HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - O COBE - 2

No seu lançamento, rompeu a barreira do som em 30s e ficou em órbita em 11min. Com um ajustamento final, estacionou nos 900km de altitude, em órbita polar, circum-navegando a Terra 14 vezes por dia.

Desde os primeiros dados enviados, foi claro que o COBE funcionava na perfeição.

O primeiro levantamento do céu ficou concluído em Abril de 1990, mas tinha pouquíssima resolução.

Em Dezembro de 1991 surgiu o primeiro levantamento completo do céu, fruto de 70 milhões de medições, e apresentava uma variação de 0,001% no comprimento de onda dependendo da direcção da observação.

Seguiu-se um estudo exaustivo acerca dos resultados encontrados até Abril de 1992, altura em que a descoberta foi devidamente anunciada numa conferência realizada em Washington.

Nas imagens, e sem entrar em grandes detalhes, pode ver-se a variação detectada pelo COBE. Os diferentes tons correspondem a diferentes intensidades de RFM.

Vê-se a radiação proveniente das estrelas da Via Láctea ao centro. No outro mapa, retira-se essa radiação e obtém-se a distribuição da RFM em todo o Universo. Grande parte do mapa é ruído aleatório, mas uma análise detalhada revelou a tal variação de 0,001%.

George Smoot, um dos responsáveis pelo COBE, disse: “Para quem for religioso, é como contemplar a face de Deus.”

Provou-se que o Universo é dinâmico, está em expansão e evolui. Tudo o que há hoje é resultado de uma gigantesca explosão, um Big Bang quente, denso e compacto, ocorrido há 10 mil milhões de anos.

O modelo do Big Bang estava comprovado.

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - O COBE - 1

Os defensores da teoria do Big Bang tiveram de se debater com uma série de questões pertinentes, que pareciam contradizer a veracidade dessa teoria.

Uma das mais importantes era a que Fred Hoyle, que nunca se conformou com a derrota do modelo do estado estacionário, colocava. Dizia ele que se postularmos uma explosão suficientemente violenta para ter dado origem à explosão do Universo, nunca se formariam quaisquer agregados vagamente semelhantes a galáxias. Ou seja, perante uma explosão de tal magnitude, seria impossível que houvesse algo suficientemente forte para se manter compacto, ou que desse origem a algo compacto.

Os apoiantes do Big Bang admitiam o problema, mas basearam-se na esperança de que o Universo primordial não tivesse sido completamente uniforme. Teria de haver pequenas perturbações.

O melhor local para procurar esses vestígios era no mais antigo fóssil conhecido, a RFM. Ao olhar para a RFM, estamos de facto a olhar para o passado. Ela foi emitida quando o Universo tinha 300 000 anos, 0,003% da sua idade actual de 10 mil milhões de anos. Fazendo um paralelo entre o Universo actual e um ser humano, ela teria sido emitida quando o Universo era um bebé de poucas horas.

Quaisquer variações de densidade ocorridas na altura da emissão, apareceriam com uma RFM diferente agora, através de variações de comprimento de onda.

Após várias experiências sem total sucesso, percebeu-se que seria necessário colocar um detector num satélite, fora da atmosfera terrestre.

Foi aí que nasceu o COBE (Cosmic Background Explorer Satellite), projectado em 1974, mas que apenas avançou em 1982, com avanços e recuos. O pior deles todos surgiu com a explosão do vaivém Challenger, em 28 de Janeiro de 1986, que vitimou toda a sua tripulação, e com isso colocou em perigo o projecto espacial americano de então.

Mas, a 18 de Novembro de 1989, 15 anos após a proposta inicial ter sido entregue à NASA, o COBE ficou pronto para ser lançado.

Na imagem em cima é possível ver o COBE, com a indicação dos seus 3 detectores.

DIRBE - Diffuse Infrared Background Experiment

FIRAS - Far Infrared Absolute Spectrophotometer

DMR - Differential Microwave Radiometer

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - O Paradoxo de Olbers

Pronto, fiquei livre dos exames e de volta à vida.

Esta longa sucessão de posts dedicados à História da Astronomia está a chegar ao fim, mas ainda é importante mencionar alguns factos relevantes.

O post de hoje é curto, e dedicado ao Paradoxo de Olbers.

Em 1823, no tempo em que se acreditava ainda que o Universo era infinito e eterno, o astrónomo Wilhelm Olbers interrogou-se sobre a razão por que o Céu nocturno é escuro.

Sendo ele infinito, deveria conter um número infinito de Estrelas.

Se tivesse idade infinita, a luz de todas elas já teria tido tempo de chegar até nós.

Logo, o Céu deveria ser sempre iluminado!

Uma das formas de resolver este paradoxo recorre à teoria do Big Bang.

Se o Universo tiver poucos milhares de milhões de anos, só a luz estelar contida num volume relativamente pequeno teve tempo de nos alcançar, porque a luz se desloca a uma velocidade finita, de 300 000 km/s.

Conclusão: um Universo de idade finita e luz com velocidade finita, só pode resultar num céu com quantidade finita de luz. E isso é, de facto, o que se observa.

O segredo da implantação definitiva do modelo do Big Bang, relativamente aos modelos anteriores, está na capacidade de resolver estes pequenos enigmas e paradoxos, e fornecer respostas a questões formuladas muito tempo antes, como no caso do Paradoxo de Olbers.

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - a descoberta da Radiação Cósmica de Fundo - 3

Mil desculpas por tão prolongada ausência!

Retomo hoje a História da descoberta da RCF no ponto em que a deixei.

Depois de tanto esforço na limpeza e minimização do ruído do telescópio, havia ainda um ruidozinho incessante, que emitia ondas de rádio em todas as direcções, e Penzias e Wilson não sabiam de onde vinha. Não sabiam que este viria a ser a prova mais convincente da existência do Big Bang, pois era o eco da expansão do universo primordial, um fóssil do maior e mais colossal acontecimento que é possível imaginar.

Explicação física:

Os cientistas Gamow, Alpher e Herman, em 1948, tinham previsto que o Universo sofresse uma transição 300 mil anos após o Big Bang, quando a sua temperatura caísse para 3000ºC, que é baixa o suficiente para os electrões se ligarem aos núcleos e formar átomos estáveis (fenómeno da recombinação). Neste ponto, deixa de ser possível a interacção entre o mar de luz e electrões/núcleos, visto que estes se combinaram e formaram átomos estáveis. Isto quer dizer que a luz passou a poder atravessar livremente o Universo.

A previsão dos 3 cientistas que referi em cima apontava para que o comprimento de onda dessa luz acompanhasse a distensão do próprio espaço, passando de um milésimo de milímetro para um milímetro, segundo a teoria de que o espaço se terá expandido de um factor de mil desde o Big Bang. Este comprimento de onda de 1mm situa-se na região de ondas rádio do espectro electromagnético.

O eco do Big Bang são estas ondas de rádio, razão por que são conhecidas de Radiação de Fundo de Microondas (RFM).

Só quando, cerca de 1964, e sem saber que em 1948 a mesma previsão tinha sido feita, os cosmólogos Robert Dicke e James Peebles publicaram um artigo em que faziam a previsão de um sinal de rádio com comprimento de onda a rondar 1mm, como um "resto" do Big Bang, Penzias e Wilson perceberam o que era o seu ruído incessante e enervante, e atingiram o verdadeiro alcance da sua descoberta, que viria a culminar na atribuição de um Prémio Nobel da Física em 1978.

Descobriram a RFM com sorte? Sim.

Mas precisaram de tenacidade e empenho, para saber o que era o ruído estranho que detectaram, pois há fortes indícios que outros se tenham apercebido desse ruído, mas ignoraram-no, julgando tratar-se de ruído do seu equipamento...

Os 3 cientistas que primeiro postularam a existência de RFM tentaram sempre chamar a si os créditos da descoberta, sem nunca o conseguir. Numa conferência realizada no Texas, quando foi perguntado a Gamow se aquela descoberta era a mesma que ele tinha feito, subiu ao pódio e disse:
"Bem, aqui há tempos perdi, algures por aqui, uma moeda, e agora foi encontrada uma moeda mais ou menos onde eu a perdi. Bem sei que todas as moedas são parecidas, mas sim, penso que é a minha."

FELIZ NATAL

Venho apenas desejar a todos os amantes das Estrelas que cá vêm um Natal muito Feliz.

Desejo, do fundo do meu coração, que esta quadra seja vivida com muita Paz e muito Amor, na companhia de quem melhor nos faz sentir.

Um grande abraço a todos,

Carlos Capela

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - a descoberta da Radiação Cósmica de Fundo - 2

Karl Jansky foi (é!) o pai da Radioastronomia, mas outro passo decisivo foi dado pelos cientistas Arno Penzias e Robert Wilson, ambos a trabalhar nos Laboratórios Bell, que possuía uma antena de rádio de 6m, em forma de chifre, inicialmente projectada para detectar os sinais dos satélites-balão Echo, e que mostro na imagem a seguir, juntamente com os 2 cientistas.

Como curiosidade, o Echo consistia numa esfera de 66cm que, uma vez em órbita, era insuflada e transformava-se num globo de 30m de diâmetro capaz de reflectir ondas de rádio provenientes da Terra na direcção de um detector igualmente situado na Terra. Contudo, razões económicas levaram este projecto ao abandono, ficando a antena livre para se transformar num radiotelescópio com alguma precisão na localização de fontes de rádio cósmicas, até porque estava bem protegida de interferências de rádio terrestres.

Os Laboratórios Bell autorizaram os 2 cientistas a investir tempo no estudo das fontes de rádio celestes, mas antes disso eles preferiram estudar o seu telescópio... E ainda bem que assim foi!

O primeiro ponto a trabalhar era a identificação exacta do nível de ruído, tentando minimizá-lo.

Ruído é, basicamente, o sinal indesejável que influencia negativamente a recepção de uma onda electromagnética, seja de rádio, tv, ou outra qualquer. Quando a potência do ruído supera a potência do sinal, a comunicação sofre com isso.

Isso aplica-se à radioastronomia de várias formas, em especial no estudo dos sinais rádio das Galáxias. Quanto mais distante estiver uma Galáxia, mais fraco será o sinal rádio recebido na Terra. Nesses casos, a análise ao ruído é da máxima importância, uma vez que ele se pode sobrepor ao sinal.

Para verificar o nível do ruído, Penzias e Wilson apontaram a antena a uma zona do Céu menos provida de Galáxias e de onde todo o sinal recebido deveria ser ruído mas, ao contrário do que esperavam e para seu desapontamento, o nível do ruído recebido era muito grande.

Há 2 tipos de ruído: o externo e o inerente ao equipamento.

Para estudar o primeiro, chegaram a apontar o telescópio para Nova Iorque, uma grande cidade que poderia introduzir ruído nas comunicações, mas nada se alterou.

No caso do segundo, optaram por verificar todas as ligações e junções do equipamento, reforçando até coisas que à partida estavam bem, só para ter a certeza que nada falharia, mas nada se alterou.

E aqui começa a dar-se uma história curiosa, pois depararam-se com um casal de pombos que... bem... largava ali o produto da sua digestão. Por palavras deles, depositava ali "um material dieléctrico branco", que poderia ser o causador do ruído captado.

Agarraram os pombos, enfiaram-nos na gaiola Hav-a-Heart (na imagem em baixo) e mandaram-nos para os Laboratórios Bell de Nova Jérsia, a cerca de 50km de distância. Penzias e Wilson, cientistas abnegados, esfregaram a antena até ela ficar reluzente! Supostamente pronta para eliminar ruído! Mas os pombos encontraram o caminho de volta... com o consequente ressurgimento do "material dieléctrico branco" por toda a parte...

(Quem já foi vítima de um pombo sabe quão desagradável isso pode ser...)

Solução encontrada e relatada na 1ª pessoa por Arno Penzias:

"Havia um criador de pombos disposto a estrangulá-los para nós, mas pareceu-me mais humano abrir a gaiola e matá-los a tiro." Pois, esta parte não gostei...

Depois de mais de um ano de limpezas e cuidados com o radiotelescópio, o nível de ruído reduziu.

Sabiam que parte do que restava se devia a efeitos atmosféricos e outra ao formato da antena, em forma de chifre, mas não podiam eliminar estes factores.

Havia algo mais...

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - a descoberta da Radiação Cósmica de Fundo - 1

Ok, com atraso relativamente ao que prometi, mas aqui fica o primeiro post sobre a descoberta da Radiação Cósmica de Fundo. Também acho que é das histórias mais engraçadas da Física, porque envolve várias pequenas histórias, no mínimo, curiosas.

Como em tudo na vida, o factor sorte decide o nosso destino. Mas também é verdade que a sorte se procura. Foi isso que fez Karl Jansky primeiro, e Arno Penzias e Robert Wilson mais tarde. Mas vamos por partes...

Antes de mais, convém dar um cheirinho do contexto em que estas descobertas se inseriram.

Em 1928, a empresa de comunicações AT&T iniciava-se no mundo das comunicações transatlânticas, e queria garantir o monopólio do mercado, pelo que contratou os Laboratórios Bell para fazerem o estudo das fontes naturais de ondas rádio que provocavam interferências nas comunicações de longa distância, e com isso originavam um ruído crepitante e permanente. Esta tarefa foi parar ao colo de Jansky, um jovem de 22 anos.

É, também, importante saber o que é uma onda rádio. De forma muito resumida, pode classificar-se a faixa das ondas rádio como uma de várias do espectro electromagnético, como se vê na figura.

O espectro varia de forma inversa em frequência e comprimento de onda. Como as ondas rádio têm relativamente baixa frequência, vão ter grandes comprimentos de onda, que variam de milímetros para as microondas até muitos metros no caso de sinais AM.

Ora, Jansky construiu uma antena capaz de captar comprimentos de onda de 14,6m, e passou os meses seguintes agarrado à sua obra, que mostro na imagem seguinte:

Era uma enorme estrutura que girava 3 vezes por hora sobre as rodas de um Ford (que se vêem na imagem), para captar sinais vindos de várias direcções. Não é de admirar que os miúdos fossem para lá mal Jansky virava costas... Isso baptizou a antena de "carrossel de Jansky". Líder mundial na categoria dos mais lentos, claro...

Jansky continuou a estudar as interferências recebidas, e classificou-as em 3 tipos:

1. Devidas a trovoadas próximas e ocasionais;
2. Devidas a trovoadas longínquas e mais fracas;
3. Outros sinais mais fracos, que classificou do "tipo sibilante, fracos e de origem desconhecida".

Este tipo de ruído não influiria nas comunicações transatlânticas, a base do seu trabalho, mas Jansky decidiu continuar a investigar esta desconhecida fonte de ruído.

Recolheu alguns dados, entre os quais o facto de a periodicidade dos máximos de intensidade era de exactamente 23h56m (a duração do dia sideral, que seria motivo de outro post, e que se formos precisos é de 23h56m04s). Basicamente, para ajudar a contextualizar, pode dizer-se que o dia sideral é o período de rotação da Terra relativamente ao resto do Universo.

Mais estudos revelaram que a fonte desta emissão rádio era o centro da Galáxia, zona de intensos campos magnéticos. Mal a notícia foi publicada, mesmo com o aviso de Jansky de que as fontes eram naturais, ele recebeu inúmeras cartas de pessoas que diziam que eram tentativas de contacto de extra-terrestres...

A mente humana no seu melhor...

O importante é que estava fundada a RADIOASTRONOMIA, o que abria as portas à investigação fora da faixa da luz visível.

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - o eco do Big Bang

Neste ponto, já estamos em pleno século XX, com as inovações tecnológicas a sucederem-se em catadupa, e com isso a originar sucessivas alterações nas formas de pensar dos vários cientistas.

Um dos que o fez foi Einstein. Mudou de opinião e passou a apoiar o modelo do Big Bang, ao contrário de vários outros cientistas, que continuaram a dizer que o Universo era estático e eterno. Por exemplo, um facto que os apoiantes do modelo do Big Bang não conseguiam explicar era a juventude do "seu" Universo, quando comparado com a idade das Estrelas, mas isso só seria explicado na segunda metade do século.

O debate cosmológico continuava no meio científico, e várias vertentes foram sendo abordadas.

Uma das quais baseava-se no estudo da Física Atómica, na determinação da quantidade dos elementos no Universo, no seu processo de formação, e várias descobertas foram sendo feitas. Por exemplo:

Desvendou-se a estrutura atómica, com electrões, protões e neutrões;

Determinou-se a origem da energia solar, por fusão de dois núcleos pequenos;

Descobriu-se que o Universo actual é constituído por cerca de 90% de Hidrogénio e 9% de Hélio...

Por um lado, esta composição do Universo era compatível com o modelo do Big Bang, mas por outro lado o Big Bang não explicava a formação de átomos mais pesados que o Hélio. Vivia-se uma época em que a força da especulação era maior que a força dos factos, e a eterna relutância do Homem em aceitar a mudança forçou um conjunto de cientistas (Hoyle, Gold e Bondi) a criar o Modelo do Estado Estacionário.

O que dizia este modelo? Basicamente, que embora o Universo se encontre em expansão (facto que Hubble provou), é criada nova matéria nos espaços que se abrem entre as Galáxias que se afastam. Ou seja, o argumento é algo como:

"O Universo evolui, mas está inalterado! Logo, é e sempre será infinito!"

E assim se satisfazia a necessidade de não mudança do Homem, conjugada com a prova irrefutável que Edwin Hubble tratou de arranjar, com os desvios para o vermelho na análise ao espectro das Galáxias.

Por esta altura, outros três nomes mostraram que nem todos os Homens pensam da mesma forma.

Gamow, Alpher e Herman previram que o Big Bang teria emitido um eco luminoso quando o Universo tinha 300 mil anos, possivelmente ainda detectável. Na altura, ninguém procurou esse eco, mas hoje sabemos que ele existe.

Chamamos-lhe Radiação Cósmica de Fundo, e possivelmente, nem que tenha sido só num documentário ou na leitura de um qualquer artigo científico, muitos já ouviram o seu nome...

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - a Lei de Hubble

Paralelamente, outras descobertas foram sendo feitas, e o seu estudo continuado conduziu à Lei de Hubble que, como vamos ver, foi fundamental para a ideia de um "início", um Big Bang!

Com o aumento das dimensões dos telescópios, começou a ser possível medir as distâncias às Estrelas com muito maior precisão.

No século XVIII, Herschel mostra que o Sol faz parte de um grupo de Estrelas, que é a nossa Galáxia, a Via Láctea, que na altura se pensava ser a única. Mas Messier, ocupado na elaboração do seu catálogo, vai observando várias manchas indistintas que não sabia correctamente identificar por serem completamente diferentes das Estrelas. Por isso mesmo, tomaram o nome de Nebulosas. Mas aí nasceu outra questão... elas estavam dentro ou fora da Via Láctea? Ou seja, o Universo teria mais Galáxias espalhadas?

A resposta chegaria em 1923, pela mão de Edwin Hubble, usando um dado descoberto em 1912 por Henrietta Leavitt, que no seu estudo das Estrelas variáveis cefeides mostra que o seu período de variação ajuda a calcular o seu brilho real, e com isso a distância a que se encontram. O Homem ganhou uma régua para medir o Universo!

Voltando a Hubble, ao identificar uma variável cefeide dentro de uma nebulosa pôde determinar que ficava muito mais longe que a Via Láctea, e que cada uma das inúmeras Galáxias detectadas na altura possuía milhares de milhões de Estrelas como o Sol!

Nasce aqui a Espectroscopia. Muito resumidamente, é o estudo do espectro de cada átomo, dependendo da absorção e da emissão da luz. Concluiu-se que as Estrelas se afastam ou aproximam de nós pela análise do efeito Doppler:

• A luz de uma Estrela que se aproxima tem comprimento de onda menor (espectro desviado para o azul);
• A luz de uma Estrela que se afasta tem comprimento de onda maior (espectro desviado para o vermelho).

Pois a maior parte estava a afastar-se, pois apresentava um desvio para o vermelho...

E é aqui que surge a Lei de Hubble, que mostra que existe uma relação directa entre a velocidade de uma Galáxia e a distância a que se encontra, postulando que se as Galáxias têm movimento de recessão, então:

• Estarão mais distantes de nós amanhã do que estão hoje;
• Ontem estiveram mais próximas;
• Deve ter existido um instante no passado em que todas as Galáxias estiveram em cima de nós.

Estas observações levam-nos a acreditar num Universo primordial de pequenas dimensões e elevada densidade, a partir do qual se expandiu e continua a expandir.

Penso que a imagem resume numa imagem o que acabei de dizer.

A linha diagonal é uma interpolação dos pontos, que representam a detecção das Galáxias.

Isto poderia ser, na época, uma prova do Big Bang...

HISTÓRIA DA ASTRONOMIA - Teorias do Universo

Ainda que Galileu tenha sofrido uma tentativa de silenciamento, as bases para a evolução no pensamento estavam lançadas. Aos solavancos, porque a mente humana é adversa à mudança brusca, mas aconteceu.

Seguiu-se um período em que surgiram teorias que defendiam que o Universo existira desde sempre e outras que defendiam que tinha sido criado, e os cosmólogos do século XX abordaram essa problemática.

Foram feitas várias experiências tendo essa questão como pano de fundo, entre as quais algumas que permitiram a Einstein postular a Teoria da Relatividade Restrita (segundo a qual o Espaço e o Tempo são flexíveis, constituindo uma entidade única) e a Teoria da Relatividade Geral (que complementa a teoria da gravitação de Newton, uma vez que se aplica a situações de gravidade extremas, como as provocadas pelas Estrelas).

No seguimento dos seus estudos, Einstein quis saber se a atracção gravítica poderia levar o Universo a contrair sobre si mesmo, introduzindo a constante cosmológica, que funcionava como a anti-gravidade que travava a expansão do Universo. Ele próprio admitiu que não gostava deste factor, porque não passava de uma forma de obter a teoria perfeita, o resultado esperado.
Einstein acreditava num Universo estático e eterno, mas essa visão não era partilhada por todos.

Friedmann e Lemaître propuseram a visão correcta de um Universo em expansão, mas uma vez que a voz de Einstein era muito mais respeitada, esta teoria estagnou na sua evolução. Ele mesmo disse algo como:
"Como castigo pelo meu desprezo pela autoridade, Deus tornou-me a mim próprio numa autoridade."