Atividade 4 - Astronomia

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Universidade de Brasília – Instituto de Física
Disciplina: Fundamentos de Astronomia e Astrofísica	
Atividade 4
A ciência nem sempre tem a resposta para todas as perguntas, e isso é o ponto-chave que faz com que continuemos buscando conhecimento com a finalidade de entender e resolver todos os mistérios que nos cercam. A Astronomia/Astrofísica como todas as outras áreas da ciência possui suas próprias perguntas que continuam em aberto. Este trabalho busca elucidar dez desses problemas e discutir possíveis soluções para essas questões.
1. A Energia Escura
Por muito tempo acreditou-se que o universo expandia de forma lenta devido ao fato de haver um intenso campo gravitacional provocado pela matéria que constitui o próprio universo. Porém o astrônomo Edwin Hubble constatou através de observações de supernovas em galáxias distantes que essas galáxias estão se afastando de nós com velocidades proporcionais a sua distância, esse fato levou posteriormente a conclusão por outros cientistas de que o universo está se expandindo e uma taxa acelerada. Com base nessas informações, cientistas formularam a hipótese de que alguma forma de energia, que atua no sentido contrário ao da gravidade, é responsável pela expansão acelerada do universo, essa forma de energia foi denominada de energia escura. Acredita-se que 73% do nosso universo é constituído por energia escura. 
A possível solução é que a energia escura seja uma espécie de “constante cosmológica”, que seria uma propriedade do próprio espaço. À medida que o espaço se expande mais espaço é criado e com isso mais energia escura.
2. A Matéria Escura
Toda a matéria dentro de uma galáxia orbita o centro dessa galáxia devido à ação gravitacional exercida pela grande massa que há no centro. Quando se estuda o movimento das estrelas e das nuvens de gás ao redor deste centro gravitacional torna-se possível determinar o quanto de massa existe em uma galáxia. O astrônomo Fritz Zwiky utilizava-se deste principio quando estudava a massa de galáxias em um determinado aglomerado, dessa forma ele foi o responsável por notar que havia muito mais massa em um aglomerado que a massa de todas as galáxias e gases que constituíam aquele aglomerado. Esse fato permitiu a conclusão de que deve haver muito mais matéria em um aglomerado do que podemos detectar, essa matéria foi denominada de matéria escura pelo fato de não emitir luz em nenhuma faixa do espectro eletromagnético, assim apenas podemos detectá-la através da força gravitacional que ela exerce em outros objetos, já que ela também não interage de nenhuma outra forma com a matéria que conhecemos. Acredita-se que 23% do universo seja matéria escura.
A possível solução para o problema da matéria escura é a de que ela é alguma partícula fundamental, que interaja com a matéria que conhecemos quase que exclusivamente por gravidade, e que ainda não foi descoberta, dessa forma físicos de todo o mundo tentam criar experimentos para capturar a matéria escura ou produzi-la em aceleradores de partículas.
Fig.1- Concepção artística do halo de matéria escura da Via Láctea. Fonte: UFRGS.
3. A forma do Universo
De acordo com a teoria da relatividade de Albert Einstein, a distribuição de matéria e energia é capaz de distorcer as propriedades do espaço-tempo. Por exemplo, a distribuição de massa do Sol distorce a geometria do espaço a sua volta, dessa forma a luz se curva ao passar próxima ao sol. Essa distorção da geometria do espaço ocorre da mesma forma para o universo em virtude da distribuição de matéria-energia em escalas cosmológicas, sabendo disso e do fato de que o universo está expandindo, três cenários são plausíveis para a explicação da geometria do universo. Caso a densidade de matéria seja suficientemente alta para reverter à expansão, o universo é fechado. Se a densidade de matéria for muito baixa, o universo é aberto. O terceiro caso seria se a densidade de matéria fosse exatamente o valor da densidade crítica, que é a densidade necessária para interromper o processo de expansão, este caso é denominado de o universo plano.
Existem evidências atuais que apontam para a possível solução, essas evidências demonstram que a densidade matéria-energia do universo é igual à densidade crítica, dessa forma a geometria correspondente seria a do universo plano.
Fig.2 – Modelos bi-dimensionais representando as três possíveis geometrias do Universo. A geometria esférica representa o universo fechado, a geometria plana representa o universo plano e a geometria hiperbólica representa o universo aberto. Os modelos são bi-dimensionais apenas para facilitar a ilustração, mas o universo é tri-dimensional. Fonte: UFRGS
4. O futuro do Universo
Atualmente a teoria mais aceita para o inicio do universo é a do Big-Bang, que diz que todo o universo partiu de um único ponto que ao explodir deu origem a toda a realidade que conhecemos. Porém o futuro do Universo ainda é algo que levanta grandes dúvidas para a humanidade. A questão do futuro do Universo está intimamente relacionada com a questão anterior sobre a sua geometria, de tal forma que cada geometria representa um possível cenário futuro para nosso universo. Caso o universo apresente a geometria fechada, no futuro ele terá matéria suficiente para vencer a expansão, dessa forma o universo começara a encolher e ocorrerá um recolapso. Se o universo possuir a geometria aberta, então esse continuará se expandindo e resfriando para sempre até atingir a temperatura de 0K, onde não existirá energia livre para nenhuma reação química, seria a morte térmica do universo. Em último caso para a geometria plana, o final do universo seria o mesmo da geometria aberta, porém com um tempo infinito para chegar ao estado final.
Atualmente existem evidências que apontam para a possível solução, essas evidências demonstram que a densidade matéria-energia do universo tem um valor igual ao da densidade crítica, no entanto a principal componente dessa densidade é a energia escura que promove a expansão acelerada do universo. Dessa forma a possibilidade mais aceita é a de que o universo irá se expandir aceleradamente para sempre.
Fig. 3 – Possíveis cenários para o futuro do universo. A curva vermelha representa a geometria fechada, a curva verde representa a geometria plana, a curva azul representa a geometria aberta. A curva amarela representa um cenário próximo ao da geometria plana, porém em um universo dominado pela energia escura. Fonte: UFRGS
5. A Radiação Hawking
O vácuo é uma grande mistura de partículas dinâmicas, chamadas de partículas virtuais, flutuações quânticas de matéria e anti-matéria aparecem a todo o momento no vácuo e se aniquilam. Sabendo disso, o físico Stephen Hawking propôs que se essas flutuações ocorressem próximas ao horizonte de eventos de um buraco negro, antes das partículas se aniquilarem, uma delas poderia cair dentro do buraco negro enquanto a outra conseguiria escapar, essa partícula escapando foi denominada de radiação Hawking. A priori, este princípio viola as leis da termodinâmica que diz que energia não pode ser criada, porém utilizando a famosa equação de Einstein E=mc2, pode-se dizer que houve um decréscimo da massa do buraco negro para a emissão da radiação Hawking, conseqüentemente é cabível dizer que com o passar do tempo um buraco negro que perde uma maior quantidade de massa na forma de radiação Hawking do que ganha através de outros meios, deixaria de existir. Apesar de todas essas constatações teóricas, a radiação Hawking nunca foi detectada e continua como um grande ponto em aberto para a Astrofísica.
Uma possível solução para esse problema seria conseguir detectar a radiação Hawking emitida por um buraco negro, porém isso se mostra como uma tarefa extremamente complexa, então como solução possível a melhor idéia seria tentar recriar as condições de um buraco negro em laboratório, utilizando para isso um acelerador de partículas e observar se esse “mini buraco negro” emitiria a suposta radiação Hawking. Atualmente alguns físicos tentam criar esse experimento paratentar provar a existência de tal radiação.
6. A Era de Planck
O Big-Bang marca o inicio do universo, e foi a partir desse momento que o tempo começou a existir, dessa forma podemos considerar o big-bang como o t=0. Após a explosão que deu inicio ao universo, teve inicio a Era de Planck que durou apenas 10-43 segundos, este tempo é conhecido como o tempo de Planck, após esse período começaram a atuar as leis da Física que se conhece nos dias de hoje. Portanto, saber o que aconteceu nos tempos anteriores ao tempo de Planck é uma tarefa extremamente difícil, visto que a física que conhecemos ainda não é suficiente para explicar os fenômenos que ocorreram ali, dessa forma esse é um ponto que continua em aberto para a Cosmologia atual.
Uma possível explicação é que na Era de Planck, todas as forças da natureza que conhecemos, sendo elas a gravidade, a força eletromagnética, a força forte e a força fraca, encontravam-se unidas em uma só. A separação da gravidade das outras 3 forças foi o fato que ocorreu no 10-43 segundos e que marca o fim da Era de Planck. Não existe nenhuma outra explicação física para o que poderia ter acontecido nesses instantes.
Fig. 4- Ilustração da separação das forças da natureza que estavam unidas na Era de Planck. Fonte: UFRGS.
7. A Estrela WTF (KIC 8462852)
A Estrela WTF está a uma distância de 1480 anos-luz da Terra e possui 1,43 massas solares sendo classificada como uma estrela da classe F na seqüência principal. Porém um dado curioso ainda intriga diversos astrofísicos em todo o mundo, que é o fato de a curva de luz da estrela apresentar flutuações peculiares. O telescópio Hubble em 2011 detectou algo extremamente grande entre o instrumento e a estrela, esse objeto seria então o responsável por estar ocultando grande parte do brilho da estrela. Então em 2013 o fenômeno ocorreu novamente, porém de forma mais intensa, dessa vez o objeto misterioso esteve ocultando 21% da luz emitida pela estrela, um planeta nas proporções de Júpiter ocultaria apenas 1%. Diante dos dados, muitos cientistas chegaram a cogitar que se tratava de uma enorme estrutura alienígena que estaria bloqueando a luz da estrela, outras hipóteses apontavam para um possível sistema binário, porém novos e complexos dados acabaram com a hipótese da estrela WTF possuir uma companheira. 
Uma possível solução para o mistério é a de que a estrela está sendo orbitada por um gigantesco planeta que possui um grande sistema de anéis, bem maiores que os de Saturno, além disso, na órbita deste planeta existiriam duas super populações de asteróides troianos, similares aos da órbita de Júpiter, essa hipótese parece explicar as flutuações na curva de luz da estrela, está previsto para que em 2021 os supostos asteróides troianos eclipsem a estrela novamente, na ocasião poderíamos observar o padrão na curva de luz e então confirmar se essa hipótese é verdadeira. Outra solução plausível é a de que uma enorme e densa nuvem de poeira pode estar ofuscando a luz da estrela, porém há desconfianças sobre essa hipótese devido à falta de radiação infravermelha emitida pela suposta nuvem.
Fig.5 – Diagrama representando a hipótese de que a estrela WTF poderia ser orbitada por um planeta com sistema de anéis e por asteróides troianos. 
8. As pontes de Einstein-Rosen
A teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein diz que o tempo passa de maneira mais rápida ou mais devagar quando passa por corpos massivos. Em 1935 o próprio Einstein junto com o cientista Nathan Rosen deduziram como solução das equações da relatividade geral que seria possível a existência de pontes que unem duas regiões diferentes no espaço-tempo, que eles denominaram de pontes de Einstein-Rosen, porém que atualmente são denominados de buracos de minhoca. Alguns anos depois, outros cientistas demonstraram através de estudos que se os buracos de minhocas de fato existirem, eles não seriam transponíveis devido a sua alta instabilidade, em suma assim que um buraco de minhoca fosse criado ele deixaria de existir impedindo até mesmo que a luz conseguisse atravessá-lo, alguns físicos defendem que para torná-lo estável seria necessário algum tipo de energia exótica. Não existem evidências diretas para as tais passagens entre o espaço-tempo, porém elas são consideradas válidas pela teoria da relatividade.
Atualmente alguns físicos acreditam que os buracos de minhoca possam a ser uma possível solução para a junção entre a relatividade geral e o entrelaçamento quântico da mecânica quântica. Outros argumentam que os buracos de minhoca podem estar relacionados com os buracos negros, porém um buraco negro formado pelo colapso de uma estrela não criaria por si só um buraco de minhoca. 
Fig. 6 - Modelo que sugere como seriam os hipotéticos buracos de minhoca.
9. O Graviton
Existem quatro forças fundamentais na natureza, sendo elas: a força gravitacional, a força eletromagnética, a força nuclear forte e a força nuclear fraca, dentre essas quatro forças, três são carregadas por partículas. A força eletromagnética é carregada pelos fótons, a força forte é carregada pelos glúons e a força fraca é carregada pelos bósons W e Z, porém a gravidade não possui nem uma partícula detectada que a carregue. Em suma todas essas forças podem ser quantizadas com exceção da gravidade. Tendo em vista esse problema, existem hipóteses de que a partícula que carregaria a força da gravidade em uma possível teoria quântica da gravidade seria o gráviton, a partícula cuja função seria atrair matéria e deformar o espaço-tempo.
Alguns cientistas dizem que o gráviton seria a chave para correlacionar a relatividade geral e a física quântica, porém caso essa partícula realmente exista ela seria extremamente difícil de ser detectada visto que a força gravitacional é incrivelmente fraca. Contudo a possível solução para o problema continua sendo detectar a partícula e para isso a forma mais viável é a detecção e compreensão das ondas gravitacionais, que teoricamente no modelo quântico seriam formadas por “blocos” de gravitons assim como a luz é formada por “blocos” de fótons.
10. Existe vida fora da Terra?
Uma pergunta que permeia a humanidade durante séculos é se existe vida em outro lugar no universo. Fósseis indicam que a vida na Terra surgiu há aproximadamente 3,8 bilhões de anos atrás, mas ainda pouco se sabe sobre como a vida começou em nosso planeta. Algumas hipóteses sugerem que a vida tenha começado a partir de uma química pré-biótica que surgiu nos grandes oceanos terrestres e que era alimentada pela energia proveniente de relâmpagos e pela energia solar, outras hipóteses sugerem que a vida pode ter vindo carregada em grandes cometas ou asteróides que colidiram com nosso planeta. Moléculas precursoras para a formação de aminoácidos, que são os monômeros de uma proteína, já foram detectadas em objetos vindos do espaço, e cientistas já conseguiram produzir bases nitrogenadas, que são importantes para a formação do RNA e DNA, através de compostos como amônia (NH3) e cianeto de hidrogênio (HCN), essas descobertas sugerem que se a química que deu origem a vida aconteceu aqui, também pode ter acontecido em algum outro lugar do universo onde existiam condições semelhantes. Além disso, bactérias terrestres que vivem em ambientes extremos ou que são altamente resistentes a radiações se mostram como um excelente modelo de estudo para possíveis cenários como, por exemplo, para a lua Europa de Júpiter. Com base nisso, a pergunta sobre a existência de vida fora da Terra ainda hoje é um ponto em aberto para a Astronomia e para a ciência.
Evidências apontam para a existência de milhares de planetas fora do Sistema Solar, devido às grandes distâncias e as dificuldades que temos para obter informações a respeito desses planetas torna-se extremamente difícil detectar qualquer sinal de vida, mas não impossível, logo a busca por esse sinal deve continuar. Porém a melhor solução momentânea, para este problema é tentarmos entender de forma concisa como a vida na Terra se originou para então aplicar esses conhecimentosem outras regiões do cosmos, além de continuarmos a estudar as formas de vida terrestres e como elas se sairiam em cenários como Marte, Europa, Titã, entre outros.
Fig.7 – Microscopia eletrônica da bactéria radiotolerante Deinococcus radiodurans. Fonte: Astrobiologia uma ciência emergente.
 
· Referências
· Astronomia e Astrofísica – UFRGS. Disponível em: http://astro.if.ufrgs.br/index.htm. Acessado em 03 de Fevereiro de 2018.
· Radiação Hawking – Space Today. Disponível em: http://spacetoday.com.br/radiacao-hawking/. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.
· Conheça a fascinante história da estrela mais estranha da galáxia – Revista Galileu. Disponível em: http://revistagalileu.globo.com/Revista/noticia/2016/10/conheca-fascinante-historia-da-estrela-mais-estranha-da-galaxia.html. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.
· O conteúdo do universo – UFRGS. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~fatima/ead/universo-atual.htm. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.
· O universo como um todo – UFRGS. Disponível em: http://astro.if.ufrgs.br/univ/univ.htm. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.
· D. Galante, et al,. Astrobiologia: uma ciência emergente. Tikinet. São Paulo. 2016.
· What is a Wormhole?. Disponível em: https://www.space.com/20881-wormholes.html. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.
· O que é gravitação quântica?. Disponível em: https://simetriadegauge.blogspot.com.br/2015/10/o-que-e-gravitacao-quantica.html. Acessado em 04 de Fevereiro de 2018.