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A eterna expansão: supernovas, o destino do Universo e o Nobel da Física de 2011

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Ana Mourão, professora do IST e investigadora do CENTRA.

O Prémio Nobel da Física de 2011 foi recentemente atribuído a Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt pela sua descoberta da expansão acelerada do universo, através da observação de supernovas distantes.Para compreender melhor a essência e o impacto deste trabalho, conversámos com Ana Mourão, professora do Departamento de Física do Instituto Superior Técnico e investigadora do CENTRA - Centro Multidisciplinar de Astrofísica, que tem trabalhado nesta área. 

Em que medida é que o trabalho dos três premiados deste ano revolucionou a física actual?

O trabalho dos três premiados - Saul Perlmutter, líder do Supernova Cosmology Project, Adam Riess e Brian Schmidt do High-z Supernova Team - demonstrou que a expansão do universo é uma expansão acelerada. E também é necessária a existência de uma forma de energia, a que se chama energia escura, que seja responsável pela aceleração. Esta descoberta, totalmente inesperada, veio contradizer os modelos sobre a evolução do universo aceites pela maioria da comunidade científica durante mais de 60 anos.

Até hoje, passados mais de 10 anos, continuamos sem perceber essa energia que faz o universo expandir de um modo acelerado. É por isso uma descoberta revolucionária, de impacto ainda incalculável na cosmologia e, arrisco a dizer, na física fundamental. 

Note-se que a expansão do universo é conhecida desde o início do séc. XX, graças ao estudo de espectros de galáxias. Em 1914 Vesto Slipher anunciou que observava um desvio para o vermelho nas riscas espectrais da maioria das galáxias. Estes resultados, combinados com as observações de Edwin Hubble e do seu colaborador Milton Humason no Observatório do Monte Wilson, levaram Hubble a enunciar, em 1929, a lei da expansão universal. Esta lei é hoje conhecida como a lei de Hubble. Segundo Hubble, as galáxias afastam-se de nós a uma velocidade que é proporcional à distância a que se encontram: quanto mais longínquas, maior a velocidade de afastamento. 

A lei de Hubble teve implicações nos modelos de origem e evolução do universo. Os astrofísicos acreditam que o universo teve origem no Big Bang, e desde então está a expandir-se. Até aos resultados pioneiros de Perlmutter, Riess e Schmidt, o modelo aceite era que a expansão seria cada vez mais lenta (desacelerada). A gravitação, uma força de atracção universal, justificaria a desaceleração da expansão do universo, de um modo semelhante como desacelera uma maçã que atiramos ao ar, fazendo-a cair. 

Dependendo da quantidade de matéria existente no universo, este pode expandir-se para sempre. Em alternativa, a desaceleração da expansão pode ser mais forte e a expansão pode estar destinada a parar, iniciando-se uma contracção que termina num Big Crunch.

Expansão para sempre ou Big Crunch? A resposta a este mistério cósmico dependia da determinação do valor da desaceleração do universo. E a missão do Supernova Cosmology Project e do High-z Supernova Team foi precisamente tentar determinar essa desaceleração.

Para tal, mediram o desvio para o vermelho e a luz recebida de um certo tipo de supernovas, as chamadas supernovas do tipo Ia. Algumas das supernovas observadas explodiram a mais de 7,5 mil milhões ano-luz, metade da idade do universo. O espanto surgiu quando se aperceberam que as supernovas aparentavam ser menos brilhantes do que se esperava se o universo estivesse em expansão desacelerada.

Isto queria dizer que o parâmetro da desaceleração era negativo, ou seja, que o universo se expande de um modo acelerado. Recuperou-se a ideia de Einstein da constante cosmológica e da possibilidade de existir uma forma de energia que pudesse acelerar o universo. 

Qual a ideia básica do trabalho? Qual a metodologia?

Convém talvez tentar clarificar a ideia básica associada à utilização de supernovas em cosmologia. A ideia básica tem a ver com o facto de um tipo de supernovas (as tais de do tipo Ia) serem fenómenos astrofísicos extremamente energéticos e, portanto, detectáveis mesmo quando ocorreram há milhares de milhões de anos. E como a luz que emitem tem características bem definidas, medindo a luz que recebemos e o desvio para o vermelho associado é possível determinar a distância que essa luz percorreu até ser detectada. Naturalmente, a distância percorrida pela luz depende de como o universo se expande. 

Imagine-se uma experiência simples e mais ou menos semelhante: calcular a altura a que está um candeeiro no tecto, medindo a quantidade de luz que incide sobre uma folha de papel no chão. Para o conseguir, só é preciso saber a potência da lâmpada. Quanto mais afastada esta estiver, menos luz incide na folha de papel. No nosso caso, a lâmpada é a supernova do tipo Ia, e a folha é o nosso detector.

Assim, observando a energia (luz) que nos chega de supernovas que explodiram a várias distâncias e comparando esse valor com o desvio para o vermelho observado, é possível determinar a história da expansão do universo. Verificou-se que as supernovas mais distantes eram menos brilhantes do que o esperado. Isso queria dizer que estavam mais longe do que deveriam estar. Usando o nosso exemplo, era como se alguém tivesse pegado na candeeiro e o estivesse a afastar. E a afastar de tal forma que, quanto mais longe estiver de nós, maior é a aceleração.

Quais as possíveis causas para a aceleração da expansão do universo que foi medida?

Até ao momento não há ainda uma explicação para a expansão acelerada do universo. Bom, para sermos mais correctos, é preciso reconhecer que a criatividade dos cientistas permite que haja muitas hipóteses, mas na realidade podemos estar ainda longe de perceber a aceleração da expansão universo.

Apenas se sabe que há uma energia que consegue compensar a gravitação e que, sendo ainda mais forte, dá origem à aceleração do universo. Sabe-se que essa energia corresponde a cerca de 3/4 da energia do universo. A essa energia desconhecida chama-se energia escura. A relação com a constante cosmológica de Einstein está também por esclarecer. 

Há muito trabalho de observações e trabalho teórico a ser desenvolvido em muitos países para tentar perceber o que poderá ser essa energia. No CENTRA participamos nesse esforço internacional, nesse trabalho teórico e observacional. Apesar de tudo e passados mais de 10 anos, a resposta continua por descobrir.

Desde quando dedica a sua investigação ao estudo da luz emitida pelas supernovas?

Começámos a colaborar com o Supernova Cosmology Project (SCP), liderado por Saul Perlmutter, há 14 anos. Numa primeira fase, a Patrícia Castro, então aluna finalista da Licenciatura de Engenharia física Tecnológica (LEFT) do IST e o Nelson Nunes, um aluno recém-licenciado da LEFT, aceitaram o desafio que lhes propus de participar neste projecto de colaboração que estávamos a iniciar.

Estiveram a estagiar quase um ano no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Universidade de Berkeley, no SCP. Ambos tiveram a sorte de contribuir para o trabalho, cuja importância foi agora reconhecida com a atribuição do prémio Nobel a Perlmutter. Ambos são co-autores do artigo onde a descoberta foi registada. Foi de facto um excelente início.

Desde então, o trabalho tem continuado na nossa equipa no CENTRA com a participação de investigadores, estudantes de licenciatura, mestrado e doutoramento de vários países. Temos participado directamente em descobertas e estudos de supernovas usando vários telescópios como o JKT, WHT, NOT em La Palma, CFHT no Havai, e mais recentemente o telescópio no Observatório de Calar Alto em Espanha.

Para além da colaboração com o SCP, com quem publicámos vários artigos em co-autoria, temos participado também em várias colaborações internacionais como o Supernova Legacy Survey e o European Supernova Cosmology Consortium. Mais recentemente temos colaborado com investigadores do GEPI-Observatório de Paris e do ESO. 

Como é que a equipa portuguesa se inseriu numa das equipas internacionais cujo líder foi agora distinguido?

Uma das condições para fazer ciência em Portugal é colaborar com equipas internacionais. Isto é reconhecido como sendo obrigatório para investigadores. Mas considero a mobilidade extremamente importante para a formação de estudantes como futuros jovens investigadores. Por isso faço os possíveis para que os estudantes com quem trabalho realizem estágios em instituições de investigação de outros países. 

Falei sobre isto com o Pedro Gil Ferreira, actualmente professor na Universidade de Oxford, e que há 14 anos era investigador na Universidade de Berkeley, EUA. O Pedro Gil Ferreira apercebeu-se que vários grupos de investigação da Universidade de Berkeley tinham capacidade e interesse em receber estudantes. Decidi arriscar.

Um dos grupos que procurava estudantes era precisamente o Supernova Cosmology Project. Pareceu-me que, dos vários projectos possíveis, o SCP era talvez o projecto mais interessante. O objectivo científico e a metodologia eram claros e permitiria a integração de jovens estudantes finalistas. O objectivo, como já referi, era medir a desaceleração do universo a partir da observação de supernovas. Os conceitos teóricos são relativamente simples. 

Ainda me lembro do momento em que optei pelo SCP e como a clareza e simplicidade pesaram na decisão. Depois foi necessário procurar financiamentos e escolher os candidatos ao estágio em Berkeley. Os seleccionados foram, como referi, a Patrícia Guiod Castro e o Nelson Nunes, do IST. Quanto aos financiamentos, tivemos a visão da FLAD-Fundação Luso-Americana para o Desenvolvimento, que deu o apoio financeiro indispensável para o arranque, apesar de ser um projecto muito incipiente. E, já em Berkeley, tiveram o apoio do Portuguese Studies Program.

Os prémios Nobel em física mais recentes foram atribuídos a trabalhos (grafeno, telecomunicações, física nuclear, matéria condensada, óptica...) em domínios da física fortemente ligados a aplicações. O deste ano parece ser o mais remotamente afastado dos interesses do dia-a-dia. É verdade? Que impacto pode trazer este trabalho para o cidadão comum?

Creio que há duas questões a considerar. Em primeiro lugar, suponho que todos nós nos interrogámos sobre "o que são aquelas luzinhas no céu?", "por que é que a Lua não cai?", "qual a Origem e evolução do universo?". A história do universo, a sua origem e evolução interessam a cientistas, mas há também uma grande curiosidade natural na sociedade sobre estas questões.

O prémio Nobel deste ano valoriza o conhecimento científico, é verdade. E repare-se quantos prémios Nobel foram atribuídos, só nos últimos anos, a descobertas relacionadas com puro conhecimento: 2008, 2006, 2004, 2002, 1999. E há muitos mais. O comité Nobel reconhece a importância da ciência fundamental.

Os países mais desenvolvidos, com políticas de desenvolvimento a longo prazo, reconhecem a importância do conhecimento fundamental e investem enormes verbas no seu desenvolvimento. Porquê? Porque o conhecimento científico tem de facto um enorme impacto no cidadão comum.

Há ainda outra questão que me parece também muito importante. O progresso científico está intimamente relacionado com o desenvolvimento tecnológico, e é também um motor desse desenvolvimento. Por exemplo, para a descoberta da expansão acelerada do universo, há cerca de 20 anos, foi fundamental a utilização de câmaras de CCD acopladas aos telescópios e o desenvolvimento de novas formas de processamento de imagem. Hoje em dia, o uso de sensores CCD está generalizado, por exemplo nas câmaras fotográficas digitais.

Relativamente ao processamento de imagem, é interessante referir que há casos de investigadores que, tendo trabalhado em astrofísica, optaram por empregar técnicas semelhantes em várias áreas da medicina. Ou seja, mesmo a investigação que parece sobretudo fundamental acaba por vir a dar frutos para a sociedade, mesmo em áreas à partida inesperadas. Tem sido sempre assim. E os cientistas estão conscientes disto.

Os desenvolvimentos da física fundamental do século XX, tais como a teoria da relatividade e a mecânica quântica estão na base do enorme desenvolvimento tecnológico da sociedade do século XX. É natural que assim continue no séc. XXI. Por isso continuamos a trabalhar. Talvez voltemos a falar sobre este tema ... quem sabe?


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Não podemos garantir nada acerca do futuro do universo, pela simples razão de que não fomos nós que o criámos.
Assim, tudo o que afirmarmos só pode ser provisório.
Re: provisório
Re: provisório
Haverá por aí alguém


que queira e saiba explicar em termos simples, onde começa e onde acaba o universo ?
Re: Haverá por aí alguém
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Edição Diária 17.Abr.2014

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