Exatamente 100 anos atrás, nosso conceito de universo era muito diferente do de hoje. As pessoas sabiam sobre as estrelas da Via Láctea e sobre as distâncias até elas, mas ninguém sabia o que estava por trás delas. O universo era considerado estático, espirais e elipses no céu eram consideradas objetos de nossa própria galáxia. A gravidade newtoniana ainda não foi superada pela nova teoria de Einstein, e idéias científicas como o Big Bang, matéria escura e matéria escura não foram ouvidas. Mas então, literalmente a cada década, avanços após avanços começaram a ocorrer, e assim por diante até hoje. Esta é a crônica de Medium.com de Ethan Siegel sobre como nossa compreensão do universo mudou nos últimos cem anos.
Os resultados da expedição de Eddington em 1919 mostraram que a relatividade geral descreve a curvatura da luz das estrelas perto de objetos massivos.
Década de 1910: a teoria de Einstein é confirmada. A relatividade geral tornou-se famosa por fornecer previsões que a teoria de Newton não poderia fornecer: a precessão da órbita de Mercúrio ao redor do sol. Mas não era suficiente para uma teoria científica simplesmente explicar algo que já havíamos observado; ela tinha que dar previsões sobre o que ainda não tínhamos visto. Embora tenha havido muitos nos últimos cem anos - dilatação do tempo gravitacional, lentes fortes e fracas, desvio para o vermelho gravitacional e assim por diante - o primeiro foi a curvatura da luz das estrelas durante um eclipse solar total, que Eddington e seus colegas observaram em 1919. A taxa de curvatura da luz ao redor do Sol era consistente com as previsões de Einstein e não com a teoria de Newton. Desde então, nossa compreensão do universo mudou para sempre.
A descoberta de Hubble da variável Cefeida na galáxia de Andrômeda, M31, abriu o universo para nós
1920. Ainda não sabíamos que existia um universo além da Via Láctea, mas tudo mudou na década de 1920 com o trabalho de Edwin Hubble. Ao observar algumas nebulosas espirais no céu, ele foi capaz de localizar estrelas variáveis individuais do mesmo tipo que era conhecido na Via Láctea. Apenas seu brilho era tão baixo que indicava diretamente milhões de anos-luz entre nós, colocando-os muito além dos limites de nossa galáxia. O Hubble não parou por aí. Ele mediu a taxa de recessão e a distância a dezenas de galáxias, expandindo significativamente os limites do universo conhecido.
Duas galáxias grandes e brilhantes no centro do aglomerado Coma, NGC 4889 (esquerda) e NGC 4874 (direita) ligeiramente menor, têm cada uma mais de um milhão de anos-luz de tamanho. Acredita-se que um enorme halo de matéria escura percorre todo o aglomerado.
1930. Há muito se pensa que se você pudesse medir toda a massa contida nas estrelas e talvez adicionar gás e poeira, seria possível contar toda a matéria do universo. No entanto, observando galáxias em um aglomerado denso (como o aglomerado Coma), Fritz Zwicky mostrou que as estrelas e a chamada "matéria comum" (isto é, átomos) não são suficientes para explicar o movimento interno desses aglomerados. Ele chamou a nova matéria de matéria escura (dunkle materie) e, até a década de 1970, suas observações foram amplamente ignoradas. Então eles estudaram melhor a matéria comum e descobriram que há bastante matéria escura em galáxias individuais em rotação. Agora sabemos que a matéria escura é 5 vezes mais massiva do que a matéria comum.
1940. Embora a maior parte dos recursos experimentais e de observação fossem para satélites de reconhecimento, engenharia de foguetes e desenvolvimento de tecnologia nuclear, os físicos teóricos continuaram a trabalhar incansavelmente. Em 1945, Georgy Gamow criou uma extrapolação completa do universo em expansão: se o universo está se expandindo e esfriando hoje, deveria ter sido mais denso e quente em algum momento no passado. Portanto, uma vez no passado houve um tempo em que o universo era muito quente e os átomos neutros não podiam se formar, e antes disso, os núcleos atômicos não podiam se formar. Se for assim, então antes da formação de qualquer estrela, a matéria do Universo começou com os elementos mais leves, e em nossa época pode-se observar o brilho posterior dessa temperatura em todas as direções - apenas alguns graus acima do zero absoluto. Hoje, essa teoria é conhecida como teoria do Big Bang.e na década de 1940 eles nem sabiam como ela é linda.
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1950s. Uma ideia rival com a hipótese do Big Bang foi o modelo estacionário do universo proposto por Fred Hoyle e outros. Significativamente, ambos os lados argumentaram que todos os elementos pesados presentes na Terra hoje foram formados no início do Universo. Hoyle e seus colegas argumentaram que eles não foram feitos em um estado inicial, quente e denso, mas sim em gerações anteriores de estrelas. Hoyle, junto com seus colegas Willie Fowler e Margaret Burbidge, explicou em detalhes como os elementos organizam a tabela periódica durante a fusão nuclear em estrelas. Curiosamente, eles previram a síntese de carbono a partir do hélio em um processo que nunca havíamos visto antes: um processo triplo alfa que requer um novo estado de carbono para existir. Este estado foi descoberto por Fowler vários anos após a previsão original de Hoyle e é hoje conhecido como o estado de carbono de Hoyle. Assim, descobrimos que todos os elementos pesados existentes na Terra devem sua origem a todas as gerações anteriores de estrelas.
Se pudéssemos ver a luz de micro-ondas, o céu noturno pareceria um oval verde com uma temperatura de 2,7 Kelvin, com “ruído” no centro de contribuições quentes de nosso plano galáctico. Esta radiação uniforme com um espectro de corpo negro indica o brilho residual do Big Bang: esta é a radiação cósmica de fundo
1960s. Após 20 anos de discussão, uma observação-chave que determinaria a história do universo foi feita: a descoberta do pós-brilho previsto do Big Bang, ou a radiação cósmica de fundo. Esta radiação uniforme com uma temperatura de 2.725 Kelvin foi descoberta em 1965 por Arno Penzias e Bob Wilson, nenhum dos quais soube imediatamente no que haviam tropeçado. Só com o tempo o espectro de corpo negro dessa radiação e suas flutuações foram medidos e mostraram que nosso Universo começou com uma “explosão”.
O estágio inicial do Universo, mesmo antes do Big Bang, estabeleceu todas as condições originais para tudo o que vemos hoje. Foi a grande ideia de Alan Guth: inflação cósmica
Década de 1970No final de 1979, o jovem cientista estava incubando sua ideia. Alan Guth estava procurando uma maneira de resolver alguns dos problemas inexplicáveis do Big Bang - por que o universo é tão plano no espaço, por que tem a mesma temperatura em todas as direções e por que não há relíquias das energias mais altas nele - e teve a ideia da inflação cósmica. De acordo com essa ideia, antes de o universo entrar em um estado denso quente, havia um estado de expansão exponencial, quando toda a energia era inerente à própria estrutura do espaço. Foram necessários vários refinamentos das idéias originais de Guth para formar a teoria atual da inflação, mas as observações subsequentes - incluindo flutuações na radiação cósmica de fundo em microondas - confirmaram suas previsões. O universo não apenas começou com uma explosão, mas também tinha outro estado especial, mesmo antes de acontecer o Big Bang.
Os restos da supernova 1987a localizada na Grande Nuvem de Magalhães a 165.000 anos-luz de distância. Por mais de trezentos séculos, foi a supernova observada mais próxima da Terra
1980s. Pode parecer que nada de sério aconteceu, mas foi em 1987 que a supernova mais próxima foi observada da Terra. Isso acontece uma vez a cada cem anos. Foi também a primeira supernova a ocorrer quando tínhamos detectores capazes de detectar neutrinos de tais eventos. Embora tenhamos visto muitas supernovas em outras galáxias, nunca as observamos perto o suficiente para testemunhar seus neutrinos. Esses 20 ou mais neutrinos marcaram o início da astronomia dos neutrinos e os desenvolvimentos subsequentes que levaram às oscilações dos neutrinos, à detecção de massas de neutrinos e aos neutrinos de neutrinos de supernovas que ocorrem em galáxias a milhões de anos-luz de distância. Se nossos detectores modernos funcionassem na hora certa, a próxima explosão de supernova permitiria que centenas de milhares de neutrinos fossem capturados.
Quatro destinos possíveis do universo, dos quais o último se ajusta melhor aos dados: Um universo com energia escura. Foi descoberto pela primeira vez graças a observações de supernovas distantes
1990s. Se você pensava que a matéria escura e a descoberta do início do universo eram descobertas importantes, imagine o choque em 1998 quando descobriram que o universo estava prestes a acabar. Historicamente, imaginamos três destinos possíveis:
- A expansão do Universo não será suficiente para superar a atração gravitacional de tudo e de todos, e o Universo se contrairá novamente na Grande Compressão
- A expansão do Universo será demais, e tudo unido pela gravidade se espalhará, e o Universo congelará
- Ou nos encontraremos na fronteira desses dois resultados e a taxa de expansão tenderá assintoticamente a zero, mas nunca chegará a ela: Universo Crítico
Em vez disso, no entanto, supernovas distantes mostraram que a expansão do universo está se acelerando e que, com o passar do tempo, as galáxias distantes se afastam cada vez mais rapidamente. O universo não apenas congelará, mas todas as galáxias que não estão ligadas umas às outras irão eventualmente desaparecer além do nosso horizonte cósmico. Além das galáxias em nosso grupo local, nenhuma galáxia encontrará a Via Láctea, e nosso destino será frio e solitário. Em 100 bilhões de anos, não veremos outras galáxias além da nossa.
2000s. Nossas medições de flutuações (ou imperfeições) no pós-brilho do Big Bang nos ensinaram coisas incríveis: aprendemos exatamente do que o universo é feito. Os dados do COBE substituíram os dados do WMAP, que por sua vez foram aprimorados pelo Planck. Tomados em conjunto, os dados de estruturas em grande escala de grandes pesquisas de galáxias (como 2dF e SDSS) e dados de supernovas distantes nos forneceram uma imagem moderna do universo:
- 0,01% de radiação na forma de fótons, - 0,1% de neutrinos, que contribuem ligeiramente para os halos gravitacionais em torno de galáxias e aglomerados, - 4,9% da matéria comum, que inclui tudo que consiste em partículas atômicas, - 27% de matéria escura, ou partículas misteriosas, não interagindo (exceto gravitacionalmente) que fornecem ao Universo a estrutura que observamos, - 68% de energia escura, que é inerente ao próprio espaço.
2010th. Esta década ainda não acabou, mas já encontramos nossos primeiros planetas semelhantes à Terra potencialmente habitáveis (embora muito distantes), entre os milhares e milhares de novos exoplanetas descobertos pela missão Kepler da NASA. Esta pode não ser a maior descoberta da década, porque a detecção direta de ondas gravitacionais do LIGO confirmou a imagem que Einstein traçou em 1915. Mais de um século depois que a teoria de Einstein desafiou Newton pela primeira vez, a relatividade geral passou por todas as tentativas e testes que foi oferecida.
A história científica ainda está sendo escrita e ainda há muito a ser descoberto no universo. Mas esses 11 passos nos levaram de um universo de idade desconhecida, não maior do que nossa galáxia, principalmente composta de estrelas, para um universo em expansão e resfriamento governado pela matéria escura, energia escura e nossa matéria comum. Tem muitos planetas potencialmente habitáveis, tem 13,8 bilhões de anos e começou com o Big Bang, que também resultou da inflação cósmica. Aprendemos sobre a origem do Universo, sobre seu destino, sobre a aparência, estrutura e tamanho - e tudo isso mais de 100 anos. Talvez os próximos 100 anos sejam cheios de surpresas que nem sequer podemos imaginar.
Ilya Khel
