O Efeito Doppler

O Universo em que vivemos está expandindo. Sabemos disso porque vemos galáxias e grupos de galáxias se afastando progressivamente no universo. Esta expansão tem ocorrido desde que o universo foi formado há 14 bilhões de anos em um evento muito quente, denso conhecido como o Big Bang.
O espaço e o tempo foram criados no Big Bang. No início do universo, o espaço foi totalmente preenchido com a matéria. A matéria era originalmente muito quente e muito densa e então se expandiu e esfriou para eventualmente produzir as estrelas e galáxias que vemos hoje no universo.
Não se sabe o que existia antes do Big Bang. Esta questão é difícil de responder. Algumas teorias sugerem que nosso universo é parte de uma infinidade de universos (chamados de um multiverso), que estão sendo continuamente criados. Isto é possível mas muito difícil de provar.

Como sabemos que as galáxias estão se afastando ?
Vejamos um exemplo: Você já ouviu o apito de um trem em movimento, o que a acontece quando esse trem se distancia mais de você ? O som do apito parece diferente embora não seja diferente, é o mesmo som. É uma consequência do Efeito Doppler . Quando o trem se afasta do ouvinte, as cristas das ondas sonoras são “esticadas” ou deslocadas, resultando em um tom mais baixo. Quanto mais rápido o trem se afasta, mais esticado as ondas se tornam. O mesmo vale para qualquer objeto emissor de onda, quer se trate de ondas sonoras, ondas de luz ou ondas de rádio.Por outro lado, o comprimento de onda de objetos que estão se aproximando de nós são mais curtos do que aqueles emitidos por um objeto em repouso.

Átomos emitem ou absorvem a luz em comprimentos de onda característicos: hidrogênio, hélio, e todos os outros elementos atômicos têm seus próprios espectro ou assinatura. Na primeira metade deste século, Vesto Slipher estava estudando os espectros de luz emitida a partir de galáxias próximas. Ele notou que a luz vinda de muitas galáxias eram deslocadas para o comprimento de onda vermelho, isto é, no final do espectro. A interpretação mais simples desta “mudança” foi que as galáxias estavam se afastando de nós, como no Efeito Doppler .

Se medirmos a mudança do espectro de uma estrela, sabemos que se aproximam ou se afastam de nós. Mas esta mudança é para o vermelho, indicando que o foco da radiação ta indo embora. Isso é interpretado como uma confirmação da expansão do universo.
No começo parece que as galáxias estão se afastando da Via Láctea em todas as direções, dando a impressão de que nossa galáxia é o centro do universo.

Este efeito é devido à forma como o Universo se expande. É como se a Via Láctea e outras galáxias estivessem localizados em pontos na superfície de um balão. Inflando o balão todos os pontos se distanciariam de nós. Se mudarmos a nossa posição em qualquer um dos outros pontos e realizássemos a mesma operação, observaríamos a mesma coisa.
Lembrando que o efeito Doppler também pode ser aplicado à Luz, portando é só transportar a ideia das ondas sonoras para as ondas eletromagnéticas…
Assista ao vídeo:

A Matéria Escura

Sistemas extragalácticos como galáxias espirais e aglomerados de galáxias apresentam discrepâncias em relação a massa. A aplicação da Lei da Gravitação de Newton para as estrelas observadas não consegue explicar os movimentos rápidos desses corpos. Isso leva à conclusão de que alguma forma de massa invisível, a Matéria Escura, domina a dinâmica do universo.
A matéria escura é a coisa mais misteriosa e enigmática sonhada pelos cosmólogos para explicar por que as galáxias não saem “voando” por ai. Para explicar o universo que vemos, temos que entender que a matéria escura ocupa mais que 85% de toda a matéria do Universo. Mas não emite luz ou se comunica com a matéria comum, exceto por gravidade.
Muitos físicos acreditam que a matéria escura é feita de WIMPs (veremos mais adiante).
Wimp é uma partícula subatômica hipotética de grande massa que interage fracamente com a matéria comum através de gravitação.

Sabemos que toda matéria do Universo conhecido é feita de átomo, mas tem algo estranho nessa afirmação. Os cientistas resolveram fazer um levantamento da massa existente no cosmo. Sabemos a quantidade de matéria comum existente no Universo, partículas elementares como elétrons e prótons, mas essas medidas não batem, ou seja, fica muito longe da massa total do Universo. Então chegou-se a uma conclusão que a maioria da matéria do Universo não era só feita de prótons, elétrons e outras partículas subatômicas conhecidas. É difícil de entender, mas o Universo é composto na sua minoria pela matéria comum, com nas estrelas, planetas, eu ou você, isto é, somos feitos de um tipo de matéria que nem de perto é o tipo de matéria que constitui a maioria do Universo… ai é que entra os WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles ou partículas maciças de interação fraca). O problema é que ninguém detectou (ainda), essa partícula em laboratórios. Estudos estão sendo feitos no Grande Colisor de Hádrons em Genebra. Se a ciência conseguir encontrar evidências de matéria escura, será que encontraremos também evidências de outros mundos…?
Alguns cientistas argumentam que a matéria escura não seja “outra coisa”, mas sim, porque simplesmente esta em outro lugar, como em outras dimensões. Nós não conseguimos ver essas dimensões e nem interagimos com elas, logo, é o lugar mais apropriado para a existência dessa matéria escura. A influência gravitacional que atribuímos à matéria escura no nosso Universo na verdade seria uma concentração de matéria em outro Universo, que são sentidas em nossas dimensões, mas que nunca serão descobertas em nossas dimensões porque estão em outro lugar. Seja la onde está a matéria escura, um dia teremos uma solução para essa questão a não ser que ela (partícula) exista em em um tamanho incrivelmente pequeno bem alem de nossa imaginação, mas o que pode ser menor que partícula como Quarks ou elétrons…? Todas essas partículas teriam diferentes modos vibracionais de uma pequena entidade chamada “Corda”, portanto a menor “coisa” que compõe a matéria. Antes de falar nas “Cordas”, vamos entender alguns detalhes desse infinitamente pequeno Universo:

O Universo em escalas menores que o elétron é um um território vasto e inexplorado, mais até que planetas galáxias e até do Universo, porque nós podemos fazer observações de planetas, estrelas de galáxias, mas é difícil realizar experimentos que nos permitam explorar diretamente minusculas dimensões de tempo e espaço.

Em física, a escala de Planck refere-se tanto a um escala de energia muito grande (1,22 x 10E 19 GeV) ou uma escala de tamanho muito pequeno (1,616 x 10E -35 metros), onde os efeitos quânticos da gravidade se tornam importantes para descrever as interações de partículas. Na escala de tamanho de Planck, a incerteza quântica é tão intensa que conceitos como localidade e causalidade tornam-se menos significativo. Os físicos de hoje estão muito interessados em aprender mais sobre a escala de Planck, porque ainda não existe uma teoria quântica da gravidade. O físico capaz de chegar a uma teoria quântica da gravidade seria praticamente o ganhador do prêmio Nobel. Dá uma olhada no vídeo...Ok

A Antimatéria

Até a poucos anos a Antimatéria era considerada assunto para filmes de ficção cientifica, mas muita coisa mudou. Eu me lembro de um livro que li no início da década de 70 “O planeta das possibilidades impossíveis” e já tratava disso…foi meu primeiro contato com essa “coisa” chamada Antimatéria…!!!

O que é Antimatéria ?
Para cada tipo de partícula de matéria que encontramos no universo, também existe uma partícula de antimatéria correspondente, ou antipartícula.
As antipartículas se comportam como partículas de matéria correspondentes, exceto que eles têm cargas opostas. A diferença entre essas duas “formas” de matéria é mais elementar do que parece. O que chamamos de matéria é tudo o que é composto de prótons (partículas sub-atômicas com carga positiva), elétrons (partículas sub-atômicas de carga negativa) e nêutrons (partículas sub-atômicas sem carga). Todas essas partículas formam o que chamamos de átomos. No átomo, os prótons e nêutrons formam o núcleo, e os elétrons orbitam o núcleo assim como um planeta em torno de uma estrela.

Na antimatéria, as cargas de cada partícula são inversas. Em vez de um próton, o seu equivalente antimatéria é chamado de anti-próton com uma carga negativa. Em vez de um elétron, o seu equivalente antimatéria é chamado um pósitron, com uma carga positiva. O anti-nêutron, compartilha as mesmas características.
Quando a antimatéria entra em contato com a matéria, essas partículas iguais, mas opostas, colidem para produzir uma explosão emitindo grande quantidade de radiação pura, que é emanada a partir do ponto da explosão à velocidade da luz. Ambas as partículas que criaram a explosão são totalmente aniquiladas, deixando para trás outras partículas subatômicas. A explosão que ocorre quando antimatéria e matéria interagem, transforma toda a massa de ambos os objetos em energia.

Sabemos muito pouco ou quase nada sobre a antimatéria. O que mais intriga os cientistas é o porquê, no início do Universo, ter havido uma predileção da natureza pela matéria. Após o Big Bang, matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais, o que levaria a uma aniquilação total. Mas isso não aconteceu, a matéria ainda existe como podemos “ver”. Nosso universo é o que sobrou da aniquilação de matéria e antimatéria. A natureza deu preferência para a matéria, bem menos de 1%. Esse menos de 1% que sobrou é o que formou todo o Universo. E o restante…?

É possível que algum processo, de origem desconhecida, tenha provocado uma separação entre a matéria e a antimatéria. Neste caso existiriam regiões do universo em que a antimatéria e não a matéria seria mais abundante. Seriam necessárias algumas experiências no espaço para procurar essas regiões. No entanto, como até hoje não se conhece um processo capaz de gerar tal separação, a maioria dos cientistas não acredita nessa hipótese.
Existe a possibilidade de que a natureza trate de forma ligeiramente diferente a matéria e a antimatéria. Se isto for verdade, seria possível que uma pequena fração da matéria inicialmente gerada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Há resultados experimentais e teóricos que apontam nesta direção.
Vivemos num mundo aparentemente formado unicamente por matéria, apesar de antes do Big Bang (a explosão que deu origem ao Universo há 14 bilhões de anos) a matéria e a antimatéria existiram na mesma proporção.
Portanto, conhecer a estrutura do antiátomo é penetrar no desconhecido e desafiar as leis vigentes da física.

Lente Gravitacional

Vamos imaginar um objeto brilhante como uma estrela, uma galáxia, ou um quasar que estão muito distantes da Terra (10.000 milhões de anos-luz ). Para a nossa observação, vamos imaginar que temos um quasar. Se não há nada entre ele e nós, vemos uma imagem do quasar. No entanto, se uma enorme galáxia (ou aglomerado de galáxias ) está bloqueando a visão direta para o quasar, a luz será dobrado pelo campo gravitacional ao redor da galáxia. Isso é chamado de “lente gravitacional”. Mas em vez de criar uma única imagem do quasar, a lente gravitacional cria várias imagens. Nós seguimos os raios de luz, aqui da Terra para observar os locais aparentes do quasar. Se a galáxia fosse perfeitamente simétrica em relação à linha entre o quasar e a Terra, então veríamos um anel de quasares…

A Lente gravitacional funciona de forma análoga e é um efeito da teoria da relatividade geral de Einstein ou simplesmente, a massa curva a luz. O campo gravitacional de um objeto de grande massa vai estender-se muito no espaço, e fazer com que os raios de luz que passam próximo ao objeto (e, portanto, por meio de seu campo gravitacional) se dobrem reorientado-se em outro lugar. Quanto mais massivo o objeto, mais forte é o campo gravitacional e, portanto, maior a curvatura dos raios de luz.

Quais são os efeitos de uma lente gravitacional?
O tipo de lente gravitacional que os cosmólogos se interessam é somente em grande escalas. Quando os astrônomos olham uma imagem em um telescópio de uma parte qualquer do céu noturno, muitas galáxias serão visíveis nessa imagem. No entanto, entre a Terra e as galáxias existe uma entidade misteriosa chamada matéria escura. A matéria escura é invisível, mas tem massa, cerca de 85% da massa do Universo. Isto significa que os raios de luz que vêm para nós de galáxias distantes vão passar pelo campo gravitacional da matéria escura e, portanto, vai ser dobrado pelo efeito de lente gravitacional.

A Matéria Escura é encontrada onde quer que a matéria “normal”, exista, isto é, a matéria que compõe as galáxias. Por exemplo, um grande aglomerado de galáxias irá conter uma quantidade muito grande de matéria escura, que existe dentro e ao redor das galáxias que compõem o conjunto. A luz vinda de galáxias mais distantes que passa perto de um aglomerado pode ser distorcida pela sua massa. É a matéria escura no aglomerado que faz quase todo o efeito de uma lente gravitacional. Os efeitos podem ser muito forte e muito estranho, as imagens das galáxias distantes, com lentes são esticadas e puxadas em arcos. Isto pode ser visto na imagem abaixo da famosa Abell 2218 cluster. As galáxias reais não são desta forma, são geralmente elíptica ou em forma de espiral elas só aparecem desta maneira por causa da lente.
Esta distorção da forma estranha vem do fato de que galáxias são objetos de grandes dimensões, e os raios de luz que saem de um lado da galáxia (por exemplo, o lado esquerdo do nosso ponto de vista) vai passar através de uma parte diferente do espaço do que os raios de luz do o outro lado (por exemplo, o lado direito). Os raios de luz, portanto, passam por diferentes partes do campo gravitacional da matéria escura e serão dobrado de forma ligeiramente diferente.

O efeito disso é uma distorção da forma da imagem da galáxia, que pode, em alguns casos, ser muito grande. Outro efeito interessante que pode ocorrer é a formação de imagens múltiplas da mesma galáxia. Isso ocorre porque os raios de luz de uma galáxia distante pode ser focado em conjunto por uma lente gravitacional. Do ponto de vista de um observador na Terra, parece que dois raios de luz muito semelhantes viajam ao longo de linhas retas de diferentes partes do céu. Podemos ver mais do que uma imagem da galáxia mesmo em lugares diferentes.

Um exemplo de múltiplas imagens é mostrado em uma imagem do Telescópio Espacial Hubble (acima). Há três imagens da mesma galáxia, e cinco imagens de um quasar. As imagens não são da mesma forma ou tamanho, porque cada imagem vai percorrer uma região diferente do espaço em sua jornada até nós, e, portanto, terá sido distorcido de forma diferente. Uma técnica conhecida como espectroscopia é usado para determinar quais as imagens vieram da mesma galáxia.

Espectroscopia e Astronomia

Uma das maneira de se obter informações sobre a composição química de estrelas e galáxias distantes é analisando a luz recebida dessas estrelas e galáxias. A espectroscopia nos permite obter essas informações, decompondo a luz emitida por esses objetos em um espectro de frequências. A espectroscopia também nos permite determinar seu movimento, através do efeito Doppler.Vamos lembrar de uma experiência bem simples que usa um prisma para decompor a luz branca e que é o principio usado em espectroscopia (figura abaixo).

O que é um Espectroscópio ?
Os espectroscópios decompõe a luz emitida ou absorvida por elementos químicos em linhas específicas de cor. Cada elemento químico tem uma “assinatura” que pode ser usado para identificá-lo. Essas assinaturas são geralmente produzidos quando os elétrons saltam nos níveis orbitais de energia (salto quântico). Energias diferentes produzem diferentes linhas coloridas.

Cada elemento químico na tabela periódica tem a sua própria assinatura espectral que o identifica. Ao olhar para os espectros de objetos como estrelas e atmosferas planetárias, é fácil identificar os elementos químicos presentes, combinando as linhas coloridas espectrais com a assinatura espectral do elementos químico.

Em química analítica existe um teste chamado “teste da chama” (figura acima). É usado para determinar visualmente a identidade de um metal ou um sal desconhecido com base na sua cor característica quanto é colocado em uma chama de um bico de Bunsen. O calor da chama excita os íons desse sal, levando-os a emitir luz visível. Os espectros de emissão característica pode ser utilizado para diferenciar esse sal entre outros elementos. Veja a tabela abaixo:

Elemento                           Cor
(As) Arsênico—————Azul
(B) Boro———————-Verde brilhante
(Ba) Bário——————–Pálido / verde amarelado
(Ca) Cálcio——————-Laranja para vermelho
(Cs) Césio——————–Azul
(Cu) Cobre——————-Azul
(Fe) Ferro——————-Ouro
(In) Índio——————-Azul
(K) Potássio—————–Lilás para vermelho
(Li) Lítio——————— Magenta para carmim
(Mg) Magnésio————–Branco brilhante
(Mn) Manganês————-Verde amarelado
(Mo) Molibdênio———–Verde amarelado
(Na) Sódio——————-Amarelo intenso
(P) Fósforo——————Verde azulado pálido
(Pb) Chumbo—————-Azul
(Rb) Rubídio—————-Vermelho para roxo-vermelho
(Sb) Antimônio————-Verde pálido
(Se) Selênio——————Azure azul
(Sr) Estrôncio—————Carmesim
(Te) Telúrio—————–Verde pálido
(Tl) Tálio——————–Pure verde
(Zn) Zinco——————Verde azulado para verde esbranquiçado

A figura abaixo mostra algumas “assinaturas” espectrais de alguns elementos químicos.