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Archive for abril \25\UTC 2010

Estranha natureza da matéria escura

domingo, 25 abr 2010; \16\UTC\UTC\k 16 2 comentários


Fotografia em raios X da galáxia NGC 720 do telescópio Chandra da NASA (lado esquerdo) revelaram a estrutura de matéria escura da galáxia (foto óptica ao lado direito), que agora desfavorece a existência de interações da matéria escura causadas por um bóson escuro leve.
Quem acompanha o blog viu que no final de 2008, o satélite europeu Pamela apresentou qual o número de prótons e pósitrons que bombardeiam a Terra vindo da galáxia e descobriu que para energias acima de aproximadamente 10 GeV, o número de pósitrons começa a aumentar, enquanto o número de prótons continua a diminuir[1].
Como um pósitron consegue chegar a 10 GeV de energia, que corresponde a uma temperatura de 1014 K, quando a temperatura no núcleo do Sol é de apenas 107 K? De onde veio essa energia do próton?
Em 1949, Enrico Fermi mostrou que esse tipo de energia para raios cósmicos é natural[2]. Existem prótons e elétrons espalhados pela galáxia, que vieram de processos astrofísicos, largados aqui e ali por estrelas e supernovas. Eventualmente eles encontram o campo magnético que existe na galáxia e ficam presos, mas esse campo possui inomogeneidades, gradientes, e a partícula quando encontra um pico de intensidade do campo magnético recebe uma força maior que a média que a mantém presa no campo e acaba sendo liberada com uma energia maior. Quanto mais energética é a partícula, mais difícil é desviá-la do seu caminho, então podemos em primeira aproximação imaginar que os acréscimos são inversamente proporcionais a energia que a partícula já possuia antes de receber o pontapé do campo magnético. Então a probabilidade de observar uma partícula com energia E na Terra deve ser inversamente proporcional a sua energia,

 
P(E) \propto 1/E^\gamma

onde \gamma > 0 é um fator a ser determinado experimentalmente. Esse mecanismo de Fermi não poderia explicar o súbito crescimento do número de partículas com energias acima de 10 GeV observados no Pamela e no ATIC, e por isso o crescimento foi interpretado como um sinal de nova física.
Mas se esse excesso fosse devido a aniquilação de matéria escura na galáxia produzindo pósitrons, então a probabilidade de aniquilação de matéria escura teria que ser muito maior que o valor esperado no cenário de WIMPs. Por isso, Neil Weiner e colaboradores sugeriram que deveria existir uma nova partícula leve que só interage com a matéria escura, porque tal interação introduziria um fator de aumento na probabilidade de aniquilação da matéria escura que depende da velocidade do gás de matéria escura:

 
S = \displaystyle{\frac{\pi \alpha_X / v_\text{rel}}{1 - \exp(-\pi \alpha_X/v_\text{rel})}}

Infelizmente, este mês relata Jonathan Feng e colaboradores na Phys. Rev. Lett. que essa interação já está excluída devido ao formato das galáxias[3]. Motivados por estudos numéricos do formato dos halos de matéria escura quando se inclui interações[4], eles argumentam que a introdução de interação favorece a formação de halos mais esféricos do que aqueles que seriam formados desprezando interações, e então usam os dados sobre a elipsidade do halo da galáxia NGC 720 que foi estudado com as imagens de raios X do telescópio Chandra[5] e comparam com as simulações numéricas em função da intensidade da interação da matéria escura para restringir a seção de choque. O principal resultado deles é o gráfico da Fig. 1, que mostra que o valor do aumento da seção de choque S compatível com os dados do satélite Pamela não é compatível com o valor limite de S permitido pelo formato do halo de matéria escura de NGC 720.

Fig. 1, gráfico de S versus massa da partícula de matéria escura, da ref. 2. A região verde indica a parte favorecida pelos dados do Fermi, a vermelha pelos dados do Pamela. A linha tracejada indica o limite em S extraído da forma da galáxia NGC 720, e a linha azul da abundância de matéria escura. A discrepância se dá no fato que para produzir as regiões verde e vermelho, é necessário que a partícula intermediadora da aniquilação de matéria escura tenha massa 250 MeV, que já está excluído nesta região que requer uma massa de, no máximo, 30 MeV.

Esse resultado é consistente com a interpretação de que não há nenhum excesso no espectro de raios cósmicos, como os novos dados do satélite Fermi sugerem.

Referências

  1. Velhas e novas evidências da matéria escura
  2. E. Fermi, Phys. Rev. 75, 1169–1174 (1949).
  3. J. L. Feng, M. Kaplinghat, H.-B. Yu, Phys. Rev. Lett. 104, 151301 (2010).
  4. Romeel Davé et al. ApJ 547 574 (2001).
  5. David A. Buote et al ApJ 577 183 (2002).
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Ambiguidades de Gribov – Elas são reais?

quinta-feira, 22 abr 2010; \16\UTC\UTC\k 16 1 comentário

Essa semana, em parte devido à erupção do vulcão na Islândia, tivemos várias aulas interessantes aqui em Stony Brook no formato de seminários. Yang, Donaldson e Slavnov foram os palestrantes e é sempre interessante conhecer esses cientistas renomados. Eu quero falar um pouco sobre a apresentação do Slavnov. Antes de mais nada, eu não deveria estar fazendo o que vou fazer, porque apenas vou contar aqui o que entendi da apresentação sem ler o paper referente a ela. Mas, como o assunto é interessante e vai levar alguns dias para eu entender o paper, eu peço que vocês me desculpem.

O paper em questão é este aqui:

Renormalization of the Yang-Mills theory in the ambiguity-free gauge.

E ele lida com um problema interessante na quantização de teorias de gauge: as ambuiguidades de Gribov. A questão é a seguinte: se você quantiza a teoria de Yang Mills usando uma função de fixação de gauge diferencial, ele não fixa completamente o gauge e você vai estar fazendo a integral de trajetória sobre várias cópias do mesmo campo. Por outro lado, se você usa uma função de fixação de gauge algébrica, você até consegue fixar o gauge completamente, mas quebra simetria de Lorentz e daí não se consegue mostrar que a teoria é renormalizável.

Muitas pessoas acreditam que esse problema na quantização leva a resultados físicos observáveis e o Slavnov tentou mostrar porque ele acredita no oposto. Para se ter uma idéia de como isso é uma linha de pesquisa moderna, veja esse paper bem recente que faz um apanhado dos esforços nessa direção:

Gribov horizon and BRST symmetry: a pathway to confinement

A idéia é simples nesse tipo de trabalho: você escolhe uma função de fixação de gauge diferencial, mas introduz na ação termos não locais adicionais, cujas equações de movimento quânticas implementem uma restrição ao espaço de funções mais restrito do que aquele imposto pelo gauge, isto é, dentro do “horizonte de Gribov”. Em particular, esse espaço de funções não tem cópias espúrias dos campos de gauge.

Porque as pessoas acreditam nisso? Por vários motivos, mas um muito chamativo é que se você calcula o propagador do campo de gauge, você não acha um polo real e a interpretação de partícula não existe. Isso seria uma demonstração perturbativa do confinamento, algo que seria maravilhoso e não esperado por quase ninguém na comunidade de altas energias.

Bem, o Slavnov não comentou sobre esses outros artigos, mas ele fez o seguinte: ele partiu da ação de Yang Mills e inspirado pelo gauge unitário que é possível nas teorias com quebra espontânea de simetria, tentou encontrar uma fixação de gauge que seja ao mesmo tempo algébrica, fixe o gauge completamente e não quebre simetria de Lorentz. Para tal, ele introduziu novos campos auxiliares na ação de Yang Mills de forma a estender a simetria de gauge a uma simetria bosônica+fermiônica. Com essa simetria estendida, é possível então fixar o gauge com uma equação algébrica sem quebrar simetria de Lorentz.

No artigo, ele argumenta que nesse gauge é possível provar renormalizabilidade (após uma redefinição dos campos – mas isso não é estranho, conhecemos essa necessidade de teorias supersimétricas no superespaço) e unitariedade. Em particular, ele mostra que usando uma quantização BRST bem tradicional para essa simetria estendida, os campos adicionados se desacoplam (bem como as polarizações temporais e longitudinais do campo de gauge, claro). Ele ainda argumenta que, perturbativamente, as amplitudes calculadas com essa ação e com a ação de Yang Mills original são idênticas.

Ou seja, há uma clara discordância entre os dois approaches e uma ótima linha de pesquisa em física teórica ainda aberta.

Possíveis bactérias em lago de asfalto reacende chance de vida em Titã

domingo, 18 abr 2010; \15\UTC\UTC\k 15 7 comentários

Titã

Fotografia de Titã, uma das luas de Saturno, missão Cassini da NASA, julho de 2009. Exibe-se a reflexão da luz do Sol no lago de hidrocarbonetos da lua. As cores são reais.


Grupo de astrobiólogos alega ter encontrado evidência indireta de vida em lago de piche parco em água que possui condições similares a lua de Saturno, Titã, reacendendo a possibilidade da lua abrigar vida.

Um grupo de astrobiólogos liderado pelo Prof. Dirk Schulze-Makuch[1], da Universidade Estadual de Washington em Pullman, alega ter encontrado evidências indiretas de que há cerca de 10 milhões de bactérias por grama de betume em um lago natural de asfalto quente localizado em Trinidad e Tobago, conhecido pelo nome Pitch Lake (Lago de Piche)[2]. O achado é inesperado pois o lago é constituído primariamente de hidrocarbonetos a temperaturas de 32 °C a 56 °C com quantidade de água praticamente zero (em concentração menor que 0.01%, considerada abaixo do limite mínimo de água necessária para vida). O grupo atesta a existência dessa população de bactérias observando que a quantidade de isótopo de carbono 12 é desproporcionalmente maior que a do carbono 13[3] e identificando a presença de pelo menos seis aminoácidos. Para poder sobreviver, especula o grupo, essas bactérias devem estar realizando metabolismo sem água, respirando metais e degradando sem oxigênio algum ou alguns dos hidrocarbonetos presentes: metano, etano e propileno — características dramaticamente diferentes das formas de vida já conhecidas na Terra.

A: vista aérea do Lago de Piche em Trinidad, um dos maiores lagos naturais de asfalto do mundo. B: bolhas de asfalto quente na superfície do lago onde pode haver vida, mesmo praticamente sem água. Fotos do artigo ref. 2.

Isso suscita novamente a possibilidade de que exista vida em Titã, a maior lua de Saturno. Provavelmente um dos primeiros astrobiólogos a falar sobre vida lá foi Carl Sagan. Após as missões Voyager 1 e Voyager 2, ficou conhecido que a atmosfera da lua contém hidrocarbonetos e possui, assim como a Terra, a molécula de nitrogênio como principal constituinte. Sagan observou que Titã possui uma superfície sólida sobre a qual existe um lago de hidrocarbonetos, uma atmosfera com compostos orgânicos a uma pressão apenas 1,6 vezes maior que a da superfície da Terra, e gelo, ingredientes potenciais a vida ou pelo menos os estágios primários de vida. Em As Variedades da Experiência Científica, ele escreveu:

Agora, isto é um mundo que vale a pena visitar. O que aconteceu com essas coisas no decorrer dos últimos 4,6 bilhões de anos? Quão longe isso foi? Quão complexas são as moléculas lá? O que acontece quando há ocasionalmente um evento externo ou interno que aquece as coisas localmente e derrete um pouco do gelo para formar água líquida? Titã é um mundo gritando por exploração detalhada e parece ser um experimento em escala planetária nos primeiros passos que aqui na Terra levaram a origem da vida porém lá em Titã foram provavelmente congelados, literalmente, nas primeiras etapas, devido a escassez de água. [trad. livre minha]

Em 2005, o astrônomo Christopher McKay da NASA e Heather Smith[4] esquematizaram quimicamente como poderia existir uma forma de vida em Titã cujo metabolismo seria baseado em converter hidrocarbonetos em metano, parte do tipo de esquema que seria necessário para a existência de vida no Lago de Piche, segundo o achado do grupo de Schulze-Makuch. Este último também é um defensor de longa data da possibilidade séria de existir vida em Titã. Em contrapartida, no final de 2005, a sonda Cassini da NASA identificou que a proporção de carbono 12 para carbono 13 da atmosfera de Titã não sugeria vida, enfraquecendo a hipótese, pelo menos de formas de vida como se conhece na Terra.

Ainda assim, a descoberta no Lago de Piche pode permitir a investigação de organismos que vivem em condições similares a Titã, e desta forma aumentar o leque de condições aceitáveis a vida nas buscas astronômicas por vida extraterrestre.

Referências e Links

  1. Laboratory for Astrobiological Investigations & Space Mission Planning, Washington State University; Dirk Schulze-Makuch.
  2. arXiv:1004.2047 [q-bio].
  3. Como as formas de vida na Terra metabolizam 12C, excesso de 12C sobre 13C é considerado sinal de vida.
  4. C.P. McKay, H.D. Smith, Icarus 178 1 (2005).
  5. arXiv blog
  6. Cientistas defendem hipótese de haver vida em Titã, Folha de S. Paulo (04 de janeiro de 2006).
  7. Sítio da missão Cassini.
  8. Fotos diversas do Lago de Piche de Trinidad e Tobago.

Origem do universo e a seta do tempo

quinta-feira, 8 abr 2010; \14\UTC\UTC\k 14 10 comentários

Uma palestra interessante do Sean Carroll sobre o problema da seta do tempo, em novembro de 2009 na Universidade de Sidney:

http://sciencestage.com/v/21993/the-origin-of-the-universe-and-the-arrow-of-time.-sean-carroll.html

Parte do que se tornou o mais recente livro do Sean. 🙂

Sean acredita que é possível demonstrar a segunda lei da Termodinâmica, no sentido de que a entropia deve crescer no tempo. Um ovo sempre vira um omelete, ele diz, mas não o inverso. No entanto, o ovo veio da galinha, mas de onde veio a entropia baixa do universo que permitiu ele aumentar em entropia com o passar do tempo?

Mas eu fiquei confuso com o argumento do Sean. Primeiro, ele diz que é possível demonstrar a segunda lei da Termodinâmica. Mas logo em seguida, ele diz:

“[Boltzmann] explica porque se você começar com menor entropia você vai para maior entropia. Mas claramente deixa uma pergunta sem resposta: por que o sistema começou com baixa entropia? (…) É fácil prever usando apenas as idéias de Boltzmann que começando hoje a entropia amanhã será maior. É impossível usando apenas as idéias de Boltzmann dizer porque a entropia era menor ontem. De fato, (…) como as leis da física são invariantes por reversão temporal, você pode provar que a entropia era maior ontem, do mesmo modo que você pode provar que ela será maior amanhã.”

Carroll parece está concordando, no final, com o conhecido paradoxo de Loschmidt (como eu falei neste outro post.), ou, de forma mais transparente na minha opinião, com o fato que, até onde eu saiba, a única equação que parece mostrar uma característica de crescimento no tempo para a entropia é o enunciado do teorema H, e esta equação é também simétrica por inversão temporal, tendo portanto duas possíveis soluções para qualquer processo físico: aumento de entropia ou diminuição de entropia, como função do tempo. A única forma de obter uma única solução para todos os processos físicos, é assumir que não é válida a inversão temporal na equação do teorema H. Contudo, isso está em conflito dentro da minha cabeça com a idéia de que a segunda lei da Termodinâmica pode ser provada.

Além desse argumento confuso, que eu até o momento não consigo concordar, eu tendo a apontar dois outros problemas com essa idéia:

  1. entropia é uma escolha de descrição estatística de sistemas, portanto é estranho dizer que o efeito só aparece por causa de uma escolha de descrição. Em princípio seria possível calcular exatamente a evolução temporal de um gás sabendo as velocidades iniciais e posições de todas as moléculas, e só existiria um único estado microscópico do sistema em cada instante de tempo. É apenas uma questão de escolha de descrição — ou aproximação fisica útil — fazer uma média temporal sobre os estados do sistema e então contar todos os estados possíveis que ele poderia estar, que é a descrição Termodinâmica. Seguindo o raciocínio de E. T. Jaynes, sabemos que essa descrição é de fato a melhor inferência estatística possível de ser feita dada um conjunto de conhecimento a priori e isso independente até mesmo da validade da Termodinâmica — i.e. de quão boa é essa aproximação estatística para a dinâmica do sistema. É muito difícil para mim acreditar que a seta do tempo desapareceria se nós tivéssemos um computador suficientemente poderoso para calcular a dinâmica de um gás ideal…
  2.  

  3. por que a gravitação parece desconsiderar essa simetria de inversão temporal? Pelo princípio de inversão temporal, para cada buraco negro, deve haver um buraco branco no universo, mas isso não é observado. O universo está em expansão com {\dot{H} < 0} e se {\dot{H} > 0} não ocorreria apenas uma inversão temporal como a positividade da energia de um gás ideal — que não é um teorema, mas um preconceito teórico bem razoável — seria violada. Em termos de teorias de campo em universos em expansão, isso se traduziria numa teoria que viola a unitariedade, com um sinal negativo para a energia cinética.

Contudo um ponto de encontro: eu acho que posso concordar com a questão reformulada da seguinte forma: porque existe uma condição de contorno para a equação do teorema H de que o valor inicial da entropia é menor que o final? Isso é apenas uma reformulação do problema.

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