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‘O sinal luminoso é uma ‘foto de bebê’ do universo’

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Jul 5, 2024
Esta imagem do Telescópio Espacial Hubble mostra um aglomerado de gás interestelar

O físico Kai Schmitz oferece insights sobre a evolução do universo e questões de cosmologia

Esta imagem do Telescópio Espacial Hubble mostra um aglomerado de gás e poeira interestelar a mais de 5.300 anos-luz de distância da Terra. Telescópios ajudam a revelar a evolução do universo.

Kai SchmitzO campo de trabalho de ‘s está na interface da física de partículas e cosmologia; seu assunto favorito são as ondas gravitacionais do universo primitivo. Em uma entrevista com Cristina Hoppenbrock, o líder do grupo de pesquisa do Instituto de Física Teórica fornece insights sobre a evolução do universo, métodos de pesquisa e questões ainda não resolvidas sobre cosmologia.

Eu gostaria de falar com você sobre evolução, mas não sobre evolução no sentido darwiniano…

O termo evolução também é muito comum em cosmologia. Ele descreve o desenvolvimento do universo de um estado muito antigo e original até os dias atuais – ou em outras palavras: as sequências de processos físicos em escalas cosmológicas de tamanho, comprimento e tempo.

“Evolução do universo” – isso parece um enorme campo de pesquisa.

A cosmologia como disciplina científica cresceu consideravelmente nos últimos anos e décadas. Projetos de pesquisa em larga escala reúnem centenas, até mesmo milhares de cientistas. A cosmologia moderna tenta reconstruir a evolução desde o ponto mais antigo possível no tempo. Estamos investigando os processos físicos que ocorreram na sopa primordial quente há 13,8 bilhões de anos. Ao fazer isso, temos uma forte sobreposição com a física de partículas e nuclear. Então, seguimos o desenvolvimento do universo nas primeiras frações de segundo, os primeiros segundos, minutos e anos. 380.000 anos após o Big Bang, a chamada radiação cósmica de fundo foi emitida, que é o brilho residual do Big Bang. Descobertas importantes da física atômica desempenham um papel na compreensão desses processos.

E o que aconteceu depois?

Com nossas teorias físicas, podemos descrever como as estruturas se formaram a partir da sopa primordial quente. Aglomerados se formaram, dos quais as primeiras estrelas, as primeiras galáxias e os primeiros aglomerados de galáxias emergiram. Hoje, vemos uma rede de galáxias e aglomerados de galáxias no universo que não são distribuídos aleatoriamente. Nessa “teia cósmica” há conexões cruzadas, e entre elas há grandes cavidades onde existem menos galáxias.

Como você pode investigar algo que aconteceu há 13,8 bilhões de anos?

Nossa ideia da evolução do universo é baseada em três pilares. O primeiro são observações de Edwin Hubble, que percebeu no início do século XX que galáxias fora da nossa Via Láctea estavam se afastando de nós. Ele interpretou corretamente isso como uma expansão do universo que começou com o Big Bang. Olhando para trás no tempo, isso significa que o universo deve ter sido mais denso e mais quente no passado.

O segundo pilar é a radiação cósmica de fundo que já mencionei. 380.000 anos após o Big Bang, a sopa primordial esfriou a tal ponto que partículas de luz – fótons – puderam se mover livremente pela primeira vez. Algumas delas foram emitidas em nossa direção. Recebemos esse sinal de luz hoje, em outras palavras, uma ‘foto de bebê’ do universo. Ela contém uma grande quantidade de informações. Por exemplo, podemos ver que a sopa primordial não era uniformemente quente – o precursor da teia cósmica de hoje. Podemos descrever essas observações estatisticamente e compará-las com nossos modelos teóricos.

E em terceiro lugar?

A Teoria do Big Bang também faz previsões concretas sobre a proporção em que os elementos químicos leves, por exemplo, hidrogênio e hélio, foram formados nos primeiros minutos do Big Bang. Podemos verificar isso por meio de observações astrofísicas e encontrar correlações muito próximas até o último detalhe.

Sua pesquisa foca na evolução do universo primitivo. O que lhe interessa especialmente sobre isso?

Ondas gravitacionais do Big Bang. Existem muitas teorias físicas que preveem a geração de ondas gravitacionais no Big Bang. Se isso fosse verdade, haveria um fundo de ondas gravitacionais no universo, além das ondas eletromagnéticas, ou seja, os sinais de luz que resultaram do Big Bang. As teorias subjacentes são baseadas em física além do modelo padrão da física de partículas – há muitas questões em aberto para as quais gostaríamos de encontrar respostas. Meu grupo está envolvido na ‘Nanograv Pulsar Timing Array Collaboration’. Observamos pulsares na Via Láctea para detectar ruído de ondas gravitacionais. …

Pulsares são os restos dos núcleos de estrelas massivas.

… Ano passado, publicamos descobertas mostrando que tais sinais de fato existem. Mas de onde eles vêm? Uma explicação popular é que as ondas gravitacionais se originam em buracos negros nos centros das galáxias. Estamos interessados ​​na alternativa menos provável, mas mais emocionante: as ondas gravitacionais detectadas podem ser um “eco” do Big Bang.

Então ainda há muitas perguntas sem resposta sobre a evolução do universo…

Há observações que são virtualmente incontestáveis. Por exemplo, podemos dizer com certeza que o universo estava em um estado quente e denso há 13,8 bilhões de anos. Mas em termos de sua formação estrutural, há fenômenos que não entendemos exatamente, nós os chamamos de energia escura e matéria escura. Conhecemos muitas de suas propriedades e podemos usá-las em simulações de computador da evolução do universo – tudo se encaixa até agora. No entanto, a energia escura e a matéria escura são mais um espaço reservado para fenômenos físicos cujo modo de ação e natureza ainda não conhecemos exatamente. A energia escura tem propriedades que contribuem para que o universo se expanda cada vez mais rápido. A matéria escura interage com seus arredores por meio da força da gravidade e, portanto, contribui para a formação de estruturas. Galáxias, por exemplo, estão tipicamente localizadas no centro de grandes aglomerados de matéria escura. Mas não sabemos o que está por trás disso. Elas são, por exemplo, partículas elementares previamente desconhecidas? Há muitos candidatos, mas ainda estamos no escuro.

Em biologia, o processo evolutivo pode ser simulado em experimentos de laboratório. Isso também funciona em física?

Estamos tentando recriar alguns dos estágios iniciais do universo em laboratório, por exemplo, em experimentos de aceleradores nos quais ocorrem colisões de partículas. Caso contrário, temos várias possibilidades na física e na cosmologia para reconstruir a evolução. Usamos satélites e telescópios para fazer isso. A radiação cósmica de fundo, por exemplo, é medida com precisão usando satélites. Satélites e telescópios são os “olhos” da cosmologia, por assim dizer. E, mais recentemente, há também os “ouvidos”, com os quais queremos dizer os experimentos para detectar ondas gravitacionais.

Na astrofísica e cosmologia atuais, estão sendo feitas tentativas de reconstruir certos fenômenos, processos e eventos não apenas com a ajuda de um único mensageiro, mas por meio de várias fontes, as chamadas observações multimensageiras. Além dos sinais mencionados, os neutrinos também são importantes: partículas elementares com massa muito baixa que se originam do universo. Portanto, temos vários mensageiros do espaço: sinais de luz, sinais de ondas gravitacionais e neutrinos.

Podemos fazer previsões sobre a evolução do universo?

Podemos prever com alguma certeza o que esperar nos próximos milhões de anos, talvez até alguns bilhões de anos. Mas como será o estado final em centenas de bilhões de anos ou mais é mera especulação. Se olharmos para o futuro com nosso modelo atual, em algum momento haverá um grande vazio no universo. Tudo se afastará um do outro, nenhuma nova estrela se formará. No final, haverá apenas buracos negros, que então se desintegrarão lentamente ao longo de períodos de tempo inimaginavelmente longos.

No modelo padrão atual de cosmologia, descrevemos a energia escura usando a constante cosmológica de Einstein. Mas houve indicações nos últimos meses de que a energia escura poderia ser uma quantidade dependente do tempo que se torna mais fraca com o tempo. Se esse é realmente o caso só ficará claro no futuro, quando outras observações chegarem à mesma conclusão. No entanto, se as indicações atuais se mostrarem verdadeiras, teremos que fazer correções significativas em nossas previsões sobre a evolução do universo.

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