processo de alongamento e dobramento das linhas do campo magnético, que são essencialmente arrastadas pelo fluido.

Mas não tem havido consenso nessas explicações. Alguns pesquisadores argumentam que o reforço do campo magnético é gerado pela turbulência, que cria vórtices capazes de realimentar o processo.

Outros, porém, argumentam que a turbulência é aleatória - dessa forma, alguns turbilhões atuarão no sentido da amplificação, enquanto outros terão o efeito oposto, tornando o campo magnético mais difuso e mais fraco.

Stirling Colgate e seus colegas do Laboratório Nacional Los Álamos, nos Estados Unidos, decidiram então partir para trabalhar com dínamos fluidos sem turbulência, nos quais o sódio é girado suavemente, de maneira contínua e previsível.

Isso permitirá descrever com bastante precisão o papel da turbulência nesses processos essenciais ao "funcionamento do cosmos".

O fluido está dentro de um tanque em forma de anel, de 30 centímetros de altura, cujo raio interno é metade do raio externo.

Em vez de usar hélices, o fluido é rotacionado girando as paredes do tanque. A parede interna gira a 68 rotações por segundo, enquanto a parede externa gira um quarto mais rápido.

Esse fluxo suave reproduz o que se acredita acontecer no interior das estrelas jovens e ao redor dos buracos negros.

No último experimento, a equipe aplicou um campo magnético de cerca de 12 G (gauss), apontando radialmente para dentro.

Como era de se esperar de um líquido condutor de eletricidade, o sódio "agarrou" as linhas do campo magnético e as fez girar em torno do tanque em forma de anel.

Este envolvimento e alongamento, que é chamado de efeito Ômega, criou um campo magnético na direção do fluxo do sódio que chegou a ser oito vezes mais forte do que o campo original.

Mas o efeito Ômega não é suficiente para que um campo magnético se auto-sustente. Para completar o dínamo, a equipe vai precisar dobrar uma parte do campo amplificado na direção radial original.

Isto poderá ser feito pelo chamado efeito Alfa, que resulta de movimento helicoidal do fluido.

A turbulência, com os seus redemoinhos espirais, é uma fonte natural de movimento helicoidal, mas o grupo espera criar um efeito Alfa suave, sem turbulência, disparando jatos de sódio a partir do fundo do tanque rotativo.

"A mensagem importante em termos de física é que os fluxos laminares podem produzir campos magnéticos em grande escala mais facilmente do que os fluxos turbulentos," comentou Cary Forest, da Universidade de Wisconsin, que trabalha em outro experimento de dínamo fluido.

Mas o próprio Forest salienta que a turbulência tem sido observada nos dínamos estelares e galácticos. Outros pesquisadores admitem que a turbulência diminui a eficiência dos dínamos fluidos, mas que a turbulência, seria inevitável.

O projeto Alfa-Ômega pode tirar essas dúvidas. E, se Fores e outros tiverem razão, exatamente por não reproduzir com naturalidade os processos que ocorrem nas estrelas e nos planetas, o experimento poderá revelar o peso que a turbulência exerce neles. E, também, será possível gerar campos magnéticos de alta potência, eventualmente com diversas aplicações práticas.

Fonte: Physical Review Letters

O efeito do gás parcialmente intransponível

Físicos do MIT (Massaschusetts Institute of Technology), Estados Unidos, observaram que duas nuvens de gases frios se chocam como se fossem sólidos.

© NASA (estrela de nêutrons)

Os pesquisadores tinham a intenção de usar átomos de lítio gasoso como modelo para elétrons em sistemas de fortes interações, isto é, sistemas em que partículas atômicas são propensas a colidirem umas com as outras. Eles estavam tentando estudar as circunstâncias em que os elétrons e quarks formam um determinado estado da matéria.
Em vez disso, o que eles descobriram foi um fenômeno surpreendente que poderia ajudar a explicar o comportamento dos sistemas como estrelas de nêutrons, supercondutores de alta temperatura ou a a sopa de quarks e glúons que existiu logo após o Big Bang.
Para conseguir o efeito do gás parcialmente intransponível, a equipe do MIT resfriou os isótopos de lítio até cerca de 50 bilionésimos de Kelvin. Depois de separar o gás em duas nuvens, com um campo magnético, a equipe usou então uma armadilha de luz laser para empurrá-los um em direção ao outro. No entanto, ao invés de se difundir, os gases se colidiram como sólidos.
As nuvens de gás não são exatamente impenetráveis. Elas acabaram por se dispersar uma na outra, mas apenas depois de que um longo segundo em escala atômica.
Limitando o gás de lítio a duas dimensões, os pesquisadores poderiam simular os elétrons em semicondutores de alta temperatura, uma tecnologia importante para a criação de linhas de transporte de eletricidade de longo alcance, eficientes o suficiente para apoiar uma economia de energia renováveis.
A descoberta também pode ser usada para simular outros sistemas de forte interação encontrados em escalas muito maiores no cosmos, como os de estrelas de nêutrons, que são muito menores em tamanho do que o nosso Sol, mas com muito mais massa.

Fonte: Massaschusetts Institute of Technology

Visualização da deformação do espaço-tempo

Quando dois buracos negros colidem, o espaço-tempo ao redor ondula como o mar durante uma tempestade.

© NOAO (ilustração de dois buracos negros supermassivos)

"Nós descobrimos uma forma de visualizar o espaço-tempo deformado como nunca antes tinha sido possível," conta Kip Thorne, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos.

Combinando teoria com simulações de computador, Thorne e seus colegas desenvolveram ferramentas conceituais que eles apelidaram de linhas tendex e linhas vortex.

As linhas tendex e vortex descrevem as forças gravitacionais geradas pelo espaço-tempo deformado - elas são análogas às linhas dos campos elétrico e magnético, que descrevem as forças elétricas e magnéticas.

© Caltech/Cornell (vórtices ejetados por um buraco negro pulsante)

Foi descoberto que as colisões de buracos negros podem produzir linhas de vórtices que formam um padrão em forma de anel, espalhando-se a partir do novo buraco negro formado pela fusão, onde os feixes de vórtex podem espiralar do buraco negro. Os vórtex descrevem a torção do espaço.

As linhas tendex descrevem a força de estiramento que o espaço-tempo deformado exerce sobre tudo o que encontra em seu caminho.

"As linhas tendex que saem da Lua levantam as marés nos oceanos da Terra," explica David Nichols, coautor da pesquisa e quem cunhou o termo "tendex". Uma linha tendex irá rasgar qualquer coisa que se aproxime de um buraco negro.

Quando se agrupam muitas linhas tendex, elas criam uma região de forte alongamento, chamado tendex. Da mesma forma, um feixe de linhas vortex cria uma região que gira no espaço, chamado vórtice.

O conceito de linhas tendex e linhas vortex representa uma maneira nova e interessante para entender os buracos negros, a gravidade e a natureza do Universo.

"Usando essas ferramentas, nós podemos agora interpretar muito melhor a enorme quantidade de dados que são produzidos em nossas simulações de computador," diz o Dr. Mark Scheel, responsável pelas simulações.

Os novos conceitos podem explicar, por exemplo, as diferenças nas ondas gravitacionais geradas quando os buracos negros colidem sob diferentes ângulos.

Há vários experimentos em andamento e projetados que tentam detectar ondas gravitacionais, e o novo aparato teórico pode ser útil para a compreensão do que está sendo detectado. O conceito de linhas tendex e vortex deverá se tornar uma ferramenta padrão em todos os estudos no campo da relatividade.

Fonte: Physical Review Letters

Ondas gravitacionais poderão comprovar desaparecimento de dimensões

Uma nova teoria soluciona alguns problemas da cosmologia e da física de partículas ao propor que o Universo primordial continha menos dimensões espaciais do que as três que nós experimentamos hoje.

© NASA/LISA (ilustração de ondas gravitacionais)

E os físicos da Universidade de Nova Iorque, nos Estados Unidos, propõem um teste para a sua teoria usando o observatório espacial LISA (Laser Interferometer Space Antenna), que está sendo projetado para detectar ondas gravitacionais.

Os teóricos afirmam que as ondas gravitacionais não podem existir em menos do que três dimensões. Assim, acima de uma determinada frequência, que identificaria as ondas mais antigas, o observatório LISA não deverá detectar nenhuma onda.

Embora a teoria seja especulativa, alguns cientistas acreditam que os dados dos raios cósmicos já forneceram indícios das dimensões faltantes sob altas energias. A equipe afirma que o novo teste poderá ser mais conclusivo do que os testes anteriores.

A hipótese das dimensões desaparecidas prevê que, sob energias e temperaturas extremamente altas, as três dimensões do espaço que nos são familiares irão se reduzir a duas ou mesmo a uma única dimensão.

Assim, no ambiente quente do início do Universo, haveria menos dimensões. Conforme o Universo foi esfriando, surgiram dimensões adicionais, uma a uma.

A teoria também propõe que nosso Universo atual tem quatro dimensões espaciais, mas nós detectamos apenas uma fração de três dimensões desse espaço quadridimensional.

Essa quarta dimensão espacial do tempo, segundo a teoria, teria fornecido uma energia extra, que propiciou a expansão do Universo.

Esse impulso adicional poderia explicar a aceleração da expansão do Universo, que foi descoberta em 1998 e que é geralmente explicada como sendo uma resultante de uma misteriosa energia escura que permearia todo o Universo. Ou seja, se a teoria agora proposta estiver correta, a hipótese de energia escura também poderia desaparecer.

A teoria resolve igualmente alguns problemas na física das partículas. Indícios do sumiço das dimensões já foram detectados nos chuveiros de raios cósmicos na atmosfera da Terra. Uma nova análise dos dados, feita em 2005, mostrou que os jatos de partículas produzidos pelos raios cósmicos mais energéticos estão fortemente alinhados com um plano, o que seria coerente como uma redução nas dimensões.

Outros pesquisadores estão planejando usar o LHC (Grande Colisor de Hádrons) para examinar o desaparecimento das dimensões. Se as dimensões realmente desaparecem em altas energias, então as partículas produzidas nas colisões estariam confinadas em um plano bidimensional, em vez de estarem em um volume tridimensional.

Mas interpretar os dados do LHC pode não ser tão fácil porque diferentes modelos resultam em previsões diferentes.

Uma teste alternativo seria o uso das ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo causadas por eventos cósmicos em larga escala, que não podem existir em menos do que três dimensões.

A ideia é que as ondas gravitacionais primordiais, de mais alta frequência, correspondem às mais altas energias dos momentos iniciais do Universo.

Assim, deve haver uma frequência máxima das ondas observadas, ou seja, frequências mais altas não deveriam existir porque elas estariam vindo de uma era com menos dimensões.

A frequência de corte é cerca de 10^-4 Hz, dadas algumas suposições, que está dentro da faixa detectável pelo LISA, um futuro detector de ondas gravitacionais que está sendo projetado em parceria pela NASA e pela ESA.

Os testes experimentais deverão esperar mais: o observatório LISA não deverá ir ao espaço antes de 2020.

Fonte: Physical Review Letters

Raio laser simula radiação de buracos negros

Uma equipe de cientistas italianos disparou um feixe de laser em um pedaço de vidro para criar o que eles acreditam ser um análogo óptico da radiação de Hawking, que parece ser emitida pelos buracos negros. A seguir um aparato experimental para detectar a radiação de Hawking.

©  PRL (experimento para detectar a radiação de Hawking)

Embora a potência do experimento com o laser nem se compare com os densos buracos negros, as teorias matemáticas utilizadas para descrever os dois casos são semelhantes o suficiente para que a confirmação da radiação de Hawking induzida pelo laser permita reforçar a confiança em que os buracos negros de fato emitam a radiação de Hawking.

Em 1974, Stephen Hawking previu a emissão de uma radiação pelos buracos negros, que seria produzida pela geração espontânea de fótons na fronteira desses corpos enigmáticos. Mas os cálculos indicam que ela é tão fraca que muitos físicos acreditam ser virtualmente impossível detectá-la.

Desta forma, a única maneira de testar a teoria de Hawking é fazer experimentos de laboratório que possam servir como análogos da situação real, impossível de ser observada.

Outros pesquisadores já haviam usado lasers para simular a radiação de Hawking, mas encontraram dificuldades em isolá-la de outras formas de luz emitidas durante os experimentos.

Belgiorno Franco e seus colegas idealizaram seu experimento combinando um feixe de laser ajustável com um alvo de vidro grosso, o que lhes permitiu limitar a radiação de Hawking a determinados comprimentos de onda da luz infravermelha e capturá-la com uma câmera infravermelha muito sensível.

A radiação calculada pela teoria foi de fato emitida e capturada pela câmera infravermelha, o que pode tornar o experimento uma demonstração indireta da radiação de Hawking, reforçando as atuais teorias. A seguir o diagrama mostra cinco curvas do espectro gerado por um  pulso Gaussiano (linha preta) e energias Bessel em μJ (microjoules), indicando a contagem de fotoelétrons em função do comprimento de onda.

 

©  PRL (espectros de fotoelétrons x comprimento de onda)

A existência da radiação de Hawking também coloca um limite para a vida dos buracos negros: se eles emitem radiação, por maior que seja sua massa, ela poderá se exaurir, ainda que isso leve um tempo difícil de calcular, embora alguns cientistas afirmem que é possível imaginar um buraco negro eterno.

Fonte: Physical Review Letters

Estrela de nêutrons pode acordar o vácuo quântico

Embora o vazio espacial esteja repleto de campos quânticos, o efeito destes é geralmente muito sutil. Mas um grupo de físicos brasileiros demonstrou que, sob determinadas condições, como durante a formação de uma estrela de nêutrons, esses campos podem crescer a ponto de ofuscar qualquer matéria existente nas redondezas.

© NASA (estrela de nêutrons)

O espaço vazio é preenchido com uma espécie de fundo quântico fantasmagórico, formado por ondas de todas as frequências possíveis, incluindo não apenas as ondas do eletromagnetismo e das outras forças, mas também ondas representando partículas, como os elétrons.

A quantidade de energia nestas ondas é pequena, mas nunca é igual a zero, como uma corda, que sempre apresenta alguma vibração, nunca estando completamente parada e esticada.

William Lima e Daniel Vanzella, da USP de São Carlos, resolveram estudar como a gravidade afeta essa energia contida no vácuo quântico.

Como não existe uma teoria quântica completa da gravidade, eles usaram uma abordagem já bem aceita, chamada teoria quântica de campos em espaçotempos curvos (QFTCS).

Esta técnica utiliza a mecânica quântica padrão para descrever todos os campos, exceto a gravidade, e posteriormente inclui os efeitos gravitacionais de um modo diferente.

Segundo a relatividade geral, a força gravitacional surge quando o espaçotempo comum é curvado pela presença de massa e energia. Assim, a QFTCS usa esse espaçotempo relativista, em vez do espaço e tempo comuns, para os cálculos quânticos.

Os físicos brasileiros não analisaram todos os campos possíveis, apenas o tipo mais simples, chamado de campo escalar. Este campo é genérico, que poderia ser uma versão simplificada do campo eletromagnético ou poderia representar uma partícula ainda desconhecida.

Seguindo a prática padrão, eles deixaram sem especificação um parâmetro-chave deste campo: o parâmetro de "acoplamento", que quantifica a atração ou a repulsão do campo às regiões altamente curvadas do espaçotempo.

Os pesquisadores analisaram a energia do vácuo para um espaçotempo que começa com uma distribuição uniforme de massa no passado distante (espaçotempo plano) e depois evolui para concentrações fixas de massa (aglomerados) em um futuro distante.

A energia do vácuo resultante depende da massa e do tamanho dos aglomerados de matéria, e do parâmetro de acoplamento.

O resultado surpreendente foi que, para algumas combinações de valores, mesmo depois que a distribuição da massa pára de mudar, a energia do vácuo continua a crescer exponencialmente ao longo do tempo nas cercanias dos aglomerados.

Eventualmente, a densidade da energia do vácuo nessas regiões ultrapassa a densidade de energia da matéria ordinária, de forma que o vazio começa a distorcer o espaçotempo ainda mais do que a matéria é capaz.

Para ver se esse efeito importa na prática, Lima e Vanzella juntaram-se ao grupo de George Matsas, da UNESP (Universidade Estadual Paulista).

O resultado está neste artigo que acaba de ser publicado, que analisa um modelo de espaçotempo altamente curvado que emerge durante a formação de uma estrela de nêutrons ultra densa.

Para alguns valores razoáveis de massa e tamanho da estrela, eles preveem que, em alguns milissegundos, a energia do vácuo vai crescer para alguns valores do parâmetro de acoplamento.

Neste ponto, a energia do vácuo começa a induzir outros efeitos gravitacionais, que eles ainda não calcularam, de forma que ainda não sabem como a estrela seria afetada.

Se o prosseguimento da pesquisa mostrar que tal estrela de nêutrons fique instável, a existência de estrelas de nêutrons estáveis de tamanhos específicos pode descartar a existência dos campos do tipo modelado por eles ou confirmar sua existência. Ou seja, a teoria poderia ser testada pela observação e medição das massas de estrelas de nêutrons.

Vanzella adverte que o trabalho até agora não analisou como a crescente energia do vácuo modifica a curvatura do espaçotempo, nem quaisquer efeitos resultantes sobre a estrela de nêutrons.

"Até este momento eles não calcularam a solução numérica das equações de Einstein com a reação retornando sobre o campo, por isso ninguém sabe aonde isso vai dar," concorda Leonard Parker, da Universidade de Wisconsin, comentando o trabalho. "É um convite para mais investigação."

Fonte: Physical Review Letters

Pista para a gravitação quântica

A medição direta de efeitos de gravitação quântica é praticamente impossível. Os motivos são que eles têm origem em locais inacessíveis ao homem, como em buracos negros, e seus efeitos são extremamente sutis.

© NASA (ilustração gravitação quântica)

Mas um grupo de físicos brasileiros desenvolveu um meio de se estudar indiretamente um desses fenômenos, a flutuação da velocidade da luz, por meio de experimentos de propagação de ondas acústicas em fluídos com aleatoriedade, como em coloides, líquidos heterogênios que contêm partículas ou moléculas de diferentes tamanhos em suspensão.

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.

A ideia surgiu de que a propagação do som em fluidos coloides poderia apresentar efeitos simililares aos da luz em ambientes nos quais a gravitação quântica seria relevante.

As flutuações em um fluido podem ser clássicas ou quânticas. A pesquisa demonstra a validade de se usar microvibrações em coloides como plataforma para estudo da gravitação quântica. Os dois fenômenos são descritos por equações matemáticas similares.

Se estudos com coloides são comuns e conhecidos, o mesmo não se pode dizer do segundo fenômeno. Um dos feitos da gravidade quântica é que 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 com fluidos já haviam sido propostos para estudar efeitos de gravidade quântica, mas o brasileiro 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.

Os pesquisadores pretendem investigar, por meio de modelos com fluidos, o equivalente a um buraco negro e como vibrações acústicas quânticas são criadas e destruídas próximos 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.

“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.

Fonte: Physical Review Letters e Agência FAPESP

Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo. O grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.

© Julian Berengut/UNSW (constante de estrutura fina)

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

Em vez disso, este "número mágico", conhecido como constante de estrutura fina, ou constante alfa, parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética, ou seja, 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 localizadas, 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.

As conclusões dos pesquisadores foram baseadas em medições realizadas com o Very 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. 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", explica o Dr. Julian King, coautor do trabalho.

"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.

© John Webb/UNSW (eixo magnético universal)

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.

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," diz 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.

"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.

Será que uma variação de 1 em 100.000 é assim tão extraordinária para corroborar esta hipótese teórica?

Fonte: Physical Review Letters (artigo submetido)