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"Se confirmada por outros experimentos, esta descoberta de uma possível quinta força iria mudar completamente a nossa compreensão do universo", disse o professor de UCI de física e astronomia Jonathan Feng, incluindo o que mantém unidas as galáxias do Universo".
Descobertas recentes indicam a possível descoberta de uma partícula subatômica previamente desconhecida que pode ser evidência de uma quinta força fundamental da natureza, de acordo com um artigo publicado na revista Physical Review Letters pelos físicos teóricos da Universidade da Califórnia, Irvine.
"Se for verdade, é revolucionário", disse Jonathan Feng, professor de física e astronomia. "Durante décadas, a gente conhece quatro forças fundamentais: Gravitação, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. Se confirmada por outros experimentos, esta descoberta de uma possível quinta força iria mudar completamente a nossa compreensão do universo, com consequências para a unificação das forças e a matéria escura ".
Os pesquisadores da UCI se basearam em um estudo de meados de 2015, feito por físicos nucleares experimentais na Academia de Ciências da Hungria, que estavam à procura de "fótons escuros," partículas que poderiam formar a matéria escura invisível, que os físicos dizem que compõe cerca de 85 por cento da massa do universo. O trabalho dos húngaros 'descobriu uma anomalia de decaimento radioativo que aponta para a existência de uma partícula de luz apenas 30 vezes mais pesada do que um elétron.
"Os experimentalistas não foram capazes de afirmar que era uma nova força", disse Feng. "Eles simplesmente viram um excesso de eventos que indicam uma nova partícula, mas não estava claro para eles se era uma partícula de matéria ou se era uma partícula que transmite força".
O grupo UCI estudou os dados dos pesquisadores húngaros, bem como todas as outras experiências anteriores nesta área e mostrou que a evidência desfavorece fortemente ambas as partículas de matéria e fótons escuros. Eles propuseram uma nova teoria que sintetiza todos os dados existentes e determinaram que a descoberta pode indicar uma quinta força fundamental. A sua análise inicial foi publicada no final de abril no servidor público on-line arXiv, e um artigo de acompanhamento amplificando as conclusões do primeiro trabalho foi divulgado sexta-feira, no mesmo site.
O trabalho do UCI demonstra que, em vez de ser um fóton escuro, a partícula pode ser um "Higgs fotofófico X." Enquanto a força elétrica normal age sobre elétrons e prótons, esta partícula de Higgs recém-descoberta interage apenas com os elétrons e nêutrons - e em uma gama extremamente limitada. O co-autor Timothy Tait, professor de física e astronomia, disse: "Não há outro tipo de partícula Higgs que temos observado com essa mesma característica. Às vezes nós também os chamamos de 'Higgs X' onde 'X' significa desconhecido. "
Feng observou que novas experiências são cruciais. "A partícula não é muito pesada, e os laboratórios tiveram as energias necessárias para encontrá-la desde os anos 50 e 60", disse ele. "Mas a razão de ela ser tão difícil de encontrar é que suas interações são muito débeis."
Como muitos avanços científicos, este abre inteiramente novos campos de investigação.
Uma direção que intriga Feng é a possibilidade de que essa potencial quinta força pode ser unida às forças eletromagnética e nuclear forte e fraca como "manifestações de uma maior, uma força mais fundamental."
Citando o entendimento dos físicos do modelo padrão, Feng especula que pode haver também um setor escuro separado com sua própria matéria e forças. "É possível que estes dois setores comuniquem-se uns aos outros e interagir uns com os outros através de interações pouco veladas, mas fundamentais", disse ele. "Esta força escura pode se manifestar como esta força fotofóbica que estamos vendo como resultado da experiência húngara. Num sentido mais amplo, ela se encaixa com a nossa pesquisa original para compreender a natureza da matéria escura."
Traduzido e adaptado de Phys
Há muita coisa que ainda não sabemos sobre a matéria escura - nem mesmo 100 por cento de certeza se ela existe - mas durante anos, os cientistas detêm a hipótese de que um enorme disco do material misterioso está cortando a nossa própria Via Láctea. Agora, graças a novos cálculos, essa hipótese está recebendo muito mais atenção.
Um novo estudo sugere que os cientistas têm ignorado uma pista importante em seus cálculos: a de que este disco hipotético de matéria escura poderia abrir espaço dentro de nossa galáxia. Se este disco pode comprimir em outros tipos de matéria - estrelas, gás e poeira - como sugerem os pesquisadores, então, a existência de um disco de matéria escura começaria a parecer mais provável.
A física Lisa Randall da Universidade de Harvard propôs pela primeira vez a sua versão da teoria do disco escuro em 2013. O Astrônomo holandês Jan Oort foi o primeiro a lançar a ideia em 1932, depois de observar o movimento irregular das estrelas em nossa galáxia, e Randall trouxe-o para fora da obscuridade. Mas, como relata Natalie Wolchover, é uma ideia controversa que tem mais detratores que simpatizantes.
O novo paper de Randall, escrito em parceria com estudante de graduação de Harvard Eric Kramer, está on-line no site de pré-impressão, arXiv.org e foi aceito para publicação no Astrophysical Journal.
O par de cientistas explica que a massa total visível da Via Láctea é tipicamente estimada extrapolando para o exterior a partir da densidade do seu plano médio - a linha central que passa através da galáxia. Se um disco escuro existir pode beliscar importa para ele - no plano médio - então nossos cálculos anteriores são imprecisas.
- Onde está toda a energia escura e matéria escura?
Isso significa que a presença de um disco torna-se possível, e mesmo talvez ligeiramente provável, dependendo do tipo de análise usada, eles discutem. O fato de que ninguém estava à procura de um disco que possa interferir com a matéria desta forma é porque uma série de estudos anteriores não viram evidências para isso.
Graças ao observatório espacial Gaia, que poderá em breve saber uma forma ou de outra o que é a matéria escura e que está atualmente a realizando um novo inventário da Via Láctea, o que nos dará uma visão mais precisa da posição e velocidade de 1 bilhão de estrelas.
O que torna a matéria escura difícil de entender é que não podemos realmente vê-la - só podemos prever a sua existência, observando seu efeito sobre outros elementos no Universo.
Se um disco de matéria escura estiver realmente presente, como Randall e Kramer sugerem, então isso mostra a matéria escura seria capaz de lançar energia, que por sua vez significa que ela é ainda mais complexa do que se imaginava.
- O lado negro da cosmologia: Onde estão os outros 95% do Universo?
Mal podemos esperar para ver o que outros pesquisadores vão encontrar com suas hipóteses. Mas uma coisa é certa - à luz de quanto nós ainda não sabemos sobre a matéria escura, ninguém deve ser descartar quaisquer hipóteses ainda.
"Eu acho que é muito, muito saudável ter em nossa área pessoas que pensam sobre todos os tipos de ideias diferentes", disse o astrofísico James Bullock, da Universidade da Califórnia, Irvine, que não estava envolvido no estudo. "Porque é bem verdade que não sabemos o que o diabos a matéria escura é, e você precisa ter a mente aberta sobre isso."
Traduzido e adaptado de Science Alert
Medidas feitas pelo Telescópio Espacial Hubble com estudos de radiação que sobraram de Big Bang alimentaram teorias da "energia escura" e partículas misteriosas. O dados ainda mostram que o universo está se expandindo mais rápido do que qualquer um já havia medido ou calculado a partir dessas teorias.
Esta é uma descoberta que poderia testar parte da teoria da relatividade de Albert Einstein, um dos pilares da cosmologia que tem resistido a desafios por um século.
Nasa e a Agência Espacial Europeia anunciaram conjuntamente que o universo está se expandindo de 5% a 9% mais rápido do que o previsto, uma descoberta que chegaram depois de usar o telescópio espacial Hubble para medir a distância de estrelas em 19 galáxias além da Via Láctea .
A taxa de expansão não encontrou previsões com base em medições de radiação que sobraram do Big Bang que deu origem ao universo conhecido 13,8 bilhões de anos atrás.
O físico e principal autor Adam Riess disse: "Você começa em duas extremidades, e você espera encontrar no meio se todos os seus desenhos estiverem certos e suas medidas, corretas.
"Mas agora as extremidades não estão muito reunidas no meio e nós queremos saber o porquê."
Os pesquisadores chegaram a uma nova taxa de expansão de 73,2 quilômetros por segundo por megaparsec. O megaparsec é 3,26 milhões de anos-luz. A consequência desse ajustamento, no qual é difícil imaginar velocidades em distâncias inimagináveis, é que a distância entre objetos cósmicos vai dobrar em mais 9,8 bilhões de anos. O problema é que essas velocidades não correspondem a previsões para uma taxa de expansão de outras observações feitas do Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da Nasa, ou o Telescópio Espacial Planck. Ambos entraram em órbita para estudar o brilho do Big Bang, no qual o tempo, o espaço e a matéria foram criados. E ambos descobriam - cada um deles com uma medida diferente - previsões para a expansão cósmica, o primeiro, com 5% e o segundo, com 9%.
A mais recente descoberta também agita hipóteses sobre o que seria a coisa que não emite luz e nenhuma radiação e que preenche 95% do Universo.
Uma possibilidade para a discrepância é que o universo tem partículas subatômicas desconhecidas, semelhantes aos neutrinos, que viajam quase tão rápido quanto a velocidade da luz, a cerca de 186.000 milhas (300,000 km) por segundo.
Outra ideia é que a chamada "energia escura", uma misteriosa força anti-gravitacional descoberta em 1998, pode estar empurrando galáxias para longe uma da outra com mais força do que o inicialmente estimado.
"Isso pode ser uma pista importante para entender as partes do universo que compõem 95% de tudo e que não emitem luz, como a energia escura, matéria escura e radiação escura", disse Riess, no Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland.
Riess dividiu o prêmio Nobel de Física de 2011 pela descoberta de que a expansão do universo estava acelerando.
O universo mais rápido também levanta a possibilidade de que a teoria geral da relatividade de Einstein, que serve como o andaime matemático para o cálculo como os blocos de construção básicos da matéria interagem, está incompleta.
"Nós sabemos muito pouco sobre as partes escuras do universo, é importante medir como eles empurram e puxam o espaço ao longo da história cósmica", disse um membro da equipe, Lucas Macri do Texas A & M University.
A partir da esquerda: Hubble é usado para medir as distâncias de estrelas chamadas variáveis cefeidas. Seu brilho significa que eles podem ser usadas como pontos de referência cósmicos para medir distâncias a galáxias. Os astrônomos então observando galáxias que contêm Cefeitas e supernovas de tipo Ia, e determinar sua distância. Eles, então, procuram supernovas em galáxias mais remotas. O brilho de supernovas distantes são comparados para medir a distância que a expansão do universo podem ser vistos (a direita). Estas medições são comparadas com a forma com que a luz de supernovas é esticada pela expansão do espaço. Ilustração: A. Riess (STScI / JHU) e A. Feild (STScI) / NASA / ESA
Tal pesquisa tem uma longa história de revisão e atualização. Cálculos originais de Einstein para a relatividade geral pareciam prever que o universo estava se expandindo e - no qual ele supostamente descreveu mais tarde como seu maior erro - ele criou a chamada Constante Cosmológica para corrigir o que ele pensava ser seu maior erro. Em 1923, o grande astrônomo americano Edwin Hubble olhou através do que seria então o maior telescópio do mundo no que ele pensava que era uma nebulosa - nuvem de poeira - no céu da noite e percebeu que ele estava observando outro sistema estelar distante: o universo ilha da galáxia de Andrômeda. E dentro de dois anos, ele havia observado a assinatura de luz de galáxias se afastando, e propôs que em todo o universo, as galáxias mais distantes estavam se afastando umas das outras, a uma taxa maior.
Mas todas as observações astronômicas dependem da capacidade de calcular distâncias e de dar estimativas cada vez mais precisas de recessão galáctica. Quando o telescópio espacial Hubble foi lançado pela primeira vez em 1990, as estimativas da taxa de expansão cósmica variou por um fator de dois. Observações contínuas pareciam reduzir o intervalo com estimativas cada vez mais precisas.
Até 1998, os astrônomos pensavam que tinham capturado uma grande imagem. O universo estava se expandindo a uma taxa constante, mas ainda podia ser possível que a expansão pudesse travar, ou mesmo que o universo pudesse se contrair. Uma equipe de astrônomos observando uma classe de estrelas chamadas supernovas tipo 1a através de enormes distâncias percebeu que as mais distante não estavam apenas se afastando à taxa prevista: elas estavam acelerando como se estivesse sendo impulsionadas por uma força misteriosa apelidada brevemente de "antigravidade".
Esse foi o primeiro indício da chamada - por falta de um termo melhor - energia escura: uma força inexplicável que é susceptível de manter o universo em expansão para sempre. E foi nesse momento que os cosmólogos começaram a perceber que todo o gás, poeira, planetas, estrelas, galáxias e buracos negros somavam apenas cerca de 4% do universo.
Ele também levantaram a possibilidade de que, em um número inimaginável de anos no futuro, todas as outras galáxias se recuarão sobre algum horizonte cósmico, deixando a Via Láctea sozinha no universo visível, e sem objetos distantes para fornecer qualquer prova para acelerar expansão cósmica.
O mais recente avanço na velocidade de expansão universal baseia-se em todos estes elementos em um século de descoberta cosmológica. Riess e seus colegas fizeram a descoberta através da construção de um melhor critério cósmico para calcular distâncias. Eles usaram o Telescópio Espacial Hubble para medir um tipo particular de estrela, conhecida como variáveis cefeidas - as estrelas que deram Edwin Hubble e e seus colegas ao primeiro sinal de um universo em expansão - em 19 galáxias além da nossa própria Via Láctea.
O quão rápido essas estrelas pulsam está diretamente relacionado com o quão brilhante que elas são, o que por sua vez pode ser usada para calcular as distâncias. Eles também usaram o supernovas do tipo 1a como "velas padrão" e esta tem sido a classe de objetos que não só tem sido responsável por mais um avanço na velocidade, mas também tem especulado sobre a energia escura.
A pesquisa será publicada na próxima edição do Astrophysical Journal.
Via: The Guardian
A matéria escura é uma substância misteriosa que compõe a maior parte do universo material, agora, pensa-se amplamente que ela seja algum tipo de massa de partículas exóticas. Uma visão alternativa intrigante é que a matéria escura é feita de buracos negros formados durante o primeiro segundo da existência do nosso universo, conhecidos como buracos negros primordiais. Agora um cientista da NASA Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland, sugere que esta interpretação se alinha com o nosso conhecimento de fundo cósmico de infravermelho e raios-X e pode explicar as inesperadas massas elevadas de buracos negros em fusão detectados no ano passado.
Esquerda: Esta imagem do telescópio espacial Spitzer da NASA mostra uma vista de infravermelhos de uma área do céu na constelação de Ursa Maior. Direita: Depois de mascarar todas as estrelas e galáxias conhecidas e melhorar o que está à esquerda, aparece um fundo com brilho irregular. Este é o fundo infravermelho cósmico (CIB); cores mais claras indicam áreas mais claras. O brilho CIB é mais irregular do que pode ser explicado pela galáxias distantes, e este excesso de estrutura é pensado para ser a luz emitida quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos de idade. Os cientistas dizem que ele provavelmente se originou a partir dos primeiros objetos luminosos a se formarem no universo, que incluem tanto as primeiras estrelas quanto buracos negros.
"Este estudo é um esforço para reunir um amplo conjunto de idéias e observações para testar o quão bem eles se encaixam, e o ajuste é surpreendentemente bom", disse Alexander Kashlinsky, um astrofísico da NASA Goddard. "Se isso for correto, então todas as galáxias, incluindo a nossa, estão embutidas dentro de uma vasta esfera de buracos negros cada um com cerca de 30 vezes a massa do sol."
Em 2005, Kashlinsky liderou uma equipe de astrônomos da NASA usando o Telescópio Espacial Spitzer para explorar o brilho de luz infravermelha de fundo em uma parte do céu. Os pesquisadores relataram um aumento excessivo no brilho e concluíram que ele provavelmente foi causado pela luz agregada das primeiras fontes que iluminaram o universo a mais de 13 bilhões de anos atrás. Estudos de acompanhamento confirmaram que este fundo infravermelho cósmico (CIB) mostrou-se uma estrutura inesperada semelhante em outras partes do céu.
Em 2013, outro estudo comparou a forma do fundo de raios-X cósmicos (CXB) detectado pela Observatório de Raios-X Chandra da NASA em comparação com o CIB na mesma área do céu. As primeiras estrelas emitiram principalmente luz óptica e ultravioleta, que hoje foi esticada para o infravermelho pela expansão do espaço, de modo que não deve contribuir significativamente para o CXB.
No entanto, o brilho irregular de raios-X de baixa energia no CXB combinava com a patchiness do CIB muito bem. O único objeto que sabemos que podem ser suficientemente luminosa em toda esta vasta gama de energia é um buraco negro. A equipa de investigação concluiu que os buracos negros primordiais devem ter sido abundantes entre as primeiras estrelas, tornando-se, pelo menos, cerca de um em cada cinco das fontes que contribuem para a CIB.
A natureza da matéria escura continua a ser uma das questões pendentes mais importantes da astrofísica. Os cientistas favorecem atualmente modelos teóricos que explicam a matéria escura como uma partícula maciça exótica, mas pesquisas até agora não conseguiram provar se essas partículas hipotéticas realmente existe. NASA está atualmente investigando esta questão como parte de suas missões Alpha Magnetic Spectrometer e Fermi Gamma-ray Space Telescope.
"Esses estudos estão fornecendo resultados cada vez mais sensíveis, encolhendo lentamente a caixa de parâmetros, onde partículas de matéria escura podem se esconder", disse Kashlinsky. "O fracasso em encontrar-las levou ao interesse renovado em estudar o quão bem os buracos negros primordiais - buracos negros formados na primeira fracção de segundo do universo - podem se apresentar como matéria escura."
Os físicos têm descrito várias maneiras em que o universo em rápida expansão quente poderia produzir buracos negros primordiais nos primeiros milésimos de segundo após o Big Bang. Quanto mais velho o universo for, maiores os buracos negros podem ser. E, uma vez que a janela para criá-los dura apenas uma pequena fração do primeiro segundo, os cientistas esperam que os buracos negros primordiais exibiram uma estreita faixa de massas.
Em 14 de setembro, as ondas gravitacionais produzidas por um par de buracos negros que se fundiram a 1,3 bilhões de anos-luz de distância foram capturadas pelas instalações do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Este evento marcou a primeira detecção de ondas gravitacionais, bem como a primeira detecção direta de buracos negros. O sinal fornecido pelos cientistas do LIGO informaram que as massas dos buracos negros individuais tinham massa 29 e 36 vezes a do Sol, mais ou menos cerca de quatro massas solares. Estes valores foram inesperadamente grandes e surpreendentemente similares.
"Dependendo do mecanismo, buracos negros primordiais podem ter propriedades muito semelhantes ao que o LIGO detectou", explicou Kashlinsky. "Se assumirmos esse que a LIGO pegou uma fusão de buracos negros formados no início do universo, podemos olhar para as consequências que isso tem sobre a nossa compreensão de como o cosmos, em última análise, evoluiu."
Em seu novo paper, publicado em 24 de maio no The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analisa o que poderia ter acontecido se a matéria escura consistisse uma população de buracos negros semelhantes aos detectadoss por LIGO. Os buracos negros distorceriam a distribuição de massa no início do universo, adicionando uma pequena flutuação que geraria consequências centenas de milhões de anos mais tarde, quando as primeiras estrelas começassem a se formar.
Durante grande parte dos primeiros 500 milhões de anos do Universo, a matéria normal manteve-se quente demais para se aglutinar e formar as primeiras estrelas. A matéria escura não foi afetada pela alta temperatura, porque, seja qual for a sua natureza, ele interage principalmente por meio de gravidade. Com a agregação pela atração mútua, a matéria escura entrou em colapso pela primeira vez em aglomerados chamados minihalos, o que proporcionou uma semente gravitacional permitindo que a matéria normal se acumula-se. O gás quente entrou em colapso em direção aos minihalos, resultando em bolsões de gás denso o suficiente para cair ainda mais por conta própria para as primeiras estrelas. Kashlinsky mostra que, se os buracos negros desempenharem o papel de matéria escura, este processo ocorreria mais rapidamente e facilmente produziria as granulosidades do CIB detectadas em dados do Spitzer, mesmo que apenas uma pequena fração dos minihalos conseguissem produzir estrelas.
Como o gás cósmico caiu nas minihalos, seus buracos negros constituintes seriam naturalmente capturados por alguns eles. A matéria que cai em direção a um buraco negro aquece e, finalmente, produz raios-X. Juntas, a luz infravermelha a partir das primeiras estrelas e os raios-X a partir do gás caindo em buracos negros de matéria escura poderiam explicar a concordância observada entre o o CIB e o CXB.
Ocasionalmente, alguns buracos negros primordiais vão passar perto o suficiente para serem gravitacionalmente capturados em sistemas binários. Os buracos negros em cada um desses binários vão, ao longo de eras, emitirem radiação gravitacional, perderem energia orbital e em espiral para dentro, em última análise, fundirem-se um buraco negro maior, como o evento observado pela LIGO.
"Futuramente a LIGO vai nos dizer muito mais sobre a população de buracos negros no Universo, e não vai demorar muito para que possamos descobrir se o cenário de contorno I é suportado ou descartada", disse Kashlinsky.
Kashlinsky lidera a equipe científica centrada em Goddard, que está participando da Agência Espacial Europeia na missão Euclid, que atualmente está programada para ser lançada em 2020. O projeto, chamado Librae , permitirá que o observatório sonde as populações de origem na CIB com alta precisão e determinar o que porção foi produzido por buracos negros.
O centro de nossa galáxia é um lugar conturbado. Mas pode ser um dos melhores locais para caçar a matéria escura.
Quando você olhar para cima à noite, a Via Láctea aparece como um enxame de estrelas dispostas em uma faixa branca enevoada através do céu.
Mas a partir de uma perspectiva externa, nossa galáxia parece mais com um disco, com braços espirais de estrelas estendendo-se para fora no universo. No centro deste disco está uma pequena região em torno do qual todo o cata-vento da nossa galáxia gira, uma região repleta de fenômenos astronômicos exóticos que variam de matéria escura e estrelas recém-nascidas a um buraco negro supermassivo. Os astrônomos chamam esta região da Via Láctea centro galáctico.
É um lugar estranho, e os cientistas têm razão para acreditar que é um dos melhores lugares para caçar a matéria escura.
O Telescópio Espacial Spitzer fornece uma visão infravermelha da região do centro galáctico. Cedida por: NASA / JPL-Caltech / ESA / CXC / STScI
Fenômenos no coração de nossa galáxia
Nos anos 70, os cientistas criaram uma hipótese de que um buraco negro supermassivo podia estar escondido no centro da Via Láctea. Os buracos negros são pontos de espaço-tempo onde a gravidade é tão forte que nem mesmo a luz pode escapar.
Depois de décadas tentando identificar indiretamente o objeto misterioso no centro galáctico, traçando as órbitas de estrelas e gás, os astrônomos foram finalmente capazes de calcular a sua massa em 2008. Ele pesava mais de 4 milhões de vezes mais do que o Sol, tornando-se um primeiro candidato a buraco negro supermassivo.
Cerca de 10 por cento de todas as novas formações de estrelas ocorrem no centro da galáxia. Isso é estranho porque as condições locais produzem um ambiente extremo em que deve ser difícil para as estrelas a se formarem.
Os cientistas acreditam que pelo menos algumas das novas estrelas sendo formadas devem explodir e se transformar em pulsares, mas não estão vendo nenhum deles. Pulsares emitem um sinal pulsante regular, como um farol. Uma explicação preliminar para a aparente falta de pulsares no centro galáctico era de que os campos magnéticos poderia haver flexão suas ondas de rádio em seu caminho para nós, escondendo os seus sinais pulsantes. Mas, recentemente, os cientistas mediram a força dos campos e percebeu que a flexão foi muito menor do que tinham esperado. O mistério dos pulsares ainda permanece sem solução.
O centro galáctico também tem um notavelmente elevada concentração de raios cósmicos de alta energia de partículas carregadas que cruzam o espaço. Os cientistas ainda não entendem que essas partículas vêm ou como eles atinjem tais energias intensas.
O Telescópio Espacial Hubble, embora melhor conhecido por suas imagens de luz visível, também capturou uma imagem luz infravermelha do centro da galáxia (a mancha brilhante no canto inferior direito). Cedida por: NASA / JPL-Caltech / ESA / CXC / STScI
Caça à matéria escura
Sabemos que a Via Láctea está girando porque quando olhamos ao longo dela, vemos algumas estrelas se movendo em nossa direção e algumas estrelas se afastando. Mas a velocidade com que nossa galáxia gira é mais rápido do que deveria ser para a quantidade de matéria que podemos ver.
Isto leva os cientistas a acreditarem que há matéria localizada no centro da nossa galáxia que não podemos ver. Apesar de todas as outras coisas acontecendo lá, isso faz com que o núcleo da galáxia seja um terreno de caça perfeito para esta "matéria escura", uma substância invisível que compõe a maior parte da matéria no universo.
Os cientistas que procuram matéria escura tiram proveito do fato de que é provável que ela interaja com o próprio. Os pesquisadores prevêem que, quando partículas de matéria escura correm em direção a outras, elas se aniquilam. Eles acreditam que isso possa produzir um espectro característico de raios gama.
Ao longo dos últimos anos, os cientistas detectaram um excesso de raios gama do centro galáctico da Via Láctea. Muitos cientistas acreditam que este poderia ser um sinal muito forte para a matéria escura. Os eventos têm o aspecto esperado da forma com que a matéria escura parece, e o espectro de energia e a forma como os raios gama são concentrados assemelhar-se o que os cientistas pensam que sejam a matéria escura.
Outros cientistas acreditam que são pulsares, e não matéria escura, que criam este sinal. Porque o excesso parece estar concentrado, em vez de espalhado, os cientistas acreditam que poderiam ser provenientes de fontes compactas como uma população antiga de pulsares.
Para determinar se esse excesso é um sinal de matéria escura, os cientistas estão à procura de assinaturas semelhantes em outras partes do universo, em lugares como galáxias anãs. Essas pequenas galáxias são lugares mais limpos para procurar matéria escura com muito menos esforço, mas a contrapartida é que elas não produzem radiação gama suficiente.
Esta imagem Observatório de Raios-X Chandra distingue entre raios-X mais baixos de energia (rosa) e raios X de alta energia (azul). Cedida por: NASA / JPL-Caltech / ESA / CXC / STScI
Perscrutando o centro da galáxia
O centro galáctico é obscurecido de nossa vista por cerca de 25.000 anos-luz de poeira e gás, tornando-o difícil de observar no visível. Os cientistas têm levado a estudar diferentes comprimentos de onda, desde rádio até raios gama, para enfrentar a rica paisagem do centro galáctico. Dentre os instrumentos que vasculham o centro da galáxia, há alguns que vêem em diferentes comprimentos de onda.
O Observatório WM Keck, um observatório de dois telescópio perto do cume de um vulcão adormecido no Havaí, estuda centro galáctico no infravermelho. O Observatório de Raios-X Chandra, um observatório espacial lançado em 1999, observa centro galáctico em raios-X.
Os Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes são detectores colocados em terra para que os cientistas usem-os para estudar os raios gama a partir dos chuveiros atmosféricos que eles criam quando se quebra em nossa atmosfera. O Sistema Estereoscópico de Alta Energia, ou HESS, é a maior variedade do Telescópio Cherenkov do mundo e está localizado na Namíbia.
O Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi é outro observatório que os cientistas usam para investigar o centro galáctico. Este é um telescópio baseado em satélites que mapeiam todo o céu em comprimentos de onda de raios gama. Desde o seu lançamento em 2008, Fermi tem sido uma ferramenta importante na sondagem do conteúdo da galáxia interna, a partir de matéria escura para pulsares a buracos negros.
Quanto mais tempo esses instrumentos coletarem dados, mais nos aproximamos de descobrir a matéria escura e desembaraçar a confusão de maravilhas no centro da nossa galáxia.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Nosso universo é realmente muito simples, são apenas nossas teorias cosmológicas que estão sendo desnecessariamente complexas, argumenta um dos físicos teóricos mais importantes do mundo.
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| Este instantâneo a partir de uma simulação em computador da formação de estruturas de grandes dimensões no universo mostra os movimentos coerentes de galáxias fluindo para a concentração de massa mais elevada no centro. (A mancha de 100 milhões de anos-luz é mostrada.) |
Esta conclusão pode parecer contra-intuitiva; além do mais, para entender plenamente as verdadeiras complexidades da Natureza, é preciso pensar grande, estudar coisas em escalas mais finas e mais finas, adicionar novas variáveis de equações, e pensar em uma "novo" e "exótica" física. Eventualmente, vamos descobrir o que é a matéria escura; eventualmente nós vamos ganhar uma compreensão de onde as ondas gravitacionais estão se escondendo - e os nossos modelos teóricos serão mais avançados e muito mais ... complexos.
Mas não é bem assim, segundo Neil Turok, Diretor do Instituto Perimeter de Física Teórica, em Ontário, Canadá. Na lógica de Turok, alguma coisa, o Universo, em suas escalas maiores e menores, está nos dizendo que na verdade é incrivelmente simples. Mas, para compreender totalmente o que isso significa, vamos precisar de uma revolução na física.
Em entrevista ao Discovery News, Turok salientou que as maiores descobertas das últimas décadas confirmaram a estrutura do universo em escalas cosmológicas e quânticas.
"Nas maiores escalas, temos mapeado todo o céu - a radiação cósmica de fundo - e medimos a evolução do universo, a maneira que ele está mudando, a maneira que ele está se expandindo... e essas descobertas revelam que o universo é surpreendentemente simples," ele disse. "Em outras palavras, você pode descrever a estrutura do universo, sua geometria e a densidade da matéria... você pode essencialmente descrever tudo isso com apenas um número."
O resultado mais fascinante deste raciocínio é que descrever a geometria do universo com um número, é na verdade mais simples do que a descrição numérica do átomo mais simples. que conhecemos - o átomo de hidrogênio. A geometria do átomo de hidrogênio é descrita por 3 números, que surgem das características quânticas de um elétron em órbita ao redor de um próton.
"Basicamente isso nos diz que o universo é suave, mas tem um pequeno nível de flutuação, que descreve este número. E é isso. O universo é a coisa mais simples que conhecemos."
No extremo oposto da escala, algo semelhante aconteceu quando os físicos analisaram o campo de Higgs, usando a máquina mais complexa já construída pela humanidade, o Grande Colisor de Hádrons. Quando, em 2012, os físicos fizeram a descoberta histórica da partícula que medeia o campo Higgs, o bóson de Higgs, que acabou por ser o tipo mais simples de Higgs descrito pelo modelo padrão da física.
"A Natureza escapou com a solução mínima, o mecanismo mínimo que você poderia imaginar para dar as partículas a sua massa, sua carga elétrica e assim por diante e assim por diante," disse o Turok.
Física do século XX nos ensinou que quando você ganhar mais precisão e você investigar mais a fundo no reino quântico, descobrimos um zoo de novas partículas. Assim como os resultados experimentais geram uma recompensa de informação quântica, modelos teóricos preverão mais partículas e forças bizarras. Mas agora nós estamos alcançando uma encruzilhada onde muitos de nossos conceitos teóricos mais avançados sobre o que está "além" da nossa compreensão atual da física estão transformando alguns resultados experimentais que suportam suas predições.
"Nós estamos nessa situação bizarra, onde o universo fala conosco; está nos dizendo que é extremamente simples. Ao mesmo tempo, as teorias que têm sido muito populares (dos últimos 100 anos de física) tornaram-se cada vez mais complicadas e arbitrárias, disse ele.
Turok apontou para a teoria das cordas que foi anunciada como a "teoria final unificada," envolvendo todos os mistérios do universo em um pacote puro. Também, a busca de evidências de inflação - a rápida expansão do universo logo após o Big Bang a quase 14 bilhões anos atrás - sob a forma de primordiais ondas gravitacionais gravadas na radiação cósmica de fundo (CMB), ou o "eco" do Big Bang. Mas, a medida que procuramos evidências experimentais, só nos resta atirar no escuro proverbial; a evidência experimental simplesmente não concorda com nossas teorias irritantemente complexas.
Nossas origens cósmicas
O trabalho teórico do Turok centra-se em torno da origem do universo, um assunto que tem atraído muita atenção nos últimos meses.
No ano passado, a colaboração de BICEP2, que utiliza um telescópio localizado no Pólo Sul para estudar a CMB, anunciou a descoberta de sinais de primordiais de ondas gravitacionais no eco do Big Bang. Este é basicamente o "Santo Graal" da cosmologia - a descoberta de ondas gravitacionais que foram geradas pelo Big Bang confirmariam certas teorias inflacionárias do universo. Mas infelizmente, para a equipe de BICEP2, eles anunciaram a "descoberta" prematuramente e o telescópio espacial Planck Europeu (que também mapeia a CMB) revelou que o sinal de BICEP2 foi causado pela poeira na nossa galáxia e não antigas ondas gravitacionais.
E se essas ondas gravitacionais primordiais nunca forem encontradas?
Muitos teóricos que depositaram suas esperanças no Big Bang, seguido por um rápido período de inflação podem se decepcionar, mas de acordo com Turok, "vai ser uma pista muito poderosa" que o Big Bang (no sentido clássico) não pode ser o começo absoluto do universo.
"O maior desafio para mim tem sido descrever matematicamente, o Big Bang em si," adicionou Turok.
Talvez um modelo cíclico de evolução universal - onde nosso universo desmorona e ricocheteia novamente - pode encaixar melhor as observações. Estes modelos não necessariamente geram ondas gravitacionais primordiais, e se essas ondas não são detectadas, talvez nossas teorias inflacionárias precisam ser jogadas fora ou modificadas.
Quanto as ondas gravitacionais que estão previstas para serem geradas pelo movimento rápido de objetos massivos em nosso universo moderno, Turok está confiante de que estamos chegando um reino de sensibilidade que o nossos detectores de ondas gravitacionais vão detectá-las muito em breve, confirmando as previsões de um outro Espaço Tempo de Eistenin. "Esperamos ver as ondas gravitacionais de colisões de buraco negro dentro dos próximos 5 anos", disse ele.
A próxima revolução?
De maiores escalas para as escalas menores, o universo parece ser "escala livre" - em outras palavras, não importa se você estiver olhando para uma escala espacial ou de energia, pois o essencial é a escala "especial". E este achado sugere, na verdade, que o universo tem uma natureza muito mais simples do que as teorias atuais sugerem.
"Sim, é uma crise, mas é uma crise do melhor tipo," disse o Turok.
Então, para explicar a origem do universo e chegar a um acordo com alguns dos mistérios mais desconcertantes do nosso universo como matéria escura e energia escura, precisamos olhar para o nosso cosmos diferente. Mas isso vai exigir uma revolução na física, sua compreensão e ,possivelmente sua história, como fez Einstein dizendo que o espaço e o tempo são a mesma coisa quando ele formulou sua teoria da relatividade geral há 100 anos.
Especial de 100 anos da Teoria da Relatividade Geral
"Precisamos de uma visão muito diferente da física básica. "Este é o tempo para ideias radicais, novos, concluiu, ressaltando que este é um grande momento na história humana para os jovens entrem no campo da física teórica, formando a próxima geração que provavelmente vai transformar o forma como olhamos para o universo.
Traduzido e adaptado de LiveScience
Entre as milhares de galáxias brilhantes do cosmos distante que povoam muitas fotos do Telescópio Espacial Hubble, algumas são vazios pontos escuros que podem ser repletos de mais galáxias se pudéssemos vê-los. Agora, os astrônomos tomaram um outro olhar para essas zonas vazias e viram uma luz fraca de estrelas formadas apenas 500 milhões de anos após o Big Bang. Os novos resultados sugerem que esta luz vinha de algumas das primeiras galáxias já formadas, que podem ser 10 vezes mais numerosas do que se pensava anteriormente
A medida que fotógrafos montam um portfólio de melhores fotos, os astrônomos têm montado um novo e melhorado retrato da mais profunda imagem do universo jamais vista pela humanidade. Crédito: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, e P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), R. Bouwens (Universidade de Leiden), ea equipe da HUDF09
Esta chamada "luz extragaláctica de fundo" provavelmente data de cerca de 250 milhões de anos após o Big Bang. Logo após o nascimento do universo, o espaço foi preenchido com uma névoa quente e densa de gás ionizado. Mas ao longo de centenas de milhares de anos, o gás foi expandido e resfriado, permitindo que nuvens gigantes de hidrogênio e hélio entrassem em colapso e formassem as primeiras estrelas. Desde que estas primeiras estrelas surgiram, sua luz e toda a luz de gerações sucessivas de estrelas tem preenchido o Universo, criando um brilho difuso ao longo das profundezas mais obscuras de espaço.
Embora a radiação de fundo extragaláctica seja árdua para detectar de forma conclusiva, a luz vista nas fotos do Hubble parece ser a luz de fundo mais distante já vista. Usando dados da Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) e a Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), a equipe foi capaz de separar a luz das estrelas e galáxias posteriores, isolando a luz das primeiras estrelas.
O estudante de graduação Ketron Mitchell-Wynne, da Universidade da Califórnia, Irvine, e seus colegas observaram flutuações na intensidade dos pixels aparentemente escuros e vazios em fotos tiradas do Hubble de 2002 a 2012 para medir a primeira luz indescritível. As flutuações ajudaram-os a determinar estatisticamente que estavam vendo um sinal fraco associado com as primeiras estrelas e não apenas ruído. Eles, então, subtraíram qualquer luz adicionada pelas estrelas dentro de nossa galáxia, a luz adicionado pelas galáxias próximas, e até mesmo a luz adicionada pelas estrelas desonestas que foram arrancadas de suas galáxias hospedeiras e agora ocupam o espaço intergaláctico, até que ficassem com a luz exclusivamente a partir de início do universo.
"Realmente é um esforço heroico trazer à tona esse sinal", diz Pascal Oesch da Universidade de Yale, que não estava envolvido com o estudo.
A equipe calculou que há apenas uma chance de 0,8 por cento que sua medição esteja contaminado por luz de não-fundo. Para iniciar, as antigas estrelas são radicalmente diferente das estrelas que observamos hoje. Criadas a partir de apenas hidrogênio e hélio, elas tinham centenas de vezes a massa do Sol, eram mais brilhante e morriam mais rápido do que estrelas no universo próximo. "Pode ter havido um flash, quando essas primeiras estrelas e galáxias se formaram e, em seguida, queimaram muito rápido", diz o co-autor Matthew Ashby a partir do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. "Se nós pudermos quebrar essa luz de fundo extragaláctica, então devemos ver o eco de que o flash".
A equipe essencialmente viu este eco, mas só pode-se dizer que ele ocorreu nos primeiros 500 milhões de anos - coisa que poucos astrônomos já sabiam. Eles querem apontar o momento mais preciso porque estas estrelas massivas adiantadas mudaram drasticamente o destino do universo. Seus raios ultravioletas aqueciam o espaço circundante, eliminando de bolhas de gás no qual a energia dos raios retiravam todos os átomos de hidrogênio dos seus elétrons, convertendo-os a partir de átomos neutros de íons. Eventualmente, as bolhas cresceram e se uniram até que todo o universo fosse ionizado novamente, combinando seu estado após o Big Bang. Desde então, o universo manteve-se ionizado.
"Se nós descobríssemos que as galáxias não foram suficientes para fazer a reionização, então nós teríamos que ter outra explicação" diz Coe. Afinal, há 20 anos atrás, os astrônomos pensavam que núcleos galácticos ativos — brilhantes balizas criadas por buracos negros supermassivos engolindo material — produziu luz suficiente para reionizar o universo. A teoria não deu certo, e os astrônomos mudaram para um próximo melhor palpite: galáxias. O mesmo cenário pode acontecer de novo, diz Coe, e desta vez talvez realmente será algo exótico, como partículas de matéria escura. Talvez quando estas partículas mal compreendidas colidirem, elas liberariam energia e essa energia seria suficiente para reionizar o Universo. Coe tem o cuidado de dizer, no entanto, que todas as linhas de evidência ainda apontam na direção de galáxias.
Novas pistas virão quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado em 2018. De fato, a força da luz de fundo extragaláctica recém-detectada demonstra que o futuro observatório orbital deve ser capaz de detectar algumas das primeiras galáxias atualmente à espreita nessas tentadoras manchas escuras de espaço.
Scientific American
Muitos conhecem a frase "the big bang theory" ou "a teoria do big bang". Há ainda uma série de comédia de televisão com isso como o seu título. Segundo os cientistas, o universo começou com o "big bang" e expandiu para o tamanho que é hoje. No entanto, a gravidade de toda esta matéria, estrelas, gás, galáxias e a misteriosa matéria escura, tenta recompor o universo, diminuindo a expansão.
Agora, dois físicos na Universidade de Mississippi do Sul, Mead Lawrence e Harry Ringermacher, descobriram que o universo pode não só ser expandindo, mas também oscilando ou "tocando" ao mesmo tempo. Seu livro sobre o tema foi publicado na edição de abril de 2015 do Astronomical Journal.
Em 1978, Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson receberam o prêmio Nobel por sua descoberta de 1964 da assinatura chave desta teoria, a radiação primordial do universo primordial, conhecido como "radiação cósmica de fundo" (CMB).
"Em seguida, em 1998 a conclusão de que o universo estaria não só expandindo, mas aumentando sua velocidade ou acelerando sua expansão foi um choque quando descoberto simultaneamente por equipes de astrônomos e física da costa leste e costa oeste", disse Mead. "Uma nova forma de matéria, energia escura, repulsiva na natureza, seria responsável pelo aumento de velocidade. As equipes lideradas por Saul Perlmutter, Adam Riess, e Brian Schmidt ganharam o prêmio de Nobel de física de 2011 por esta descoberta."
Segundo Mead e Ringermacher, esta mudança que abrandou a aceleração (do tempo de transição) ocorreu há cerca de 6 a 7 bilhões de anos. Desde então, Mead e Ringermacher dizem que uma vasta acumulação de dados de alta tecnologia verificou a teoria com uma precisão extraordinária.
A Figura 1 (no início deste artigo) é um diagrama da NASA que representam os eventos do Big Bang desde o início dos tempos até os dias atuais como descrito pelo modelo atual, conhecido como "Lambda-CDM" ou matéria escura fria Lambda, onde o Lambda (do grego) significa a "Constante cosmológica" de Einstein. Essa constante cosmológica é responsável para a aceleração do universo. O contorno do universo "em forma de sino" representa o seu tamanho em expansão. O tempo de transição é o ponto no tempo em que a forma de sino desloca do interior para o exterior da esquerda para a direita.
"A nova descoberta sugere que o universo tem abrandado e acelerou-se, não apenas uma vez, mas 7 vezes nos últimos 13,8 bilhões de anos, em média, emulando a matéria escura no processo," disse Mead. "O zumbido tem sido decomposto e agora está muito baixo – é como bater com uma colher em um copo de cristal e ouvi-lo tocar."
Ringermacher diz que a descoberta foi feita acidentalmente quando, através da sua colaboração na modelagem de matéria escura de galáxias, eles encontraram uma nova maneira de plotar um gráfico típico clássico, descrevendo a escala do universo contra sua idade (tempo decorrido) que não depende da escolha prévia dos modelos do universo – como era tradicionalmente feito.
"O gráfico padrão, o diagrama de Hubble, é construído pelos astrônomos, observando as distâncias de Supernovas tipo Ia, que servem como "velas padrão" para medir a expansão do universo", disse Ringermacher. "Analisando este novo enredo para localizar o tempo de transição do universo, descobrimos que havia mais do que uma dessas tempo -, De fato, várias oscilações com uma frequência de cerca de 7 ciclos durante a vida útil do universo e o próprio espaço que tem acelerado sua expansão seguido por 7 abrandamentos desde a criação ".
Mead e Ringermacher dizem que essa descoberta, finalmente, deve ser verificada por análises independentes, de preferência com novos dados de supernovas, para confirmar a sua realidade. Entretanto, continua seu trabalho para o "toque" do universo .
Traduzido e adaptado de Phys
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