A visão do SDSS no infravermelho - com APOGEE - da galáxia Via Láctea, vista em direção ao centro. 100 anos atrás, essa era a nossa concepção de todo o universo. Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey.

11 avanços científicos dos últimos 100 anos nos deram todo o nosso universo

De um Universo que não foi maior que a nossa Via Láctea, até os trilhões de galáxias em nosso Universo em expansão, nosso conhecimento aumentou um passo de cada vez.

“Gamow foi fantástico em suas idéias. Ele estava certo, ele estava errado. Mais frequentemente errado do que certo. Sempre interessante; ... e quando a ideia dele não estava errada, não estava apenas certa, era nova. ” -Edward Teller

Exatamente 100 anos atrás, nossa concepção do Universo era muito diferente do que é hoje. As estrelas dentro da Via Láctea eram conhecidas, e eram conhecidas por estar a distâncias de milhares de anos-luz de distância, mas nada foi pensado para estar mais longe. O Universo era considerado estático, pois as espirais e elípticas no céu eram objetos contidos em nossa própria galáxia. A gravidade de Newton ainda não havia sido derrubada pela nova teoria de Einstein, e idéias científicas como o Big Bang, a matéria escura e a energia escura ainda nem haviam sido pensadas. Mas, a cada década, grandes avanços foram feitos, até os dias atuais. Aqui está um destaque de como cada um avançou nossa compreensão científica do Universo.

Os resultados da expedição de Eddington em 1919 mostraram, conclusivamente, que a Teoria Geral da Relatividade descreveu a inclinação da luz das estrelas em torno de objetos maciços, derrubando a imagem newtoniana. Crédito de imagem: The Illustrated London News, 1919.

Década de 1910 - confirmada a teoria de Einstein! A Relatividade Geral ficou famosa por explicar que a gravidade de Newton não podia: a precessão da órbita de Mercúrio ao redor do Sol. Mas não basta uma teoria científica explicar algo que já observamos; ele precisa fazer uma previsão sobre algo que ainda está para ser visto. Embora tenha havido muitos ao longo do século passado - dilatação do tempo gravitacional, lentes fortes e fracas, arrastamento de quadros, desvio para o vermelho gravitacional etc. -, o primeiro foi a curvatura da luz das estrelas durante um eclipse solar total, observado por Eddington e seus colaboradores em 1919. A quantidade observada de curvatura da luz das estrelas ao redor do Sol era consistente com Einstein e inconsistente com Newton. Assim, nossa visão do universo mudaria para sempre.

A descoberta de Hubble de uma variável cefeida na galáxia de Andrômeda, M31, abriu o Universo para nós. Crédito da imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e a Equipe do Patrimônio Hubble. Crédito da imagem: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay e a Equipe do Patrimônio Hubble.

1920 - Ainda não sabíamos que havia um universo além da Via Láctea, mas tudo mudou na década de 1920 com o trabalho de Edwin Hubble. Ao observar algumas das nebulosas em espiral no céu, ele conseguiu identificar estrelas individuais variáveis ​​do mesmo tipo conhecidas na Via Láctea. Só que o brilho deles era tão baixo que eles precisavam estar a milhões de anos-luz de distância, colocando-os longe da extensão de nossa galáxia. O Hubble não parou por aí, medindo a velocidade e as distâncias da recessão em mais de uma dúzia de galáxias, descobrindo o vasto Universo em expansão que conhecemos hoje.

As duas grandes e brilhantes galáxias no centro do Coma Cluster, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (direita), excedem cada milhão de anos-luz de tamanho. Mas as galáxias nos arredores, andando tão rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. Crédito da imagem: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universidade do Arizona.

Década de 1930 - Pensou-se por um longo tempo que se você pudesse medir toda a massa contida nas estrelas e, talvez, adicionar gás e poeira, seria responsável por toda a matéria do Universo. No entanto, ao observar as galáxias dentro de um aglomerado denso (como o aglomerado de Coma, acima), Fritz Zwicky mostrou que as estrelas e o que conhecemos como "matéria normal" (isto é, átomos) era insuficiente para explicar os movimentos internos desses aglomerados. Ele apelidou essa nova matéria dunkle materie, ou matéria escura, uma observação que foi amplamente ignorada até a década de 1970, quando a matéria normal era mais bem compreendida, e a matéria escura demonstrava existir em grande abundância em galáxias individuais rotativas. Agora sabemos que ele supera a matéria normal na proporção de 5: 1.

A linha do tempo da história do nosso universo observável, onde a parte observável se expande para tamanhos cada vez maiores à medida que avançamos no tempo, longe do Big Bang. Crédito de imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Década de 1940 - Enquanto a grande maioria dos recursos experimentais e observacionais foram utilizados em satélites de espionagem, foguetes e desenvolvimento de tecnologia nuclear, os físicos teóricos ainda trabalhavam duro. Em 1945, George Gamow fez a extrapolação final do Universo em expansão: se o Universo está se expandindo e esfriando hoje, então deve ter sido mais quente e denso no passado. Retrocedendo, deve ter havido um tempo em que era tão quente e denso que átomos neutros não podiam se formar, e antes disso onde núcleos atômicos não podiam se formar. Se isso fosse verdade, antes que qualquer estrela se formasse, esse material com o qual o Universo começou deveria ter uma proporção específica dos elementos mais leves, e deveria haver um brilho restante permeando todas as direções do Universo apenas alguns graus acima do zero absoluto hoje. . Hoje, essa estrutura é conhecida como Big Bang e foi a melhor idéia que surgiu na década de 1940.

Esse corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, onde é a fusão nuclear. O processo de fusão, tanto nas estrelas do Sol como em seus primos mais massivos, é o que nos permite construir os elementos pesados ​​presentes em todo o Universo hoje. Crédito da imagem: Kelvinsong, usuário do Wikimedia Commons.

Década de 1950 - Mas uma idéia concorrente para o Big Bang era o modelo Steady-State, apresentado por Fred Hoyle e outros durante o mesmo tempo. Espetacularmente, ambos os lados argumentaram que todos os elementos mais pesados ​​presentes na Terra hoje foram formados em um estágio anterior do Universo. O que Hoyle e seus colaboradores argumentaram foi que eles foram feitos não durante um estado inicial, quente e denso, mas nas gerações anteriores de estrelas. Hoyle, juntamente com os colaboradores Willie Fowler e Geoffrey e Margaret Burbidge, detalhou exatamente como os elementos seriam construídos na tabela periódica a partir da fusão nuclear que ocorre nas estrelas. Mais espetacularmente, eles previram a fusão do hélio no carbono através de um processo nunca antes observado: o processo alfa-triplo, exigindo a existência de um novo estado de carbono. Esse estado foi descoberto por Fowler alguns anos depois de ter sido proposto por Hoyle e hoje é conhecido como o estado de carbono Hoyle. Com isso, aprendemos que todos os elementos pesados ​​existentes na Terra hoje devem sua origem a todas as gerações anteriores de estrelas.

Se pudéssemos ver a luz de microondas, o céu noturno se pareceria com o oval verde a uma temperatura de 2,7 K, com o

Década de 1960 - Após cerca de 20 anos de debate, foi descoberta a principal observação que decidiria a história do Universo: a descoberta do brilho restante previsto do Big Bang, ou do Fundo Cósmico de Microondas. Esse uniforme, radiação de 2.725 K, foi descoberto em 1965 por Arno Penzias e Bob Wilson, nenhum dos quais percebeu o que descobriram a princípio. No entanto, com o tempo, o espectro total de corpos negros dessa radiação e até suas flutuações foram medidos, mostrando-nos que o Universo começou com um "estrondo", afinal.

Os estágios iniciais do Universo, antes do Big Bang, são o que estabelece as condições iniciais das quais tudo o que vemos hoje evoluiu. Essa foi a grande idéia de Alan Guth: inflação cósmica. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA / Planck e da força-tarefa interinstitucional DoE / NASA / NSF na pesquisa da CMB.

Década de 1970 - No final de 1979, um jovem cientista teve a idéia de uma vida. Alan Guth, procurando uma maneira de resolver alguns dos problemas inexplicáveis ​​do Big Bang - por que o Universo era tão espacialmente plano, por que tinha a mesma temperatura em todas as direções e por que não havia relíquias de energia ultra alta - sobre uma ideia conhecida como inflação cósmica. Diz que antes que o Universo existisse em um estado quente e denso, ele estava em um estado de expansão exponencial, onde toda a energia estava ligada ao tecido do próprio espaço. Foram necessárias várias melhorias nas idéias iniciais de Guth para criar a teoria moderna da inflação, mas observações subsequentes - incluindo as flutuações no CMB, a estrutura em larga escala do Universo e a maneira como as galáxias se agrupam, agrupam e formam - todos têm justificado as previsões da inflação. Não apenas nosso Universo começou com um estrondo, mas havia um estado que existia antes que o Big Bang quente ocorresse.

O remanescente da supernova 1987a, localizado na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. Foi a supernova mais próxima observada da Terra em mais de três séculos. Crédito da imagem: Noel Carboni e o ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980 - Pode não parecer muito, mas em 1987, a supernova mais próxima da Terra ocorreu em mais de 100 anos. Foi também a primeira supernova a ocorrer quando tivemos detectores on-line capazes de encontrar neutrinos a partir desses eventos! Embora tenhamos visto muitas supernovas em outras galáxias, nunca havíamos ocorrido antes tão perto que pudessem ser observados neutrinos. Esses cerca de 20 neutrinos marcaram o início da astronomia de neutrinos, e desenvolvimentos subsequentes levaram à descoberta de oscilações de neutrinos, massas de neutrinos e neutrinos de supernovas ocorrendo a mais de um milhão de anos-luz de distância. Se os detectores atuais ainda estiverem operacionais, a próxima supernova em nossa galáxia terá mais de cem mil neutrinos detectados.

Os quatro destinos possíveis do Universo, com o exemplo inferior que se ajusta melhor aos dados: um Universo com energia escura. Isso foi descoberto pela primeira vez com observações distantes da supernova. Crédito da imagem: E. Siegel / além da galáxia.

Década de 1990 - Se você pensou que a matéria escura e descobrir como o Universo começou era grande coisa, então você pode imaginar como foi um choque em 1998 descobrir como o Universo iria terminar! Historicamente, imaginamos três destinos possíveis:

  • Que a expansão do Universo seria insuficiente para superar a força gravitacional de tudo, e o Universo recolocaria em um Big Crunch.
  • Que a expansão do Universo seria grande demais para a gravitação combinada de tudo, e tudo no Universo fugiria um do outro, resultando em um grande congelamento.
  • Ou que estaríamos na fronteira entre esses dois casos, e a taxa de expansão chegaria a zero, mas nunca chegaria a isso: um universo crítico.

Em vez disso, as supernovas distantes indicavam que a expansão do Universo estava se acelerando e que, com o passar do tempo, galáxias distantes aumentavam sua velocidade umas das outras. Não apenas o Universo congelará, mas todas as galáxias que ainda não estão ligadas umas às outras desaparecerão além do nosso horizonte cósmico. Além das galáxias de nosso grupo local, nenhuma outra galáxia encontrará nossa Via Láctea, e nosso destino será frio e solitário. Em outros 100 bilhões de anos, não poderemos ver galáxias além da nossa.

As flutuações no Cosmic Microwave Background foram primeiro medidas com precisão pelo COBE nos anos 90, depois com mais precisão pelo WMAP nos anos 2000 e Planck (acima) nos anos 2010. Esta imagem codifica uma enorme quantidade de informações sobre o Universo primitivo. Crédito de imagem: ESA e a colaboração Planck.

Década de 2000 - A descoberta do fundo cósmico de microondas não terminou em 1965, mas nossas medidas das flutuações (ou imperfeições) do brilho restante do Big Bang nos ensinaram algo fenomenal: exatamente do que o Universo era feito. Os dados do COBE foram substituídos pelo WMAP, que por sua vez foi aprimorado pelo Planck. Além disso, dados de estrutura em larga escala de grandes pesquisas de galáxias (como 2dF e SDSS) e dados distantes de supernovas foram combinados para nos dar uma imagem moderna do universo:

  • 0,01% de radiação na forma de fótons,
  • 0,1% de neutrinos, que contribuem levemente para os halos gravitacionais que circundam galáxias e aglomerados,
  • 4,9% de matéria normal, que inclui tudo feito de partículas atômicas,
  • 27% de matéria escura, ou as misteriosas partículas que não interagem (exceto gravitacionalmente) que dão ao Universo a estrutura que observamos,
  • e 68% de energia escura, inerente ao próprio espaço.
Os sistemas Kepler-186, Kepler-452 e nosso Sistema Solar. Enquanto o planeta em torno de uma estrela anã vermelha como o Kepler-186 é interessante em seus próprios direitos, o Kepler-452b pode ser muito mais parecido com a Terra por várias métricas. Crédito da imagem: NASA / JPL-CalTech / R. Ferido.

2010s - A década ainda não acabou, mas até agora já descobrimos nossos primeiros planetas habitáveis ​​potencialmente semelhantes à Terra, entre os milhares e milhares de novos exoplanetas descobertos pela missão Kepler da NASA, entre outros. No entanto, sem dúvida, essa não é a maior descoberta da década, pois a detecção direta de ondas gravitacionais do LIGO não apenas confirma a imagem que Einstein pintou pela primeira vez, em 1915. Mais de um século depois da teoria de Einstein ter competido pela primeira vez. com Newton para ver quais eram as regras gravitacionais do Universo, a relatividade geral passou em todos os testes lançados, sucedendo às menores complexidades já medidas ou observadas.

Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável à que o LIGO viu. A expectativa é que haja muito pouco na forma de um sinal eletromagnético emitido por essa fusão, mas a presença de matéria fortemente aquecida ao redor desses objetos pode mudar isso. Crédito de imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

A história científica ainda não está pronta, pois ainda há muito a descobrir sobre o Universo. No entanto, esses 11 passos nos levaram de um Universo de idade desconhecida, não maior que a nossa própria galáxia, composta principalmente de estrelas, para um Universo em expansão e resfriamento alimentado por matéria escura, energia escura e nossa própria matéria normal, repleta de habitualmente potencialmente habitável. planetas e com 13,8 bilhões de anos, originários de um Big Bang que foi criado pela inflação cósmica. Conhecemos a origem do nosso Universo, seu destino, como é hoje e como foi assim. Que os próximos 100 anos ocorram tantos avanços científicos, revoluções e surpresas para todos nós.

Começa com um estrondo agora está na Forbes e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon. Ethan é autor de dois livros, Beyond The Galaxy, e Treknology: The Science of Star Trek, de Tricorders a Warp Drive.