domingo, 23 de outubro de 2016

A fundação da cosmologia e a origem dos elementos

Por Victoria Pardinho, Giovani Vicentin e Rafael Ishida, alunos do Prof. Dr. Jorge Meléndez


A descoberta da existência de um Universo repleto de outras galáxias além da Via Láctea permitiu o desenvolvimento de muitas teorias físicas auxiliadas por observações.

Enquanto na Europa a mecânica quântica dominava as pesquisas, no outro lado do Atlântico, os principais trabalhos estadunidenses se concentravam na confecção de catálogos de diversos objetos a fim de criar um extenso sistema de classificação, principalmente de estrelas. Nesse contexto, os nomes de Henrietta Leavitt e Annie Jump Cannon não podem ser esquecidos. Apesar de a História as contemplar com o simplório título de “assistentes” do astrônomo Edward Pickering, o incessante trabalho catalogando as características de milhares de estrelas levou a estudos inéditos na astronomia: análises de diversas estrelas variáveis na Nuvem de Magalhães realizadas por Leavitt possibilitaram a confirmação da relação período–luminosidade, a qual explica o comportamento pulsante das estrelas; Cannon em uma intensiva compilação de dados para um catálogo de espectros estelares desenvolveu um sistema de classificação das estrelas por suas temperaturas, criando um sistema amplamente utilizado atualmente de classificação estelar organizado em classes espectrais O, B, A, F, G, K, M - essa sequência pode ser memorizada utilizando a frase “OBA, Frango Grelhado, Ketchup e Mostarda”. 



Classificação das estrelas: O, B, A, F, G, K, M. As estrelas mais quentes são as de tipo O, e as mais frias as de tipo M.

Outra mulher muito importante na história da astronomia foi Cecília Payne por demonstrar que a variação da força das linhas de absorção do espectro estelar é devida à quantidade de gás ionizado presente na superfície e descobrir a principal composição das estrelas: hidrogênio e hélio. Dá para perceber a importância das façanhas dessas “simples” assistentes.

Ao mesmo tempo, Edwin Hubble aplicando a relação período-luminosidade para estrelas pulsantes em diferentes nebulosas difusas e analisando-as através da espectroscopia percebeu que algumas nebulosas estavam muito distantes para ser parte da Via Láctea e na verdade eram galáxias, e que todas elas estão se afastando da Terra, de modo que as mais distantes se afastam com maiores velocidades, sugerindo que o Universo está se expandindo.

Após a descoberta de que a Via Láctea é apenas mais uma galáxia no meio de muitas outras, muitas portas para o estudo da cosmologia surgiram. Albert Einstein foi um dos primeiros a abrir essas portas. Na tentativa de descrever o Universo matematicamente, em 1916 ele formulou a teoria da relatividade para criar as famosas equações de campo modificadas. Para resolvê-las, ele admitiu um Universo estático, que não se expandia nem contraía com o tempo. Mas, para tanto, ele precisou inserir um detalhe a mais nas suas equações: a constante cosmológica.

A partir de então, novas equações foram propostas. Mais do que isso, “novos universos” também foram propostos; além do estático, tínhamos um que se expandia indefinidamente e outro que se expandia e contraía. Enfim, novas portas se abriram para a o estudo cosmológico. Uma das consequências desse avanço foi a teoria do Big Bang. George Lemaître, físico belga, ao solucionar as equações de Einstein simplificadas pela introdução de um princípio cosmológico que considera o Universo homogêneo e isotrópico, mostrou que o Universo se expandia uniformemente e, a partir desse resultado, apresentou a teoria que mais tarde seria aperfeiçoada na Teoria do Big Bang. Em 1929 Hubble descobriu a lei distância-velocidade de galáxias e a usou para medir uma quantidade empírica que definisse a taxa de expansão e consequentemente a idade do Universo, conhecida como a Constante de Hubble. Posteriormente Lemaître calculou um valor para a constante de Hubble. Por crueldade do destino (ou não), quem teve seu nome escrito em um telescópio espacial não foi Lemaître.

Einstein, ciente das recentes pesquisas indicando um Universo em expansão, rejeitara sua famosa constante, considerando-a como um dos maiores erros cometidos por ele. Mesmo assim, Lemaître e outros cientistas não deixaram de usá-la, e, ironicamente, em 1990, pesquisadores comprovaram que o Universo não está somente em expansão, mas também está acelerando e pode ser descrito matematicamente através da constante cosmológica, descoberta premiada com um prêmio Nobel em 2011. Detalhes acerca da física por trás disso tudo ainda são desconhecidos. Por outro lado, sabemos que tal expansão está relacionada com a “energia escura”, que compõe quase 72% do balanço total de energia do Universo. 

Representação da expansão do Universo durante 13, 8 milhões de anos. Fonte: Adaptado por Mega Planeta - NASA/WMAP Science Team. Disponível em: http://mega-planeta.blogspot.com.br/2015/07/como-surgiu-o-universo.html; Acesso em outubro de 2016.

Além desse debate todo a respeito da origem e evolução do Universo, outro tema com ênfase na cosmologia é a massa constituinte do Universo. Por volta do fim de década de 70, Vera Rubin realizava sistemáticas observações de galáxias e determinava individualmente a curva de rotação das galáxias, um gráfico da velocidade de rotação de estrelas por suas distâncias ao centro galáctico. Ela encontrou entre os valores calculados e suas observações que era necessário uma maior quantidade de matéria em relação à observada nas galáxias para manter essa curva de rotação, uma matéria não luminosa que ficou conhecida como “matéria escura” e que compõe ao menos 90% de cada galáxia.


Composição do  Universo. O gráfico mostra que apenas uma pequena fração da massa do Universo é conhecida. Fonte: Elaborada pelos autores, 2016.

A origem de toda matéria existente e sua evolução é também um campo de estudo de destaque. Um dos grandes trabalhos realizados nessa área foi a publicação de “Synthesis of the Elements in Stars” (Síntese dos Elementos em Estrelas), artigo de autoria de Margaret Burbridge, Geoffrey Burbridge, William Fowler e Fred Hoyle, grupo mais conhecido como B²FH. Eles concordavam com a ideia da formação do hidrogênio, hélio e lítio durante o Big Bang, mas eram convictos de que os outros elementos eram produzidos pelas estrelas através de reações em cadeia de nucleossíntese. Sobre os elementos mais pesados, B²FH disseram que o ferro era o elemento mais pesado produzido por reações no interior das estrelas. Já os elementos mais pesados que o ferro eram gerados nos colapsos das estrelas (supernovas). Um grande benefício de sua teoria foi a predição de um contínuo enriquecimento químico do Universo. A espectroscopia foi muito importante para confirmar este trabalho. Através da análise dos espectros das estrelas, é possível verificar sua composição, observando as previsões dos modelos teorizados por B²FH. Além disso, uma correlação entre a idade das estrelas e suas composições mostra a evolução química do Universo. Os dados mostram que as estrelas mais antigas possuem menores porcentagens de elementos mais pesados. Isso nos mostra que os elementos mais pesados foram surgindo com o passar dos anos, indicando que as primeiras estrelas seriam formadas apenas de hidrogênio, hélio e lítio. Conforme as mais antigas estrelas explodiam, os outros elementos eram adicionados ao meio interestelar onde nasceriam novas estrelas.

terça-feira, 4 de outubro de 2016

A fonte de energia das estrelas

Por Victoria Pardinho, Giovani Vicentin e Rafael Ishida, alunos do Prof. Dr. Jorge Meléndez


O que acontece no interior do Sol e de outras estrelas para que elas continuem irradiando sua luz para nós dia após dia?


As noites estreladas sempre fascinaram as pessoas. Olhar para o céu noturno e tentar imaginar os mistérios por trás do universo é uma atividade constante na história. Há certo tempo o brilho das estrelas era um desses mistérios: de onde ele vem e como dura por tanto tempo? As descobertas teóricas que proporcionaram o conhecimento dessa questão fundamental sobre as estrelas foram possíveis através do entendimento dos mínimos detalhes da matéria que as constituem. O estudo do átomo e suas partículas permitiu responder a dúvida sobre a fonte de energia das estrelas há 75 anos, mas a busca por essa resposta é muito mais antiga.

Todo o processo, que levou a essa importante descoberta acerca das estrelas, começou em 1666, quando Isaac Newton descobriu que é possível separar as cores da luz solar passando-a através de um prisma. Quando essa “luz dividida” é projetada em um anteparo, temos a formação do que chamamos de espectro. O arco-íris é um exemplo de espectro natural, sendo que as gotas de chuva atuam com um prisma. As cores espectrais resultantes percebidas são vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. A percepção de diferentes cores se deve ao fato cada uma corresponder a um específico comprimento de onda, sendo o vermelho correspondente ao maior comprimento de onda e o azul ao menor.

No início do século 19, Joseph Fraunhofer, um óptico alemão, que desenvolvia diversos instrumentos ópticos e realizava experimentos com diferentes fontes de luz para produzir artificialmente particulares cores, notou que o espectro do Sol contém linhas escuras de intensidades variáveis em específicos comprimentos de ondas. Então, Fraunhofer começou a catalogar essas linhas verticais e seus comprimentos de ondas, identificando cerca de 500 linhas espectrais, tendo sido designadas com as letras de A a K as linhas mais fortes. Apesar de não conseguir explicar sua origem, ele provou que essas linhas eram uma característica do espectro solar, já que as mesmas apareciam nos espectros da Lua e de outros planetas, que refletem a luz do Sol. Hoje, tais linhas são denominadas de Linhas de Fraunhofer e são muito importantes para a espectroscopia.


Exemplo de um espectro com as suas respectivas "linhas escuras", as linhas de Fraunhofer. Fonte: imagem do Wikpédia. Disponível em: https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Fraunhofer_lines.svg ; Acesso em outubro de 2016.

Foi Gustav Kirchhoff, juntamente com o químico Robert Bunsen, quem demonstrou experimentalmente a causa de tais linhas escuras. Eles mostraram que o espectro de alguns gases e metais aquecidos possuem linhas brilhantes que apareciam exatamente no mesmo comprimento de onda das linhas escuras encontradas por Fraunhofer, deduzindo-se assim que o espectro do Sol é atribuído à absorção da luz por elementos químicos presentes na atmosfera solar. Reunindo suas descobertas com o conhecimento de trabalhos realizados anteriormente por outros cientistas, Kirchhoff formulou regras sobre os tipos de espectros: o contínuo, isto é, sem linhas; o de absorção, resultante da absorção de fótons por átomos de um gás frio quando a luz passa pelo mesmo; e o espectro de emissão, que é produzido por fótons emitidos por um gás excitado.

No final do século 19 e início do 20, as atenções se voltavam para o mundo que não podemos enxergar: o microcosmos. Max Planck, físico alemão, iniciou essa nova linha de pesquisas com o estudo das radiações de “corpo negro”, um objeto totalmente opaco que emite e absorve perfeitamente a radiação. Em 1900, Planck publicou a teoria dos quanta, que afirmava que a transferência de energia é realizada por “quantidades” bem definidas: o quantumSeguindo o trabalho de Planck, Albert Einstein mostrou que ondas eletromagnéticas (radiação) também poderiam ser descritas como partículas. Mais do que isso, ele demonstrou que sua teoria concordava com os dados experimentais do “efeito fotoelétrico”, que é a emissão de elétrons por materiais sujeitos a radiação com uma determinada energia. Por causa da descrição desse fenômeno, Einstein recebeu em 1921 o Prêmio Nobel de física, além de ser capaz de fornecer a primeira prova indireta da existência de átomos, cuja exata natureza permanecia desconhecida.

Em 1913, um novo passo para e desbravamento da natureza atômica foi dado quando Niels Böhr introduziu um novo e sofisticado modelo para o átomo. Combinando o modelo atômico já proposto por Ernest Rutherford, em 1911, com a teoria dos quanta de Planck, Böhr montou um modelo no qual elétrons carregados negativamente orbitam o núcleo atômico carregado positivamente. Segundo esse modelo, a cada “órbita” (hoje chamadas de níveis de energia) há um valor de energia correspondente, de modo que elas são capazes de comportar um número limitado de elétrons. Esses elétrons podem mudar de órbita ganhando e perdendo energia, ao, respectivamente, absorver e emitir fótons, partículas elementares que não possuem massa e se propagam na velocidade da luz. A partir desse modelo e dos estudos mais aprofundados da luz e sua interação com a matéria (realizados principalmente por James Clerk Maxwell), abriu-se as portas para uma nova área da física: a mecânica quântica.

Modelo Atômico proposto por Niels Böhr. Na imagem, está representada a transição de um elétron de um nível de energia mais energético (n = 3) para um nível menos energético (n = 2), liberando um fóton. Fonte: Adaptado - FREBEL, Anna; Searching for the Oldest Stars, 2015, p. 20.

No início do século 20, apesar dos grandes avanços na física quanto na astronomia, a questão da fonte de energia das estrelas continuava em aberto. Havia propostas, mas nenhuma delas parecia plausível o suficiente. O que realmente engrenou o estudo da energia das estrelas foi o crescimento da física nuclear. 

Até 1907, hipóteses como o colapso gravitacional, conversão de energia potencial em radiação e processos químicos já haviam sido descartados. Foi então que o físico inglês Arthur Eddington propôs uma nova solução para a questão. Familiarizado com os trabalhos de Einstein sobre a equivalência de massa e energia, a tese de Eddington explana que quando dois hidrogênios se combinam para formar um hélio, a maior parte da energia de ligação é liberada, já que dois hidrogênios são mais pesados do que um hélio. Apesar de esta ser a verdadeira resposta, a comunidade científica não aprovou de imediato a ideia de uma fusão nuclear. Afinal de contas, os cientistas da época não conseguiam conceber a fusão de duas partículas positivas, muito menos a existência da grande quantidade de hidrogênio e hélio no Sol. Mas mesmo assim, Eddington não desistiu de suas ideias. A confirmação do trabalho do físico inglês veio com os estudos de George Gamov, físico russo que apresentou o conceito de tunelamento quântico para explicar o decaimento de partículas alfa de átomos radioativos. Aplicando esse conceito às ideias de Eddington, foi mostrado que a fusão nuclear era realmente possível. Apesar disso, muitas questões ainda precisavam ser respondidas.

Em 1938, a alemão Carl Friedrich von Weizsacker propôs o primeiro mecanismo concreto para a fusão do hidrogênio. Através do chamado ciclo CNO (Carbono-Nitrogênio-Oxigênio), ele pode incluir a transformação de hidrogênio em hélio como parte de um sistema de reações em cadeia, que envolve esses elementos. Paralelamente, o americano Hans Bethe, buscando solucionar o problema da repulsão entre dois núcleos de hidrogênio, inseriu o deutério (um próton e um nêutron) em suas análises, e conseguiu chegar a uma cadeia de reações que não envolvesse outros elementos, o hoje chamado ciclo p-p (próton-próton). A importância dos trabalhos de Bethe lhe rendeu o Prêmio Nobel de física em 1967. Ambas as teses se mostraram promissoras, sendo confirmadas nos próximos anos, dando início à astrofísica nuclear.