562: O arrefecimento precoce do Universo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/ASTROFÍSICA

Um olhar para o passado: A radiação cósmica de micro-ondas (esquerda) foi libertada 380.000 anos após o Big Bang e serve de pano de fundo para todas as galáxias no Universo. A galáxia “starburst” HFLS3 (centro) está embebida numa nuvem de vapor de água fria e aparece como era 880 milhões de anos após o Big Bang. Devido à sua baixa temperatura, a água lança uma sombra escura sobre o fundo do micro-ondas (ampliação de detalhe à esquerda). Isto representa um contraste cerca de 10.000 vezes mais forte do que as suas variações intrínsecas de apenas 0,001% (manchas claras/escuras).
Crédito: ESA e Colaboração Planck; painel ampliado: Dominik Riechers/Universidade de Colónia; composição da imagem: Martina Markus/Universidade de Colónia

Um telescópio nos Alpes franceses permitiu que os investigadores “mergulhassem” profundamente no passado do Universo. Pela primeira vez, puderam observar uma nuvem de hidrogénio extremamente distante que ensombra a radiação cósmica de fundo criada pouco depois do Big Bang. A sombra é criada porque a água, mais fria, absorve a radiação de fundo mais quente no seu caminho para a Terra. Isto fornece informações sobre a temperatura do cosmos apenas 880 milhões de anos após o Big Bang. Para medir a história inicial do Universo, uma equipa internacional utilizou o NOEMA (Northern Extended Millimetre Array), o mais poderoso radiotelescópio do hemisfério norte.

O Universo surgiu há cerca de 13,8 mil milhões de anos com o Big Bang. Nessa altura, um nevoeiro quente e denso de radiação e partículas elementares ondulavam no espaço, espaço este que se expandia rapidamente. A densidade e a temperatura diminuíram com a mesma rapidez, e as partículas de luz (fotões) perderam cada vez mais energia. Após cerca de 380.000 anos, este plasma tinha arrefecido para 3000 K. Foi então possível a criação de átomos estáveis. E os fotões tiveram caminho livre e assim sendo espalharam-se pelo espaço. O cosmos tornou-se transparente, por assim dizer.

O Universo tem vindo a expandir-se desde o Big Bang. Esta radiação de fundo emitida 380.000 anos mais tarde arrefeceu até 2728 K (-270,42º C). Pode ser observada no micro-ondas com radiotelescópios ou satélites. Mas como ocorreu exactamente este processo de arrefecimento? Se pudéssemos medir a temperatura em diferentes momentos da história cósmica, poderíamos reconstruir a história da expansão do Universo. Isto poderia fornecer informações sobre a energia escura que está a afastar o cosmos.

É aqui que entra em jogo a recente observação com o NOEMA. Esta instalação do IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique) consiste em doze antenas de 15 metros apontadas para o objecto HFLS3. Atrás dele encontra-se uma galáxia “starburst” – uma jovem galáxia parecida com a Via Láctea que se encontra numa violenta fase de formação estelar. A luz que recebemos hoje de HFLS3 partiu quando o Universo tinha apenas 880 milhões de anos. Nesta galáxia, havia uma vasta e fria nuvem de vapor de água.

Ao observar esta nuvem, ocorreu um efeito que os investigadores conhecem do Sol e das estrelas. Acima das camadas mais quentes e profundas de gás, existem normalmente camadas mais frias através das quais a luz tem de se apressar. Isto cria linhas de absorção no espectro – certos comprimentos de onda em que a luz das estrelas perto da superfície é absorvida pelas camadas mais altas e mais frias. Quando os astrónomos observam o espectro em forma de arco-íris de uma estrela, estas linhas de absorção aparecem na realidade como sombras mais escuras, em forma de linha.

No caso da galáxia “starburst” HFLS3, a radiação cósmica de fundo actua como uma fonte de luz que se encontra atrás da galáxia, do ponto de vista do observador. A sombra é criada porque a água mais fria da nuvem galáctica absorve a radiação de micro-ondas mais quente a caminho da Terra. Como a temperatura da água pode ser extrapolada a partir de outras propriedades observáveis da galáxia, a diferença indica a temperatura da radiação cósmica de fundo nesse momento. É cerca de seis vezes mais elevada do que no Universo actual.

Com base nas suas observações, os astrónomos concluíram que a radiação de fundo deve ter tido uma temperatura entre 16,4 e 30,2 K nessa altura. Isto é consistente com a temperatura de 20 K prevista pelos actuais modelos cosmológicos para 880 milhões de anos após o Big Bang. Tendo em conta a ligação directa entre o arrefecimento da radiação de fundo e a história de expansão do Universo, esta é uma indicação importante de que estes modelos são consistentes.

“A descoberta não só fornece evidências de arrefecimento como também nos mostra que o Universo tinha algumas propriedades físicas específicas que já não existem actualmente,” diz Dominik Riechers do Instituto de Astrofísica da Universidade de Colónia, autor principal do artigo científico publicado na revista Nature.

De acordo com Riechers, isto fornece informações únicas acerca do Universo jovem. “Cerca de 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang, o fundo de micro-ondas encontrava-se demasiado frio para observar este efeito”. Se existisse hoje uma galáxia com propriedades idênticas a HFLS3, a sombra da água não seria observável porque o contraste de temperatura necessário já não existiria.

“Este é um marco importante que não só confirma a esperada tendência de arrefecimento para uma época muito mais precoce do que anteriormente possível, como também pode ter implicações directas na natureza da misteriosa energia escura,” diz Axel Weiß do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, segundo autor do artigo. “Vemos um Universo em expansão em que a densidade da energia escura não muda.”

Pensa-se que a energia escura seja uma das causas da expansão acelerada do Universo ao longo dos últimos mil milhões de anos. No entanto, as propriedades da energia escura continuam a ser mal compreendidas porque não podem ser observadas directamente com as instalações e instrumentos actualmente disponíveis. No entanto, estas propriedades influenciam o desenvolvimento da expansão cósmica e, consequentemente, o ritmo de arrefecimento do Universo desde o Big Bang até aos dias de hoje.

Depois de ter localizado uma nuvem fria de água a uma distância tão grande, a equipa decidiu agora encontrar muitas mais no céu. O objectivo aqui é mapear o arrefecimento da radiação cósmica de fundo nos primeiros 1,5 mil milhões de anos da história do Universo. “Graças à nova técnica possibilitada pelo interferómetro NOEMA, podemos agora estudar processos físicos no Universo primitivo que nos escaparam até agora,” diz o co-autor Fabian Walter do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg.

O cientista do projecto NOEMA, Roberto Neri, acrescenta: “A nossa equipa está a prosseguir este projecto estudando o ambiente de outras galáxias”. Com as melhorias de precisão esperadas das análises de amostras maiores de nuvens de água, resta saber se a nossa compreensão actual e fundamental da energia escura se vai aguentar.

Astronomia On-line
11 de Fevereiro de 2022

 



 

431: O interior da Terra está a arrefecer mais depressa do que pensávamos (e vai causar estragos)

CIÊNCIA/GEOFÍSICA/TERRA

A Terra formou-se há cerca de 4,5 mil milhões de anos e, desde então, tem vindo a arrefecer lentamente a partir do seu interior.

De acordo com o Science Alert, enquanto as temperaturas da superfície e da atmosfera vão aumentando, devido ao aquecimento global, o interior do planeta tem estado a arrefecer.

O “coração” da Terra é o que gera o seu vasto campo magnético, uma estrutura invisível que os cientistas acreditam proteger o nosso planeta e permitir que a vida seja possível.

Além disso, pensa-se que a convecção do manto, a actividade tectónica e o vulcanismo ajudam a sustentar a vida através da estabilização das temperaturas globais e do ciclo do carbono.

Como o interior da Terra ainda está a arrefecer, e assim se prevê que continue, vai eventualmente acabar por solidificar, e cessar a actividade geológica, possivelmente transformando a Terra numa rocha estéril, semelhante a Marte ou Mercúrio.

Um novo estudo, publicado em Janeiro na ScienceDirect, revela que isso poderá acontecer mais cedo do que pensávamos.

A explicação pode ser um mineral na fronteira entre o núcleo exterior de ferro-níquel da Terra, e o manto inferior do fluido derretido acima dele.

Este mineral chama-se bridgmanite, e a rapidez com que conduz o calor influencia a velocidade com que o calor penetra no núcleo e sai para dentro do manto.

Determinar essa taxa não é tão simples como testar a condutividade da bridgmanite em condições atmosféricas ambientais.

A condutividade térmica pode variar com base na pressão e temperatura, que são bastante diferentes no interior do nosso planeta.

Para resolver este problema, uma equipa de especialistas, liderada pelo cientista planetário Motohiko Murakami, da ETH Zurique, irradiou um único cristal de bridgmanite com lasers pulsados, aumentando a sua temperatura para 2.440 Kelvin, e a pressão para 80 gigapascals.

Estas são as condições que os cientistas acreditam existirem no manto inferior — até 2.630 Kelvin e 127 gigapascals de pressão.

“Este sistema de medição permite-nos mostrar que a condutividade térmica da bridgmanite é cerca de 1,5 vezes superior à suposta”, referiu Murakami.

Por sua vez, o fluxo de calor do núcleo para o manto é mais elevado do que se pensava, o que mostra que o ritmo a que o interior da Terra está a arrefecer é mais rápido do que se previa.

E o processo pode estar a acelerar. Quando arrefece, a bridgmanite transforma-se noutro mineral, chamado pós-perovskite, que é ainda mais condutivo termicamente e, portanto, aumentaria a taxa de perda de calor do núcleo para o manto.

“Os resultados do estudo dão-nos uma nova perspectiva sobre a evolução da dinâmica da Terra”, salientou Murakami. “Sugerem que a Terra, tal como os outros planetas rochosos Mercúrio e Marte, está a arrefecer e a ficar inactiva muito mais rapidamente do que o esperado”.

O quão mais depressa, já é um factor desconhecido. O arrefecimento de um planeta inteiro não é algo que se compreenda muito bem.

Marte está a arrefecer um pouco mais depressa, porque ser significativamente mais pequeno do que a Terra, mas há outros factores que podem desempenhar um papel na rapidez com que o interior do planeta arrefece.

Por exemplo, a decomposição dos elementos radioactivos pode gerar calor suficiente para sustentar a actividade vulcânica.

Esses elementos são uma das principais fontes de calor no manto terrestre, mas a sua contribuição carece de estudos mais aprofundados.

“Ainda não sabemos o suficiente sobre este tipo de eventos para definir o seu calendário”, sublinhou Murakami.

No entanto, não deve ser um processo rápido em escalas humanas. Na verdade, é possível que a Terra se torne inabitável por outros mecanismos muito antes disso.

Por esse motivo, talvez tenhamos um pouco de tempo para trabalhar mais sobre o problema para o resolver.

  ZAP //

ZAP
21 Janeiro, 2022