10 de dezembro de 2018

As 11 maiores perguntas não respondidas sobre Matéria Escura

Web da matéria escura

Nos anos 1930, um astrônomo suíço chamado Fritz Zwicky notou que as galáxias em um aglomerado distante estavam orbitando umas às outras muito mais rápido do que deveriam ter a quantidade de massa visível que tinham. Ele propôs que uma substância invisível, que ele chamou de matéria escura, poderia estar puxando gravitacionalmente nessas galáxias.  Desde então, os pesquisadores confirmaram que esse material misterioso pode ser encontrado em todo o cosmos, e que é seis vezes mais abundante do que a matéria normal que compõe coisas comuns como estrelas e pessoas. No entanto, apesar de verem a matéria escura por todo o universo, os cientistas ainda estão na maior parte do tempo pensando nisso. Aqui estão as 11 maiores perguntas não respondidas sobre a matéria escura.

O que é matéria escura?

Primeiro, e talvez o mais intrigante, os pesquisadores continuam incertos sobre o que exatamente é a matéria escura. Originalmente, alguns cientistas conjecturaram que a massa perdida no universo era composta de pequenas estrelas fracas e buracos negros, embora observações detalhadas não tenham revelado objetos tão suficientes para explicar a influência da matéria escura, como o físico Don Lincoln, do Departamento de O Fermilab da Energy escreveu anteriormente para a Live Science . O atual candidato ao manto da matéria escura é uma partícula hipotética chamada WIMP, que se comportaria como um nêutron, exceto entre 10 e 100 vezes mais pesado que um próton, como escreveu Lincoln. No entanto, essa conjectura só levou a mais perguntas - por exemplo ...

Podemos detectar a matéria escura?

Se a matéria escura é feita a partir de WIMPs, eles devem estar ao nosso redor, invisíveis e dificilmente detectáveis. Então, por que não encontramos ainda? Embora eles não interajam muito com a matéria comum, há sempre uma pequena chance de que uma partícula de matéria escura possa atingir uma partícula normal, como um próton ou um elétron, enquanto viaja pelo espaço. Assim, os pesquisadores construíram experimento após experimento para estudar um grande número de partículas comuns no subsolo, onde são protegidas da radiação interferente que poderia imitar uma colisão de partículas de matéria escura. O problema? Após décadas de busca, nenhum desses detectores fez uma descoberta confiável. No início deste ano, o experimento chinês PandaX relatou a última detecção do WIMP. Parece provável que as partículas de matéria escura sejam muito menores que as WIMPs,disse Live Science na época .


A matéria escura consiste em mais de uma partícula?

A matéria comum é composta de partículas cotidianas como prótons e elétrons, assim como todo um zoológico de partículas mais exóticas, como neutrinos, múons e píons. Então, alguns pesquisadores se perguntaram se a matéria escura, que representa 85% da matéria no universo, também pode ser tão complicada quanto. "Não há nenhuma boa razão para supor que toda a matéria escura no universo é construída a partir de um tipo de partícula", disse o físico Andrey Katz, da Universidade de Harvard, à Space.com, site irmão da Live Science . Os prótons escuros poderiam combinar com elétrons escuros para formar átomos escuros, produzindo configurações tão diversas e interessantes quanto as encontradas no mundo visível, disse Katz. Embora tais propostas tenham sido cada vez mais imaginadas em laboratórios de física, descobrir um meio de confirmá-los ou negá-los até agora iludiu os cientistas.

Forças escuras existem?

Juntamente com partículas adicionais de matéria escura, existe a possibilidade de que a matéria escura experimente forças análogas àquelas sentidas pela matéria regular. Alguns pesquisadores procuraram "fótons escuros", que seriam como os fótons trocados entre partículas normais que dão origem à força eletromagnética, exceto pelo fato de que seriam apenas sentidos por partículas de matéria escura. Físicos na Itália estão se preparando para esmagar um feixe de elétrons e suas antipartículas, conhecidas como pósitrons, em um diamante, como publicado anteriormente pela Live Science . Se os fótons escuros  existem, os pares elétron-pósitron poderiam aniquilar e produzir uma das estranhas partículas de força, potencialmente abrindo um novo setor do universo.

A matéria escura poderia ser feita de axions?

À medida que os físicos perdem amor com os WIMPs, outras partículas de matéria escura estão começando a ganhar popularidade. Uma das principais substituições é uma partícula hipotética, conhecida como um axion, que seria extremamente leve, talvez tão pouco quanto 10 elevado à 31ª potência, menos massiva que um próton. Axions agora estão sendo pesquisados ​​em alguns experimentos. Simulações recentes de computadores levantaram a possibilidade de que esses eixos pudessem formar objetos semelhantes a estrelas, o que poderia produzir radiação detectável que seria bastante similar a fenômenos misteriosos conhecidos como rajadas de rádio rápido, como publicado anteriormente pela Live Science .

Quais são as propriedades da matéria escura?

Os astrônomos descobriram a matéria escura através de suas interações gravitacionais com a matéria comum, sugerindo que esta é sua principal maneira de tornar sua presença conhecida no universo. Mas, ao tentar entender a verdadeira natureza da matéria escura, os pesquisadores têm notavelmente pouco para continuar. De acordo com algumas teorias, partículas de matéria escura devem ser suas próprias antipartículas, o que significa que duas partículas de matéria escura se aniquilariam umas com as outras quando se encontrassem. O experimento Alpha Spectrometer Magnetic (AMS) na Estação Espacial Internacional tem procurado os sinais reveladores desta aniquilação desde 2011 e já detectou centenas de milhares de eventos. Os cientistas ainda não sabem ao certo se estes vêm da matéria escura, e o sinal ainda não ajudou a determinar exatamente o que é a matéria escura.

A matéria escura existe em todas as galáxias?

Porque ela supera maciçamente a matéria ordinária, a matéria escura é freqüentemente considerada a força controladora que organiza grandes estruturas, como galáxias e aglomerados galácticos. Então, foi estranho quando, no início deste ano, os astrônomos anunciaram que haviam encontrado uma galáxia chamada NGC 1052-DF2 que parecia conter quase nenhuma matéria escura. "A matéria escura aparentemente não é um requisito para a formação de uma galáxia", disse Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale, à Space.com na época . No entanto, durante o verão, uma equipe separada postou uma análise sugerindo que a equipe de van Dokkum tinha mismeasured a distância até a galáxia, o que significa que a sua matéria visível era muito mais escuro e mais leve do que os primeiros resultados e que mais de sua massa estava em matéria escura do que era sugerido anteriormente.

O que há com os resultados da DAMA / LIBRA?

Um mistério de longa data na física de partículas são os resultados intrigantes de uma experiência europeia conhecida como DAMA / LIBRA. Este detector - localizado em uma mina subterrânea abaixo da montanha Gran Sasso, na Itália - tem procurado uma oscilação periódica nas partículas de matéria escura. Esta oscilação deve surgir à medida que a Terra se move em sua órbita ao redor do sol enquanto voa através do fluxo galáctico de matéria escura que envolve nosso sistema solar, às vezes chamado de matéria escura. Desde 1997, a DAMA / LIBRA afirmou ver exatamente este sinal , embora nenhum outro experimento tenha visto algo assim. 

A matéria escura poderia ter uma carga elétrica?

Um sinal do começo do tempo levou alguns físicos a sugerir que a matéria escura poderia ter uma carga elétrica. Radiação com um comprimento de onda de 21 centímetros foi emitida por estrelas na infância do universo, apenas 180 milhões de anos após o Big Bang. Foi então absorvido pelo hidrogênio frio que estava ao redor ao mesmo tempo. Quando essa radiação foi detectada em fevereiro deste ano, sua assinatura sugeriu que o hidrogênio era muito mais frio do que os cientistas previram. O astrofísico Julian Muñoz, da Universidade de Harvard, especulou que a matéria escura com uma carga elétrica poderia ter dissipado o calor do hidrogênio, como se fossem cubos de gelo flutuando na limonada, como disse à Live Science na época . Mas a conjectura ainda precisa ser confirmada.


As partículas comuns podem decair em matéria escura?

Os nêutrons são partículas de matéria regular com vida útil limitada. Após cerca de 14,5 minutos, um nêutron solitário desvinculado de um átomo decairá em um próton, um elétron e um neutrino. Mas duas configurações experimentais diferentes dão uma vida um pouco diferente para este decaimento, com a discrepância entre eles em cerca de 9 segundos, de acordo com experimentos citados em um estudo de julho na revista Physical Review Letters.. No início deste ano, os físicos sugeriram que se 1% do tempo, alguns nêutrons estavam se decompondo em partículas de matéria escura, isso poderia explicar essa anomalia. Christopher Morris, do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, e sua equipe monitoraram os nêutrons em busca de um sinal que pudesse ser matéria escura, mas não conseguiram detectar nada. Eles sugeriram que outros cenários de decaimento poderiam ainda ser possíveis, de acordo com o estudo.


A matéria escura realmente existe?

Dadas as dificuldades que os cientistas enfrentaram para tentar detectar e explicar a matéria escura, um questionador razoável pode se perguntar se eles estão fazendo tudo errado. Por muitos anos, uma minoria vocal de físicos tem pressionado a idéia de que talvez nossas teorias da gravidade sejam simplesmente incorretas e que a força fundamental funcione de maneira diferente em escalas maiores do que esperamos. Muitas vezes conhecidas como "dinâmica newtoniana modificada", ou modelos MOND, essas sugestões postulam que não há matéria escura e as velocidades ultrarrápidas nas quais estrelas e galáxias são vistas girando em torno uma da outra é uma consequência da gravidade se comportando de maneira surpreendente. "A matéria escura ainda é um modelo não confirmado", escreveu o físico Don Lincoln em um explicador da Live Science.. No entanto, os detratores ainda precisam convencer o campo maior de suas idéias. E as provas mais recentes? Também sugere que a matéria escura é real .
Fonte: livescience.com

Voyager 2 da NASA atinge o espaço interestelar

Este gráfico da NASA mostra as localizações da sonda Voyager da NASA no espaço interestelar. A NASA anunciou a chegada da Voyager 2 no espaço interestelar em 10 de dezembro de 2018. A Voyager 1 alcançou o marco em 2012.Crédito: NASA / JPL-Caltech

É hora de dizer adeus a um dos exploradores mais célebres de nossa época: a Voyager 2 entrou no espaço interestelar, anunciou a NASA hoje (10 de dezembro).  A Voyager 2, lançada em 1977, passou mais de quatro décadas explorando nosso sistema solar , tornando-se a única sonda que já estudou Netuno e Urano durante voos planetários. Agora, juntou-se à sua predecessora Voyager 1 além dos limites da influência do nosso sol, um marco que os cientistas não foram capazes de prever com precisão quando ocorreria. E intrigantemente, a segunda travessia da humanidade não se parece exatamente com os dados da primeira viagem.

"Tempos muito diferentes, lugares muito diferentes, semelhantes em características", disse Ed Stone, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia e cientista do projeto para a missão Voyager, durante uma palestra científica antes do anúncio na reunião de 2018 da American Geophysical. Encontro. "Os próximos meses à frente também podem ser muito reveladores ... Mais para vir!"

A Voyager 2 é a única espaçonave que visitou todos os quatro planetas gigantes - Júpiter, Saturno, Urano e Netuno - e descobriu 16 luas, bem como fenômenos como a misteriosa Grande Mancha Escura de Netuno, as rachaduras na concha de gelo de Europa e características do anel. em todo planeta.

Os cientistas observam a grande partida da Voyager 2 desde o final de agosto , quando dados enviados pela sonda sugeriram que ela estava se aproximando do que os cientistas chamam de heliopausa , uma bolha criada pelo vento solar de partículas carregadas do sol e influenciando o meio ambiente. nosso sistema solar. Os cientistas usam a heliopausa para marcar onde o espaço interestelar começa, embora dependendo de como você define nosso sistema solar, ele pode se estender até a Nuvem Oort, que começa 1.000 vezes mais distante do Sol do que a órbita da Terra.

Além dessa bolha, as espaçonaves voam através de muitos outros raios cósmicos - partículas de energia muito mais altas - do que as partículas de energia mais baixa de nossa própria vizinhança. Dois instrumentos a bordo da sonda Voyager 2 rastreiam essas partículas ao colidirem com a espaçonave. A transição de partículas de energia mais baixa para quase nenhuma delas e uma súbita onda de raios cósmicos diz aos cientistas que a sonda cruzou a heliopausa. 

É uma transição difícil de prever, já que a Voyager 2 é apenas a segunda espaçonave a atravessar essa bolha com seus instrumentos alertas e comunicativos. A Voyager 1 fez a mesma jornada em 2012 . Mas a heliopausa não forma uma esfera perfeita, e se encolhe e se expande com o fluxo e refluxo do vento solar. Assim, os cientistas tiveram que esperar para ver o que os dados diziam, e a partir de agosto os dados começaram a contar a história da partida cósmica, com um aumento geral dos raios cósmicos e diminuição das partículas locais. Mas a grande saída levou tempo.

"Algo estranho aconteceu por volta do dia 310 [5 de novembro]", disse Rob Decker, que trabalha com um dos detectores de partículas Voyagers, durante a palestra científica. Esse algo estava cruzando a heliopausa. Os cientistas estão particularmente empolgados com esta segunda travessia porque a Voyager 2 ainda carrega um instrumento que, na Voyager 1, parou de funcionar muito antes da heliopausa - o Experimento da Ciência do Plasma. Isso significa que a jornada da Voyager 2 criará não apenas novos dados, mas um novo tipo de dados, informaram autoridades da NASA  no comunicado .

Onde as duas viagens podem ser comparadas, no entanto, os instrumentos mostraram quão desigual essa jornada pode ser. A Voyager 1 encontrou tubos de fluxo que criaram dados dinâmicos pelos quais a Voyager 2 não voou. Mas a segunda sonda viu um estranho impacto em alguns dos dados. "Ainda não resolvemos quais são esses recursos", disse Stone. A Voyager 2 também pode não ter uma saída tão direta quanto sua predecessora, porque a atual fase do ciclo solar significa que a bolha do sol está crescendo um pouco. "Nós provavelmente estávamos perseguindo e podemos ver de novo", disse ele sobre a heliopausa.

Apesar do entusiasmo em torno do marco, pouco mudará para a própria Voyager 2. Ele continuará transmitindo atualizações caseiras para seus cientistas aqui na Terra pelo maior tempo possível. Eventualmente, o suprimento de plutônio que alimenta a espaçonave vai acabar, e a sonda desligará os instrumentos por sua vez. Algum tempo depois de 2025, a equipe espera que a sonda fique completamente quieta, sem energia suficiente para cruzar o abismo cada vez mais largo para a Terra.

Mas mesmo quando esse dia chegar, a sonda continuará a viver de acordo com seu nome, a última Voyager.
Fonte: Space.com

Falha mais uma tentativa de comprovar existência da matéria escura


Instalado 700 metros abaixo do solo na Coreia do Sul, o experimento Cosine 100 tem participação brasileira. [Imagem: COSINE-100]

Primeiro a teoria
A matéria escura comporia cerca de 27% do conteúdo do universo, enquanto a matéria comum corresponderia a apenas 4%. Os 69% restantes seriam constituídos pela energia escura. Como a matéria escura interage muito pouco com a matéria comum, sua presença só foi inferida até agora a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como estrelas, galáxias e aglomerado de galáxias.
O modelo mais aceito afirma que a composição dos movimentos da Terra, do Sol e da própria Galáxia resultaria, para o observador terrestre, em um vento de matéria escura. Mais especificamente, em um vento de Wimps (Weakly Interacting Massive Particles - Partículas Maciças de Interação Fraca), partículas hipotéticas que seriam as principais candidatas à matéria escura.
Durante a translação anual da Terra, os sinais da interação do detector com os Wimps aumentariam quando o planeta se deslocasse em sentido contrário ao do vento, e diminuiriam quando se deslocasse no mesmo sentido. Essa variação se daria de forma cossenoidal.
Há quase 20 anos, o experimento DAMA/LIBRA, localizado no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, começou a divulgar resultados de uma suposta modulação de sinais produzidos pela interação do detector com o halo da hipotética matéria escura da Via Láctea.
O DAMA/LIBRA divulgou detecções de sinais, com taxa variando ao longo do ano de forma cossenoidal, o que corresponderia a uma assinatura de matéria escura.
O problema é que, desde que isso foi anunciado pela primeira vez, nenhum outro experimento confirmou a suposta assinatura. Um ponto a ser ressaltado é que esses outros experimentos utilizaram diferentes materiais e técnicas de análise.
Agora os dados
Para checar a discrepância entre os dados do DAMA/LIBRA e os dados dos outros experimentos, e para buscar indícios robustos da matéria escura, um novo detector, o Cosine-100, foi instalado 700 metros abaixo do nível do solo no Laboratório Subterrâneo YangYang (Y2L), na Coreia do Sul.
"Os resultados dos primeiros 59,5 dias do Cosine 100 não confirmaram os sinais divulgados pelo DAMA/LIBRA. Os resultados obtidos não correspondem a uma assinatura de Wimps," afirmou o pesquisador brasileiro Nelson Carlin Filho, da Universidade de São Paulo, um dos membros brasileiros do consórcio.
Este resultado negativo é tanto mais importante na medida em que o Cosine-100 utiliza como detectores cristais de iodeto de sódio (NaI), o mesmo material usado no DAMA/LIBRA.
"É o primeiro resultado publicado de um detector desse material com tamanho e sensibilidade suficientes para investigar a região dos sinais do DAMA/LIBRA. Não estamos afirmando que os pesquisadores do DAMA/LIBRA simplesmente erraram. Eles podem ter captado uma modulação periódica de sinais reais. Porém, a menos que o modelo de matéria escura seja significativamente modificado, há pouca chance de que esses sinais possam ser atribuídos a interações com Wimps. De qualquer forma, nosso trabalho está apenas começando. Vários anos de tomadas de dados serão necessários para confirmar ou refutar totalmente a modulação anual do DAMA/LIBRA," disse Nelson.
Detector de matéria escura
Um dos detectores usados no experimento. [Imagem: DAMA/LIBRA Experiment]
O detector do Cosine-100 é constituído por oito cristais de iodeto de sódio dopados com tálio (Tl), compondo uma massa total de 106 quilogramas. Cada cristal é acoplado a dois fotossensores destinados a medir a quantidade de energia nele depositada. E o conjunto todo é imerso em 2.200 litros de líquido cintilador, cercado por cobre, chumbo e cintiladores plásticos.
Toda essa blindagem e o fato de o detector estar instalado 700 metros abaixo do solo se destinam a reduzir ao mínimo as perturbações causadas por raios cósmicos (múons), pela radiação cósmica de fundo(fótons remanescentes do universo primordial, detectados na faixa de micro-ondas) e por emissões de partículas dos próprios materiais que compõem o equipamento.
A partir de um tratamento estatístico muito sofisticado utilizando o modelo padrão para o halo de matéria escura, com simulações de Monte Carlo e outros recursos, o Cosine-100 definiu uma curva considerada o "limite de exclusão" para interações entre as Wimps e os núcleos do material do detector.
Esse limite corroborou e precisou limites estabelecidos pelos experimentos anteriores. A curva é disposta em um sistema bidimensional de coordenadas cartesianas. No eixo Y, são anotadas as seções de choque, que informam de maneira simples as probabilidades de ocorrência das interações; no eixo X, as massas das supostas Wimps.
Qualquer evento cujas coordenadas possam ser plotadas abaixo do limite de exclusão é candidato à interação Wimp/núcleo. Qualquer evento situado acima não obedece às condições necessárias para caracterizar a interação, conforme o modelo (veja a figura a seguir).
"Os sinais do DAMA/LIBRA [as áreas pontilhadas em vermelho e azul] ficaram acima do limite de exclusão. Notem que, além de utilizar detectores compostos pelo mesmo material empregado no DAMA/LIBRA (cristais de iodeto de sódio), o Cosine-100 valeu-se de técnicas de seleção de eventos semelhantes. Portanto, discrepâncias de resultados devidas a diferenças nos experimentos foram minimizadas. Não encontramos matéria escura e descobrimos que as medidas do DAMA/LIBRA não são consistentes com o modelo padrão para o halo de matéria escura," concluiu Nelson.
Fonte: Inovação Tecnológica

Tesouros de desconhecidos de planetas descobertos em poeira

A cerca de 4.6 bilhões de anos atrás, o Sistema Solar nascia ao redor da nossa estrela, o Sol.
Até recentemente, acreditava-se que os discos protoplanetários eram objetos suaves e semelhantes a panquecas. Os resultados deste estudo mostram que alguns discos são mais parecidos com donuts com buracos, mas ainda mais frequentemente aparecem como uma série de anéis. Os anéis provavelmente são esculpidos por planetas invisíveis para nós. (Imagem: Feng Long)

No cenário considerado o mais provável para a formação do nosso Sistema Solar, um disco de gás e poeira se formou ao redor do Sol, o chamado disco protoplanetário, com o passar do tempo regiões nesse disco foram se aglutinando formando os planetas, quando os planetas tinham um determinado tamanho eles começaram então a limpar a região onde estavam localizados, criando o que chamamos de gaps no disco protoplanetário, os planetas foram crescendo, esses gaps aumentando até termos a configuração que temos hoje.

Essa é uma história super resumida da formação do Sistema Solar, mas ela basta, para o nosso objetivo aqui. Se os astrônomos desejam encontrar sistemas planetários se formando eles devem observar estrelas, relativamente jovens e buscar nessas estrelas esses discos, sejam eles inteiros ou com seus gaps.

Existem determinadas regiões do céu que já são demarcadas como regiões de formação de estrelas, ou seja, estrelas estão sendo formadas, e algumas delas podem ter esse disco protoplanetário a sua volta. Uma delas é conhecida como a região de formação de estrelas de Taurus, ou melhor dizendo, a Nuvem Molecular de Taurus.

Os astrônomos então pegaram as antenas do ALMA do ESO e apontaram para essa nuvem. E o que eles descobriram foi realmente incrível. Uma coisa que não falei é que esses discos e esses gaps podem nem sempre ser planetas, essas feições podem estar relacionadas, a mudanças químicas que acontecem no momento de formação da estrela, entre outras coisas.

Então, a primeira coisa que os astrônomos têm que fazer é eliminar essas características, para que a maior probabilidade seja a da formação de planetas. Voltando para a Nuvem Molecular de Taurus, os astrônomos descobriram 12 discos protoplanetários em 32 estrelas, que apresentam gaps, anéis e outras estruturas que são explicadas pela formação de planetas.

Detectar os planetas de forma individual é impossível, pois o brilho da estrela não permite, mas estudando o disco, os anéis formados e os gaps deixados pelos prováveis planetas, os pesquisadores conseguem ter uma boa ideia do que eles estão observando. Nesse caso, os astrônomos identificaram que 2 dos discos podem estar dando origem a planetas parecidos com Júpiter, ou seja, gigantes gasosos.

Nos outros discos a probabilidade maior é que os planetas que estão se formando sejam do tamanho de Netuno ou super-Terras, planetas com 20 vezes a massa da Terra e rochosos, seriam os mais comuns ali. E isso é fascinante, pois é a primeira vez que a estatística de exoplanetas, que diz que os planetas mais comuns são as super-Terras ou os do tamanho de Netuno, coincide com a observação.

A busca por exoplanetas, normalmente se dá em estágios mais avançados, quando os planetas já estão formados, já que é praticamente impossível penetrar nas nuvens de poeira e gás e fazer imagens desses planetas. Essa pesquisa, porém, está um estágio antes, ela mostra planetas que ainda não estão maduros, mostra os planetas nos seus primeiros estágios de formação e isso é fundamental para entendermos como sistemas planetários nascem e até mesmo para confirmarmos como o nosso Sistema Solar se formou.

Os pesquisadores farão outras investidas com o ALMA em outra configuração para tentar encontrar mais discos, ou mais estruturas nos discos. Como eu digo sempre, o ALMA está revolucionando a maneira como entendemos a formação de planetas e de sistemas planetários, é realmente incrível.
Fonte: uanews.arizona.edu
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