TOMO V - MATÉRIA ESCURA

Matéria Escura

A grande galáxia espiral NGC 1232 capturada pelo VLT do ESO

 As galáxias são fascinantes não apenas pelo que é visível, mas também pelo que é invisível no caso a detecção da matéria escura. A galáxia grande espiral NGC 1232, capturada em detalhes pelo telescópio de 8,2 metros Antu do complexo Very Large Telescope, é um bom exemplo. Aqui o visível é dominado por milhões de estrelas brilhantes e poeira escura, agrupadas nos braços espirais que giram em torno do centro galáctico.

Crédito: Stelios Kazantzidis, Universidade do Estado de Ohio, EUA.

Esta imagem de uma simulação em supercomputador mostra a densidade da Matéria Escura da Via Láctea. A variação do brilho (azul para o violeta, do violeta para o vermelho, e deste para o amarelo) corresponde à taxa crescente da concentração da matéria. A região central mais brilhante corresponde aproximadamente à matéria bariônica dos gases e estrelas. 

As bolhas ao redor indicam as galáxias anãs satélites orbitando a Via Láctea, o que chamamos de ‘subestrutura galáctica’. A simulação prevê que os halos de matéria escura das galáxias espirais estão espalhados, preenchidos com centenas de subestruturas de matéria escura que passam através do disco estelar da galáxia, deixando sua assinatura e trazendo perturbações durante o processo.

Na cosmologia, matéria escura (ou matéria negra) é uma forma postulada de matéria que só interage gravitacionalmente (ou interage muito pouco de outra forma). Sua presença pode ser inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como estrelas e galáxias.

Composição e distribuição da matéria e energia no universo

Mapa completo do céu mostra a matéria entre a Terra e o limite observável do Universo. As regiões mais claras são as de menor massa e as mais escuras, de maior. As áreas acinzentadas são as partes mais brilhantes da nossa galáxia, que bloquearam o mapeamento do telescópio Planck (Foto: ESA/Nasa/JPL-Caltech)

O modelo cosmológico mais aceito é o da descrição da formação da estrutura em larga escala do nosso universo, o componente de matéria escura é fria, isto é, não relativística. A radiação de fundo de micro-ondas cósmico (uma tênue relíquia brilhante do denso e quente Universo jovem, como veremos a seguir) diz que seus resultados proporcionam um apoio ao modelo cosmológico atual do Universo, uma previsão de que a matéria escura e a energia escura formam cerca de 95,1% de tudo o que existe. 

 Nesse contexto, a matéria escura comporia cerca de 26,8% da densidade do universo, sendo o restante constituído de energia escura, 68,3% e a matéria bariônica (ou convencional), 4,9%.

Logo após sua origem, no tempo de Planck, o cosmos se acredita  que havia 72,8% de energia escura, 22,7% de matéria escura e 4,5% de matéria visível.

Os pesquisadores do QUaD usaram o telescópio de 2,6 metros mostrado aqui para ver a temperatura e polarização do fundo de microondas cósmico, uma tênue relíquia brilhante do denso e quente universo jovem. Crédito da imagem: Nicolle Rager Fuller, NSF.

Á matéria escura é composta por um material invisível, ou ainda não detectável, (pois não interage com a radiação eletromagnética) que só é percebida através de sua influência gravitacional sobre sua vizinhança. 

Agora, dois astrônomos pertencentes a Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM) encontraram uma indicação de como a matéria escura se comporta na vizinhança de buracos negros supermassivos que residem nos núcleos das galáxias. Sua correlação com tais objetos podem gerar fenômenos pelos quais indiretamente poderemos analisar a matéria escura e obter dados mais seguros sobre seus atributos.

Distorção do espaço tempo por um buraco negro supermassivo no centro galáctico. Crédito: Felipe Esquivel Reed.

Candidatos à matéria escura

A matéria escura seria formada pelas chamadas WIMPs, de tipos variados, algumas delas constantemente se anulando mutuamente e decaindo em outras formas quando colidem. E estes dois caminhos terminam justamente com a produção de raios gama na faixa de energia do excesso observado pelo telescópio Fermi, mas não ha certeza de que ele seja proveniente da matéria escura.

Os candidatos teóricos mais populares à matéria escura não bariônica são: os axiôns, os neutrinos estéreis e as partículas massivas que interagem fracamente, do inglês WIMPs ( weak interacting massive parcticle ou partículas massivas de interação fraca). É também possível que uma pequena parte da matéria escura seja bariônica, existentes em forma objetos massivos compactos, que por emitirem pouca radiação são difíceis de serem detectados.

Os cientistas acreditam que a grande maioria do Universo é na verdade feita dessa Matéria Escura invisível, em vez da matéria ordinária, eles ainda relutam em teorizar, resumindo, não sabem o que é essa Matéria Escura.

O mais aceito mesmo é de que a matéria escura seja feito de neutrinos. Colisões entre neutrinos devem produzir um grande número de pósitrons de alta energia. Se poderá comprovar se a Matéria Escura é feita de neutrinos procurando por esse excesso de pósitrons de alta energia. Existem tentativas de solucionar o problema da matéria escura propondo-se alterações na gravitação, no entanto, até o momento, nenhuma delas obteve grande sucesso. Possivelmente o que está acelerando a expansão do universo seja justamente este enorme adicional de matéria que circunda as galáxias.

TOMO IV-1 - A HISTÓRIA VISUAL

100 000 anos -

– A era da radiação chega ao fim com o resfriamento do universo conhecido.

A temperatura está na casa dos 300 000 graus centígrados fazendo com que se dilua a radiação, por consequência, libera a matéria que vê o aumento da influência da sua forca gravitacional, atraindo para os núcleos os elétrons. 
O Universo deixa de ser opaco e tornasse visível...ai inicia-se a historia cosmológica observável.

Surgem os primeiros átomos.

Átomo de hidrogênio o

Todas as substâncias são formadas de pequenas partículas chamadas átomos. Para se ter uma ideia, eles são tão pequenos que uma cabeça de alfinete pode conter 60 milhões deles. 

Átomos visto com microscópicos potentes.

Os átomos são compostos de partículas menores: os prótons, os nêutrons e os elétrons. No átomo, os elétrons orbitam no núcleo, que contém próton(s) e nêutrons, salvo os elementares como o de hidrogênio visto acima.

Elétrons já foram vistos, possui massa cerca de 1840 vezes menor que a do núcleo atômico.

No centro de um átomo está o seu núcleo, que apesar de pequeno, contém quase toda a massa do átomo. Os prótons e os nêutrons são as partículas nele encontradas, cada um com uma massa atômica unitária.

O Número de prótons no núcleo estabelece o número atômico do elemento químico e, o número de prótons somado ao número de nêutrons é o número de massa atômica.

Há no máximo sete camadas em torno do núcleo e nelas estão os elétrons que orbitam o núcleo. Cada camada pode conter um número limitado de elétrons variando de 02 ao máximo fixado de 08 elétrons por camada.

O Sol é a maior fonte de energia nuclear. A cada segundo no interior do Sol, ocorrem milhões de reações nucleares em cadeia, pois, o intenso calor do Sol faz com que seus átomos se choquem uns contra os outros e simulam em reações conhecidas como fusão nuclear.

A Fusão Nuclear

A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ela ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica que necessitamos para sobreviver na Terra. A uma temperatura de 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Célsius), os núcleos de dois átomos de hidrogênio se fundem ou unem. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.

No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente.

Um elemento químico, como o hidrogênio, o carbono ou o ferro, é identificado pelo seu número atômico, que diz quantos prótons existem em seu núcleo. A tabela periódica, uma invenção do russo Mendeleyev, organiza esses elementos por suas características químicas. Elementos além do número atômico 92 não são naturais, mas podem ser fabricados em aceleradores.

 

TOMO III - A CRIAÇÃO - ELETROMAGNETISMO

SÍNTESE DOS PRIMEIROS ELEMENTOS  -
CONTINUANDO O INÍCIO DO TEMPO

10³ Segundo – Os nêutrons se desintegram em prótons que colidem formando núcleos de hidrogênio pesado (deutério) e hélio. O universo em expansão se enche de núcleos atômicos, a temperatura cai vertiginosamente.

PERÍODO DO PLASMA

O quarto estado da matéria, hoje presente nos núcleos estrelares se verificava quando o eletromagnetismo dominava. Os fótons, que são partículas de luz, colidem com tanta frequência com os elétrons que os impedem de se unir com os núcleos atômicos, o gás eletrificado cósmico é um plasma opaco.

 Energia eletromagnética

Formas diferentes de ondas Eletromagnéticas no universo nos fazem ver o universo de várias maneiras.  Por volta de 1870, James Clerk marxwell desenvolveu equações que descreviam o comportamento da eletricidade e do magnetismo, provando que os dois fenômenos constituíam aspectos diferentes de uma mesma interação eletromagnética. 

Demonstrou que em vibração o campo eletromagnético produzia uma forma de onda que se deslocava a velocidade da luz, podendo se considerar que a luz em si era um exemplo de radiação eletromagnética, O espectro eletromagnético se tornou mais conhecido quando Einstein apresentou o conceito de fóton, ficando evidente que quanto mais curtas as ondas de um tipo de luz, mais fortes os fótons (energéticos). 

A luz vermelha possui as ondas mais longas do espectro e, portanto os fótons mais fracos. Fótons de luz laranja, amarela, verde e azul têm sucessivamente mais energia, enquanto os de luz violeta são os mais fortes. Isto á nível de luz visível pois ainda temos outras formas de ondas eletromagnéticas abaixo do vermelho, as infravermelhas e acima do azul as ultravioletas.

Baseando-se em uma análise da nuvem gasosa de Cassiopeia, podemos ter vários exemplos de detalhes diferentes do universo, que o olho humano não fora feito para analisar.

Rádio
 

Elétrons na nuvem geram força magnética que desvia outros elétrons. Eles emitem ondas de rádio, que são energia eletromagnética. Elas são longas porque a energia é pouca.

Infravermelho

Parte da nuvem está entre 100 e 1000ºc. Com isso, os elétrons contidos nos átomos da poeira criam raios infravermelhos. São ondas eletromagnéticas mais curtas que as de rádio e com mais energia que elas.

Luz
 

Onde a temperatura supera 1000ºC, os elétrons ficam muito agitados, colidem com núcleos atômicos e espalham luz que os olhos podem ver. Essas ondas, bem curtas, carregam muita energia eletromagnética.

Raios X

  
Regiões aquecidas acima de 1 milhão C contém elétrons ultra velozes.

Eles bombardeiam núcleos com violência e produzem feixes de raios X. As ondas têm ínfimo comprimento e altíssima energia concentrada.

A formação dos elementos leves logo após a criação

 

Os elementos que formam o universo

O universo, nesses instantes iniciais, era essencialmente simples e fácil de ser descrito, pois só continha partículas elementares livres e fótons, tudo em equilíbrio térmico. Depois do terceiro minuto, a partir desse instante os elementos começaram a se formar. 

O astrofísico George Gamow e seus parceiros inicialmente achavam que os núcleos de todos os elementos poderiam ter se formado logo após esse terceiro minuto, pois as condições de temperatura e pressão eram adequadas. Essas condições estão mostradas no gráfico abaixo. 

Três minutos após a origem da nossa realidade de cosmos, tinha uma temperatura de um bilhão de Kelvin. Era feito, praticamente, de nêutrons livres e fótons, em equilíbrio térmico. Só que um nêutron livre vive apenas cerca de 10 minutos antes de virar um próton. 
Desse modo, rapidamente o cosmos ficou cheio de nêutrons e prótons. Como a pressão era enorme, um nêutron podia reagir com um próton e formar um núcleo de deutério como é sabido, é um isótopo do hidrogênio. 

Formaram-se os núcleos de dois isótopos do hidrogênio, o deutério (d) e o trício (t), e de dois isótopos do hélio, o hélio-3 e o hélio-4. Esse último é nossa conhecida partícula alfa, que tem grande estabilidade. Além dessas reações, também podia ocorrer uma que formava um núcleo de lítio, com 03 prótons. Mas, sua frequência era baixíssima, e todas essas reações liberam energia em forma de radiação gama.

A natureza tem seus truques e resolveu que um núcleo com 05 partículas é altamente instável e não sobrevive. O mesmo acontece se juntarmos dois núcleos de hélio para formar um núcleo de massa 08. 

Não existem núcleos de massa 08, esse capricho da natureza não dá para formar núcleos além do hélio (e um pouco de lítio), nas condições primordiais da origem de nosso cosmos.

O modelo da criação do cosmos fazia uma previsão muito restritiva: para cada 10 núcleos de hidrogênio deve haver um núcleo de hélio no universo. Em termos de massa, isso equivale a dizer que cerca de 25% da massa do universo deve ser de hélio. 

Praticamente todo o núcleo de hélio que há no universo foi gerado na criação do cosmos em teoria, mas, parte do trício e do deutério gerados na sua origem foi queimada no interior da maioria das primeiras estrelas. Realmente, a espectroscopia mostra que há deutério nas estrelas jovens e quase nenhum nas mais velhas. 

Os restantes dos elementos viriam das futuras estrelas. Das estrelas como o sol temos a formação de átomos até o carbono, em estrelas com massa massiva chegaremos a o estável átomo de ferro, e por via das supernovas temos os demais elementos até o urânio.

O universo conhecido até então já estava repleto de núcleos, faz para se formar átomos ainda precisaríamos de uma partícula importante, o elétron, que até então era um nômade super-ativado topando com tudo e a anda se ligando.