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Posts Tagged ‘cosmologia’

Buracos negros por todo o universo

quarta-feira, 15 jun 2011; \24\UTC\UTC\k 24 2 comentários

Imagem composta do Telescópio Hubble (luz visível) e Telescópio Chandra (raios X) de galáxias a cerca de 12 bilhões de anos-luz de distância (redsfhit 6 a 7), quando o universo tinha cerca de 800 milhões de anos. A cor azul representa a imagem em raios X, vermelho no infravermelho, e demais cores no visível. Clique para ampliar.

Notícia marcante no dia de hoje: a NASA anunciou que amanhã a Nature publicará a primeira imagem em raios X do universo quando ele tinha apenas cerca de 800 milhões de anos, e… a primeira visão de buracos negros em escalas cosmológicas! Segundo o anúncio da NASA, a imagem em raios X permite estimar que para mais de 30% de todas as galáxias tem um buraco negro supermassivo no centro — astros até um bilhão de vezes mais pesados que o Sol — senão todas elas.

A imagem é do Telescópio Espacial Chandra de raios X. Este é um feito técnico impressionante, pois esses objetos a essa distância 12 bilhões de anos-luz são quase invisíveis mesmo aos melhores telescópios de raios X. A câmera do telescópio ficou 46 dias ininterruptos capturando a imagem. Buracos negros supermassivos são em princípio visíveis ao telescópio porque muitas vezes eles são acompanhados de estrelas vizinhas que começam a ter seu material sugado em direção ao buraco negro, e os elétrons do gás que compõe a estrela são acelerados com energias tipicamente próximas da região dos raios X altamente energéticos a medida que o gás entra no buraco negro (vide figura abaixo).

Simulações numéricas mostram que as primeiras estrelas do universo eram muito pesadas, viveram poucos milhões de anos e colapsaram para formar buracos negros supermassivos. O resultado de Chandra era portanto esperado.

A imagem é suplementar ao Telescópio Espacial Hubble que já mapeou a mesma região do céu na mesma distância mas na freqüência da luz visível. Os astrônomos já haviam observado que há correlações entre a massa dos buracos negros e a taxa de formação de estrelas na galáxias onde eles habitam no caso de galáxias relativamente próximas (e portanto, de idade similar a da nossa) e também com o formato da distribuição de matéria escura nas galáxia, em muito devido ao trabalho do astrônomo de Dartmouth Ryan Hickox. Porque os buracos negros influenciam a formação de estrelas e aglutinação de massa nas galáxias ainda não se sabe. O estudo que sairá amanhã na Nature é o primeiro a analisar a formação de buracos negros em galáxias tão antigas, mas os detalhes só amanhã.

Para mais sobre a relação da formação de buracos negros e galáxias, considere esse colóquio de Ryan Hickox (60min, em inglês).


Ilustração do que acontece quando uma estrela passa perto de um buraco negro. A medida que o gás cai no buraco, os elétrons do gás da estrela são acelerados e emitem raios X, visíveis ao telescópio Chandra. Crédito da foto: NASA (domínio público).

Atualização 1 16/06: artigo publicado hoje na Nature.

Fermi-LAT pode ter confirmado resultado do PAMELA

sexta-feira, 20 maio 2011; \20\UTC\UTC\k 20 1 comentário

Hoje a Physics World reportou que a colaboração Fermi-LAT fez uma divulgação preliminar durante um congresso de que eles podem ter confirmado o excesso de pósitrons nos raios cósmicos que atingem a Terra na região de 10 a 100 GeV observados pelo PAMELA. Esse resultado é do mais confuso, porque o Fermi-LAT não observa tal excesso para os elétrons.

 Espectro de pósitrons cósmicos do satélite PAMELA.

Espectro de pósitrons cósmicos obtido pelo satélite PAMELA. A linha sólida é o cálculo Moska & Strong. Não incluido o fluxo previsto por fontes pontuais temporárias.

Muitas pessoas irão falar que esse excesso pode ser explicado com processos astrofísicos comuns, mas isso tem que ser visto com muito ceticismo porque genericamente qualquer processo de aceleração clássico deveria gerar um espectro de potência que diminui com o aumento da energia dos pósitrons, como 1/En para n > 0. Porém, o PAMELA, e agora o Fermi-LAT, observam um crescimento do número de pósitrons de 10 a 100 GeV, o que contradiz intuitivamente a possibilidade do excesso vir de aceleramento astrofísico. Além disso, por que o processo astrofísico iria acelerar pósitrons nesta energia mas não os elétrons?

O que provocou a inflação?

quinta-feira, 5 maio 2011; \18\UTC\UTC\k 18 2 comentários

Dia sim, dia não, aparece um artigo no arXiv especulando sobre modelos específicos da inflação, e hoje mesmo apareceu um especulando sobre inflação advinda da QCD. Sabe-se pouco sobre a inflação, mas uma coisa que se sabe é o seguinte: o que causou a inflação não foi nada dentro do Modelo Padrão.

Para ocorrer inflação só é necessário um ingrediente: um campo escalar que seja a principal componente de energia do universo. Os demais requisitos são fáceis de ajustar: você sempre pode considerar uma região do espaço suficientemente pequena em comparação com as possíveis anisotropias desse campo dentro do qual a inflação ocorre, e sempre pode fazer o campo escalar decair a partir de um certo instante de tempo acoplando-o a outros campos. O que mais se tem na física de partículas são campos escalares neutros com acoplamento a outras partículas mais leves, então é fácil construir vários cenários com pións, kaons, Higgs…, você escolhe!

Mas nenhum desses pode estar certo. Isso é porque a principal função da inflação cosmológica (e a principal evidência de que ela ocorreu) é gerar a distribuição de probabilidades das anisotropias do universo. Uma vez que consideramos um campo escalar qualquer, o tamanho das anisotropias da radiação cósmica de fundo requerem que o parâmetro de Hubble na época da inflação seja de

H_* = \sqrt{\epsilon_*} \times 2.24(10)\times 10^{13} \; \text{GeV}

Ainda não é possível medir \epsilon_* com precisão, porém dentro de suposições razoáveis os dados do WMAP indicam este parâmetro deve ser da ordem de 10-2 (o valor exato depende do modelo usado para ajustar os dados). Isso sugere que durante a inflação, o parâmetro de Hubble era da ordem de 1012 GeV. Seja lá o que causou a inflação, espera-se que a física dessa escala de energia receba correções de efeitos de uma escala de energia M ainda mais alta. Então nós não podemos esperar que nenhuma teoria que recebe correções de efeitos físicos com M < 1012 GeV possa ter relação com a inflação cosmológica, como é caso de todos os campos do Modelo Padrão. Certamente você pode ajustar finamente que essas correções desapareçam, mas não há nenhuma boa motivação para isso. Dado o valor de H_* a densidade de energia durante a inflação deve ser da ordem de 1016 GeV, então um palpite mais razoável é que a inflação ocorreu devido a algum processo associado a essa escala, que pode ser algo como alguma unificação supersimétrica das forças fundamentais, ou o áxion se você olhar para o fato que M do áxion coincide com H*.

O universo é quântico II, novas divergências em TQC

terça-feira, 5 abr 2011; \14\UTC\UTC\k 14 5 comentários

Será que existem divergências em teorias quânticas de campos (TQC) em espaços-tempo curvos que não podem ser removidas por renormalização?

Como o título já deve dar a entender, esse segundo post já vai ser sobre um aspecto técnico.

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Quem colapsou a função de onda do universo?

segunda-feira, 28 mar 2011; \13\UTC\UTC\k 13 2 comentários

Como ninguém perguntou no último post 😦 faço eu aqui a pergunta. Existe uma dificuldade conceitual na idéia da origem da estrutura do universo.

Para explicar o problema, deixe-me considerar o caso dos fótons da radiação cósmica de fundo. A temperatura média observada desses fótons é 2.73 K. Essa média é obtida da seguinte forma: o satélite recebe um conjunto de fótons vindos da direção n da abóboda celeste. Cada fóton recebido por unidade de tempo tem uma temperatura diferente; mas somando todos os fótons ao longo de um tempo t suficientemente longo, é possível determinar com uma precisão menor que 1 mK qual a temperatura dos fótons vindo daquela direção, chamemo-la T(n). Como eu disse, prever o valor exato da função T(n) é impossível porque requer saber exatamente qual a posição da Terra em relação ao ponto exato no espaço onde ocorreu o último espalhamento Compton que o fóton sofreu antes de chegar no satélite. No lugar disso, se faz a média T0 sobre todos os pontos da esfera celeste, ou seja, sobre todas as direções n. Essa média independe da direção. Esse é o valor 2.7 K. Nós podemos definir o desvio da média: ΔT(n)=T(n) – T0. A média do desvio da média é zero, mas não é zero a média do produto de dois ΔT(n), isto é o desvio padrão da média. Isso é análogo em mecânica quântica ao fato que a média da posição X pode ser zero, enquanto o mesmo não vale para X2.

A idéia proposta por Mukhanov e Chibisov é que essa média do céu é igual a mesma média obtida em mecânica quântica para a mesma variável. A dificuldade conceitual é que essas duas médias tem significados diferentes. A da mecânica quântica (MQ) significa o seguinte: você prepara o universo para ter início quando o tempo é zero em um estado \Psi, e mede a temperatura dos fótons na direção n em 12 bilhões de anos depois, o que te dará um valor T(n). Você então precisa colocar o universo novamente no estado \Psi no início e medir novamente T(n) 12 bilhões de anos depois, que vai lhe dar outro valor, e assim por diante. Uma série de medidas em vários universos diferentes é a média da MQ. Já a média utilizada na teoria clássica é de um mesmo universo sobre diferentes direções. Poder-se-ia questionar que quando a função de onda do nosso universo colapsou, a distribuição do campo gravitacional congelou em uma configuração específica da mecânica quântica. Essa configuração, tirada uma média sobre o espaço, é que constitui os observáveis astronômicos, e não a média sobre todas as possíveis realizações das flutuações do campo gravitacional, que é a média da física quântica. Mais objetivamente, como, quando e por que as probabilidades quânticas, como o emaranhamento, deixaram de ser flutuações quânticas do campo gravitacional e passaram a ser flutuações clássicas de intensidade do campo gravitacional? Será que toda vez que eu observo um fóton na radiação cósmica de fundo, eu colapso a função de onda de todo o universo? 🙂

O universo é quântico I

sexta-feira, 25 mar 2011; \12\UTC\UTC\k 12 4 comentários

A gravitação quântica pode estar ali na esquina…

Este vai ser o primeiro do que eu espero ser uma série de posts sobre os recentes avanços em cálculos de gravitação quântica em Cosmologia. Serão em tom de divulgação, mas com alguns detalhes técnicos aqui e ali. Eu não vou me preocupar em dar detalhes de referências no texto porque toma tempo e quem tiver interesse é só procurar ou perguntar. 🙂

Essa história começa com o seguinte problema. Suponha que eu aqui na Terra com um telescópio queira saber toda a evolução que trouxe a sopa primordial do universo até a formação de todas as galáxias:

 

A distribuição das galáxias no céu visto da Terra depende da posição relativa da Terra as galáxias vizinhas, o que nenhuma teoria cosmológica pode nos dizer. O que nós podemos calcular são na verdade aspectos probabilísticos do universo, como a densidade de massa média em um volume que contém muitas galáxias, ou o número de galáxias a uma dada distância d de outra galáxia. Olhando cada galáxia nas figuras dos telescópios e determinando quantas galáxias estão ao redor dela a uma certa distância d e depois tirando a média dessa quantidade para todas as galáxias vistas no telescópio pode-se tirar um estimador aproximado de como as galáxias estão distribuídas, e então comparar essa função de d com uma previsão da física.

Naturalmente, a física clássica não pode fornecer essa previsão: não faz parte do arcabouço conceitual clássico o conceito de probabilidades associadas aos observáveis físicos. As equações da Relatividade Geral para um fluido como a matéria escura, uma vez dadas as condições iniciais, tem uma evolução futura única. Quando os cosmólogos nos anos 60 toparam com essa questão, a estratégia foi introduzir artificialmente variáveis aleatórias no problema. Então, por exemplo, se A(\mathbf{x}, t) é um observável cosmológico (como a massa que existe no universo), os cosmólogos passaram a escreve-lo assim:

A(\mathbf{x}, t) = \sum_n \alpha_n(\mathbf{x}) A_n (t)

onde A_n(t) é cada uma das possíveis evoluções temporais da Relatividade Geral (t é o tempo) e \alpha(\mathbf{x}) é uma variável estrangeira a teoria que tem algum tipo de distribuição de probabilidade para como o observável se distruibui no espaço, por exemplo:

\langle\alpha_n \rangle = 0
\langle \alpha_n \alpha_m \rangle = P_{nm}

etc., onde \langle O \rangle quer dizer que estamos calculando o valor médio da variável aleatória O com respeito a alguma lei de probabilidade (por exemplo, no problema de um dado não viciado, cada face pode ter uma regra de probabilidade 1/6, e nós poderíamos definir a média de cada face \langle\alpha_i\rangle = 1/6, e a chance de tirar duas faces iguais \langle\alpha_i\alpha_j\rangle = (1/6)\times(1/6)). Na física clássica não existe nada que possa nos dizer a priori qual a distribuição de probabilidades (a não ser um chute!). (Na verdade a distribuição é feita no espaço de Fourier e não sobre o espaço-tempo).

A solução desse problema foi proposta em 1981 pelos russos Viatcheslav Mukhanov e Gennadiy Vasilevich Chibisov, então do Instituto de Física Teórica de Lebedev. Muita gente também dá crédito aos físicos do ocidente que puxaram a descoberta no contexto do modelo inflacionário logo em seguida: Stephen Hawking, Alan Guth e So-Young Pi, James Bardeen, Paul Steinhardt e Michael Turner.

Mukhanov e Chibisov fizeram um cálculo proposto a eles pelo colega Starobinsky: computar as flutuações quânticas do campo gravitacional em um modelo cosmológico proposto por Starobinsky. A suspeita era que os efeitos poderiam ser “grandes” e invalidar todo o modelo cosmológico. O que Mukhanov e Chibisov encontraram é que a distribuição de probabilidades do campo gravitacional quantizado no modelo de Starobinsky era idêntica a distribuição de massa do universo que acreditava-se na época ser necessária para garantir a formação das galáxias no modelo do Big Bang (apesar de que a distribuição de galáxias ainda não tinha sido observada em 1982!). Ora, se a fórmula é idêntica, a física deve ser a mesma: eles propuseram então que a origem da distribuição das galáxias era a gravitação quântica no universo primordial. A solução é muito elegante, pois promover os observáveis cosmológicos a observáveis em mecânica quântica permite associar a eles distribuições de probabilidades de forma natural. Mais importante, permite prever a distribuição de probabilidades do universo.

Hoje em dia a idéia é assim: o universo começou no vácuo, e passou por um período em que as distâncias entre dois pontos cresceram exponencialmente — a inflação. As flutuações quânticas do vácuo são pequenas, mas durante o período inflacionário elas são esticadas de um tamanho de 10-25 cm (cem bilhões de bilhões de vezes menor que o próton) até ao tamanho de uma galáxia. Essa flutuações querem dizer que a intensidade do campo gravitacional não é a mesma no espaço, o campo gravitacional tem uma probabilidade associada a ele de ter valores diferentes, igual como as probabilidades associadas a posição do elétron no átomo de hidrogênio. Os picos e vales de intensidade do campo gravitacional são essas flutuações. Eu já tinha escrito sobre isso no blog aqui.

Mas como é possível que o formato do campo gravitacional quântico no universo primordial possa ter dado origem as galáxias, se a inflação aconteceu mais de 100 milhões de anos antes das galáxias começarem a se formar? A física posterior a inflação não iria bagunçar o campo gravitacional do universo, como por exemplo, através de transições de fases, ou as colisões de prótons a altas energias, ou a formação do plasma de quarks e gluons?

Devido a inflação, essas flutuações se tornam tão grandes — do tamanho de uma galáxia! — que elas são muito maiores que a distância que a luz pode percorrer durante boa parte da história do universo. Quando o universo tinha 3 minutos, por exemplo, a distância que a luz pode percorrer desde o início do universo é de 3 minutos-luz; em comparação, uma galáxia tem cerca de 30 mil anos-luz de diâmetro. Só quando o universo já tinha mais idade que essas flutuações quânticas começam a ser influenciadas por outros efeitos físicos. Por uma boa coincidência de escalas, a temperatura do universo aos 3 minutos de idade era cerca de 1 MeV, que é a escala de energia típica da física nuclear, então esses outros efeitos que alteram a distribuição quântica primordial são física muito bem conhecida: física nuclear “para baixo”.

É curioso como se fala tanto que a física do LHC e do RHIC tem a ver com o Big Bang quando na verdade se sabe que qualquer efeito dessas escalas de energia não tem relevância para cosmologia.

Alguém ai entendeu alguma coisa?

No próximo post eu vou falar sobre os trabalhos recentes sobre as interações dos grávitons no universo primordial que afetam os observáveis cosmológicos, que em breve pode constituir um dos primeiros testes das interações da gravitação quântica graças ao satélite Planck. E depois sobre como se trombou com as diversas dificuldades da quantização da gravidade, e como a Cosmologia tem dado uma luz sobre como fazer contas com a Relatividade Geral quantizada.

Uma palestra técnica sobre o assunto você pode ver aqui, é o seminário “Cosmological Correlations” do Steven Weinberg. Já está desatualizada, mas eu não conheço nenhuma outra mais moderna.

Satélite Planck completa mapa de um ano

terça-feira, 6 jul 2010; \27\UTC\UTC\k 27 2 comentários

Edição 08/06/10: editado para melhor compreensão. 🙂

Olá! Estou meio ausente da Internet nas últimas duas semanas, e provavelmente assim ficarei pelo próximo mês, mas em um minutinho que me dêem agora explicarei um pouco sobre a recente notícia da imagem do satélite Planck divulgada ontem, para dar um contexto melhor que o divulgado pelos jornais não-especializados:

Mapa de um ano de dados da CMB da espaçonave Planck
Versão ampliada.
O que é esta imagem?

Esta imagem é um mapa da abóbada celeste da radiação cósmica de fundo que foi produzida no universo entre 420 — 450 mil anos após o início do tempo, quando os prótons quentes que sobraram das reações nucleares dos primeiros minutos do Big Bang combinaram-se com os elétrons que permeavam o universo em forma de gás. Leia mais…

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