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”.

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.

3 comentários:

  1. George Gamow usava o minemônico Oh Be A Fine Girl Kiss Me para a classificação do diagrama HR. OBAFGKM

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  2. George Gamow usava o minemônico Oh Be A Fine Girl Kiss Me para a classificação do diagrama HR. OBAFGKM

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    1. E em espanhol: "Otros Buenos Astrónomos Fueron Galileo, Kepler, Messier"

      http://elneutrino.blogspot.com.br/2009/12/oh-se-una-buena-chica-besame.html

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