Copyright©NeildeGrasseTyson,2017

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Todososdireitosreservados.

Títulooriginal:Astrophysicsforpeopleinahurry

Preparação:LuizPereira

Revisão:JulianaRodrigueseElisaMartins

Revisãotécnica:CassioBarbosa

Diagramação:Futura

Capa:PeteGarceau

Imagemdecapa:iStockphoto

AdaptaçãoparaeBook:Hondana

DadosInternacionaisdeCatalogaçãonaPublicação(CIP)AngélicaIlacquaCRB-8/7057

T899a

Tyson,NeilDegrasse

Astrofísicaparaapressados/NeilDegrasseTyson;traduçãoAlexandreMartins.-1.ed.-SãoPaulo:Planeta,2017.

Traduçãode:AstrophysicsforpeopleinahurryISBN978-85-422-1099-6

1.Astrofísica.I.Martins,Alexandre.II.Título.

17-43481CDD:523CDU:52

2017

Todososdireitosdestaediçãoreservadosà

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Paratodosaquelesocupadosdemaisparalerlivrosgrossos,equeaindaassimbuscamumcanalparaocosmos

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SUMÁRIO

PREFÁCIO

Amaiorhistóriajácontada

NaTerracomonocéu

Faça-sealuz

Entreasgaláxias

Matériaescura

Energiaescura

Ocosmosnatabela

Sobreserredondo

Luzinvisível

Entreosplanetas

ExoplanetaTerra

Reflexõessobreaperspectivacósmica

AGRADECIMENTOS

ÍNDICEREMISSIVO

SOBREOAUTOR

PREFÁCIO

Nosúltimosanos,nãosepassamaisdeumasemanasemqueanotícia de uma descoberta cósmica chegue às manchetes.Emboraaquelesquecontrolamamídiapossamterdesenvolvidoum interesse pelo universo, esse aumento da coberturaprovavelmente deriva de um verdadeiro aumento do apetitepopular pela ciência. São abundantes os sinais, desde bem-sucedidos programas de televisão inspirados ou baseados naciência, ao sucessode filmesde ficçãocientíficaestreladosporatores famosos e levados às telas por produtores e diretoresfestejados. E, ultimamente, lançamentos de filmes biográficossobre importantes cientistas se tornaram um gênero próprio.Tambémháaoredordomundograndeinteresseporfestivaisdeciência, convenções de ficção científica e documentárioscientíficosparaatelevisão.Ofilmemaislucrativodetodosostemposéodeumfamoso

diretor que ambientou sua história em um planeta que orbitauma estrela distante. É estrelado por uma atriz famosa queinterpreta uma astrobióloga. Embora amaioria dos campos daciência tenha crescido recentemente, o campo da astrofísicaconstantemente está no topo. Acho que sei o motivo. Em ummomento ou outro, todos nós olhamos para o céu noturno eimaginamos:oquetudoissosignifica?Comotudoissofunciona?

Equaléomeulugarnouniverso?Se você é ocupado demais para absorver o cosmos por

intermédio de aulas, livros acadêmicos oudocumentários,masmesmoassimbuscaumarápida,porémsignificativa,introduçãoao campo, ofereço-lhe Astrofísica para apressados. Com estepequeno livro você ganhará uma fluência básica em todas asprincipais ideias e descobertas que conduzem nossa modernacompreensão do universo. Caso eu tenha sucesso, você ficaráculturalmentefamiliarizadocomminhaáreadeespecializaçãoesedentopormais.

Ouniversonãotemobrigaçãodefazersentidoparavocê.

NDT

1

Amaiorhistóriajácontada

Omundopersistiuporumlongoano,tendosidoemdadomomentocolocadonodevidomovimento.

Apartirdissotudosesegue.

LUCRÉCIO,c.50a.C.

Nocomeço,háquase14bilhõesdeanos,todooespaço,todaamatéria e toda a energia do universo conhecido estavamcontidos emumvolumemenorque 1 trilionésimodo tamanhodopontofinalqueencerraestafrase.As condições eram muito quentes, as forças básicas da

natureza que coletivamente descrevem o universo eramunificadas.Emboraaindanãosesaibacomoelepassouaexistir,esse cosmos que era menor que um ponto só poderia seexpandir. Rapidamente. Naquilo que hoje chamamos de BigBang.A teoria geral da relatividade de Einstein, apresentada em

1916, nos dá a compreensãomoderna da gravidade, na qual a

presença de matéria e energia curva o tecido do espaço e dotempoqueasenvolve.Nosanos1920,amecânicaquânticaseriadescoberta, fornecendo nosso relato moderno de tudo que épequeno:moléculas,átomosepartículassubatômicas.Masessasduascompreensõesdanaturezasãoformalmenteincompatíveisumacomaoutra,oque lançouos físicosemumacorridaparafundirateoriadopequenocomadograndeemumaúnicateoriacoerente de gravitação quântica. Embora ainda não tenhamosalcançado a linhade chegada, sabemos exatamente onde estãoosobstáculosmais altos.Umdeles estána“eradePlanck”docomeçodouniverso.Éointervalodetempoentret=0et=10-43 segundos (um décimo de milionésimo de trilionésimo detrilionésimo de trilionésimo de segundo) depois do começo, eantesqueouniversocrescessepara10-35metros(umcentésimode bilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de metro) dediâmetro.OfísicoalemãoMaxPlanck,emnomedequemessasquantidades inimaginavelmente pequenas são batizadas,introduziuaideiadeenergiaquantizadaem1900,eé,emgeral,consideradoopaidamecânicaquântica.Ochoqueentregravidadeemecânicaquânticanãorepresenta

nenhum problema prático para o universo contemporâneo. Osastrofísicos aplicam os princípios e as ferramentas darelatividade geral e da mecânica quântica a tipos muitodiferentesdeproblemas.Masnoprincípio,duranteaeraPlanck,ograndeerapequeno,edesconfiamosquedeveterhavidoumaespécie de casamento forçado entre os dois. Infelizmente, osvotos feitos durante essa cerimônia continuam a nos escapar,então nenhuma lei (conhecida) da física descreve com alguma

confiançaocomportamentodouniversoduranteaqueleperíodo.Ainda assim, esperamos que ao final da era Planck a

gravidadetenhaselibertadodasoutrasforçasdanaturezaaindaunificadas, conquistando uma identidade independentebelamente descrita por nossas atuais teorias. À medida que ouniversoenvelheciaparaalémde10-35segundos,elecontinuoua se expandir, diluindo todas as concentrações de energia, e oque restou das forças unificadas se dividiu entre forças“eletrofracas” e forças “nucleares fortes”. Posteriormente, aforça eletrofraca se dividiu em forças eletromagnéticas e“nucleares fracas”, desnudando as quatro forças distintas quepassamos a conhecer e amar: com a força fraca controlando odecaimento radioativo, a força nuclear forte unindo o núcleoatômico, a força eletromagnética unindo as moléculas e agravidadeunindomatériacondensada.

*

Umtrilionésimodesegundosepassoudesdeocomeço.

*

Aomesmotempo,ainteraçãodematérianaformadepartículassubatômicas e energia na forma de fótons (condutores semmassa de energia luminosa que são tanto ondas quantopartículas) era incessante. O universo era suficientementequente para que esses fótons espontaneamente convertessem

suaenergiaemparesdepartículasdematériaeantimatéria,queimediatamente depois se aniquilavam, devolvendo sua energiaaos fótons. Sim, a antimatéria é real. E nós descobrimos isso,não os autores de ficção científica. Essas metamorfoses sãointeiramenteprevistaspelamaisfamosaequaçãodeEinstein:E=mc2, que é uma receita demão dupla de quantamatéria suaenergia vale, e quanta energia vale a sua matéria. O c2 é avelocidade da luz ao quadrado – um número enorme que,quando multiplicado pela massa, nos lembra quanta energiavocêdefatoconseguenesseexercício.Poucoantes,duranteedepoisqueasforçasnuclearesfortese

aseletrofracassesepararam,ouniversoeraumasopaagitadadequarks, léptons e seus irmãosde antimatéria, juntamente combósons, as partículas que permitem suas interações. Nenhumadessas famílias de partículas é considerada divisível em algomenor ou mais básico, embora cada uma tenha diversasvariedades.O fóton comumémembroda família dobóson.Osléptonsmaisconhecidosporumnãofísicosãooelétronetalvezo neutrino; e os quarks mais conhecidos são... Bem, não háquarks conhecidos. Cadaumade suas seis subespécies recebeuum nome abstrato que não tem qualquer verdadeiro objetivofilológico,filosóficooupedagógico,anãoserdistinguirumdosoutros:acima(up)eabaixo(down),estranho(strange)echarme(charmed),ecume(top)ebase(bottom).Osbósons,porfalarnisso,sãobatizadosemhomenagemao

cientistaindianoSatyendraNathBose.Apalavra“lépton”derivado grego leptos, que significa “fino” ou “estreito”. “Quark”,contudo,temumaorigemliteráriaemuitomaiscriativa.Ofísico

MurrayGell-Mann,queem1964sugeriuaexistênciadosquarkscomo componentes internos de nêutrons e prótons, e que naépoca acreditava que a família quark tinha apenas trêsmembros, tomou o nome de uma frase tipicamenteincompreensível no Finnegans Wake, de James Joyce: “Threequarks forMusterMark!”.Uma coisaosquarks têma seu favor:todososseusnomessãosimples–algoquequímicos,biólogose, especialmente, geólogos parecem incapazes de conseguir aonomearsuasprópriascoisas.Quarkssão feras imprevisíveis.Diferentementedosprótons,

comcargaelétricade+1,edoselétrons,comcargaelétricade–1,osquarkstêmcargasfracionadasnaformadeterços.Evocênunca flagra um quark sozinho; ele sempre estará agarrandooutros quarks próximos.Na verdade, a força quemantémdois(oumais)delesjuntossetornamaispoderosaquantomaisvocêos afasta– como se estivessem ligados por alguma espécie deelástico subnuclear. Se você separar os quarks o suficiente oelástico se rompe, e a energia acumulada invoca E = mc2 paracriarumnovoquarkemcadaextremidade,devolvendovocêaocomeço.Durante a era quark-lépton, o universo era suficientemente

denso para que a separação média entre quarks não ligadosrivalizasse com a separação entre quarks ligados. Nessascondições, a ligação entre quarks adjacentes não podia serestabelecida sem incerteza, e eles se moviam livremente, adespeito de estarem coletivamente ligados uns aos outros. Adescobertadesseestadodamatéria,umaespéciedecaldeirãodequarks, foidescritapelaprimeiravezem2002porumaequipe

de físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven, em LongIsland,NovaYork.Fortes evidências teóricas sugerem que um acontecimento

bemnoprincípiodouniverso, talvezduranteumadasdivisõesdeforças,dotououniversodeumamarcanteassimetria,naqualpartículas de matéria superavam por pouco as partículas deantimatéria: de 1 bilhão e uma para 1 bilhão. Essa pequenadiferençanapopulaçãodificilmenteserianotadaporalguémemmeio à contínua criação, aniquilação e recriação de quarks eantiquarks, elétrons e antielétrons (mais conhecidos comopósitrons), eneutrinos e antineutrinos.Aquela partícula ímpartinha muitas oportunidades de encontrar alguém a aniquilar,assimcomotodasasoutras.Mas não por muito tempo. À medida que o cosmos

continuavaaseexpandireresfriar,setornandomaiordoqueotamanho de nosso sistema solar, a temperatura baixourapidamenteparamenosde1trilhãoKelvin.

*

Ummilionésimodesegundosepassoudesdeocomeço.

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Esse universo morno já não era quente ou denso o suficienteparacozinharquarks,entãotodoselesescolheramparceirosdedança, criando uma nova família permanente de partículas

pesadas chamada de hádrons (da palavra grega hadrós, quesignifica “espesso”). Essa transição de quark a hádron logoresultouno surgimento de prótons e nêutrons, alémde outraspartículas pesadas menos conhecidas, todas compostas dediversascombinaçõesdeespéciesdequark.NaSuíça(devoltaàTerra), a cooperação europeia de física de partículas[1] usa umgrandeaceleradorparaprovocaracolisãode feixesdehádronsem uma tentativa de recriar exatamente essas condições. Amaiormáquina domundo é sensatamente chamada deGrandeColisordeHádrons.A leve assimetria entrematéria e antimatéria que afetava a

sopa de quarks-léptons foi transferida para os hádrons, mascomconsequênciasextraordinárias.À medida que o universo continuou a esfriar, o volume de

energia disponível para a criação espontânea de partículasbásicas baixou. Durante a era do hádron, fótons ambientes jánão podiam invocar E = mc2 para fabricar pares de quark-antiquark.Nãoapenasisso,osfótonsqueemergiramdetodasasaniquilações remanescentes perderam energia para o universoemconstanteexpansão,ficandoabaixodolimitenecessárioparacriar pares hádron-anti-hádron. Para cada bilhão deaniquilações–deixandoemseurastro1bilhãodefótons–,umúnicohádronsobrevivia.Essessolitáriosacabariamficandocomtoda a diversão: funcionando como a fonte fundamental dematériaparacriargaláxias,estrelas,planetasepetúnias.Sem o desequilíbrio de 1 bilhão e um para 1 bilhão entre

matéria e antimatéria, toda a massa no universo teria seautoaniquilado,deixandoumcosmosfeitodefótonsemaisnada

–ocenárioradicaldefaça-sealuz.

*

Agora,umsegundodetemposepassou.

*

O universo cresceu para até alguns anos-luz de diâmetro,[2]

aproximadamente a distância do Sol às suas estrelas vizinhasmaispróximas.A1bilhãodegraus,aindaestábastantequente–eaindapermitindocozinharelétrons,que,juntamentecomseuscorrespondentes pósitrons, continuam a entrar e sair daexistência. Mas no universo sempre em expansão e sempreresfriando, seusdias (na verdade, segundos) estão contados.Oque era verdade para os quarks e verdade para os hádrons, setornouverdadeparaoselétrons:nofinal,apenas1elétronem1bilhão sobrevive.O restante seaniquila comospósitrons, seusparceirosdeantimatéria,emummardefótons.Nesteinstante,umelétronparacadaprótonfoi“congelado”

na existência. À medida que o cosmos continua a esfriar –baixandode100milhõesdegraus–,osprótonssefundemcomprótons,bemcomocomnêutrons,formandonúcleosatômicosefazendo eclodir um universo em que 90% desses núcleos sãohidrogênioe10%sãohélio, juntamentecomvolumesresiduaisdedeutério(hidrogênio“pesado”),trítio(hidrogênioaindamaispesado)elítio.

*

Agora,doisminutossepassaramdesdeocomeço.

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Duranteoutros380milanosnãoaconteceriamuitoànossasopade partículas. Durante todos esses milênios a temperaturapermanecesuficientementequenteparaqueoselétronscorramlivrementeentreosfótons,jogando-osdeumladoparaooutroenquantointeragemunscomosoutros.Mas essa liberdade chega a um final abrupto quando a

temperatura do universo desce abaixo de 3 mil Kelvin(aproximadamentemetadedatemperaturanasuperfíciedoSol),e todos os elétrons livres se combinam com núcleos. Ocasamentodeixaparatrásumbanhoonipresentedeluzvisível,gravando para sempre no céu um registro de onde toda amatériaestavanaquelemomentoecompletandoaformaçãodepartículaseátomosnouniversoprimordial.

*

Noprimeirobilhãodeanos,ouniversocontinuouaseexpandire resfriar à medida que matéria gravitava nas enormesconcentrações que chamamos de galáxias. Quase 100 bilhõesdelas se formaram, cadauma contendo centenasde bilhõesdeestrelasquepassamporfusãotermonuclearemseusnúcleos.As

estrelascommaisdeaproximadamente10vezesamassadoSolconseguem pressão e temperatura suficientes em seus núcleospara fabricar dezenas de elementos mais pesados que ohidrogênio,incluindoaquelesquecompõemplanetasequalquervidaquepossaexistirneles.Esses elementos seriam incrivelmente inúteis caso

permanecessem onde foram formados.Mas estrelas de grandemassa por sorte explodem, espalhando suas entranhasquimicamenteenriquecidasportodaagaláxia.Após9bilhõesdeanosdetalenriquecimento,emumapartebanaldouniverso(aperiferiadoSuperaglomeradodeVirgem),emumagaláxiabanal(a Via Láctea), em uma região banal (o Braço de Órion), umaestrelabanal(oSol)nasceu.AnuvemdegásapartirdaqualoSolseformoucontinhaum

suprimentosuficientedeelementospesadosparaseaglutinaregerar um conjunto complexo de objetos orbitantes que incluíavários planetas rochosos e gasosos, centenas de milhares deasteroides e bilhões de cometas. Nas primeiras centenas demilhõesdeanos,grandesquantidadesdedetritoespalhadoporórbitas irregulares se juntariama corposmaiores. Issoocorreuna forma de impactos de alta velocidade e grande energia quederreteram as superfícies dos planetas rochosos, impedindo aformaçãodemoléculascomplexas.Àmedidaquerestavacadavezmenosmatériaaglutinanteno

sistemasolar,assuperfíciesdosplanetascomeçaramaresfriar.Aquele que chamamos de Terra se formou emuma espécie dezona Cachinhos Dourados ao redor do Sol, na qual os oceanospermaneciamemgrandemedidaemformalíquida.CasoaTerra

estivessemuitomaispertodoSolosoceanosteriamevaporado.Caso a Terra estivessemuitomais distante, os oceanos teriamcongelado. Em qualquer um dos casos, a vida como aconhecemosnãoteriaevoluído.Nosoceanoslíquidosquimicamentericos,porummecanismo

que ainda não foi descoberto, moléculas orgânicas fizeram atransição para vida capaz de se reproduzir. Nessa sopaprimordial eram predominantes as bactérias anaeróbicassimples–vidaquefloresceemambientescarentesdeoxigênio,mas libera oxigênio quimicamente poderoso como um dossubprodutos. Esses organismos unicelulares iniciais nãointencionalmentetransformaramaatmosferaricaemdióxidodecarbonodaTerraemumacomoxigêniosuficienteparapermitirqueorganismosaeróbicossurgissemedominassemosoceanosea terra. Esses mesmos átomos de oxigênio, normalmenteencontradosempares(O2),tambémsecombinaramparaformarozônio (O3) na atmosfera superior, o que funciona como umescudoqueprotegeasuperfíciedaTerradamaioriadosfótonsultravioletasdoSol,quesãohostisàsmoléculas.Devemos a impressionante diversidade da vida na Terra e,

supomos,emoutroslugaresdouniverso,àabundânciacósmicadecarbonoeàsinúmerasmoléculassimplesecomplexasqueocontêm. Não há dúvida quanto a isso: há mais variedades demoléculasbaseadasemcarbonodoquetodososoutrostiposdemoléculascombinados.Mas a vida é frágil. Eventuais encontros da Terra com

grandescometaseasteroidesàderiva,antesumacontecimentocomum, intermitentemente arrasam o nosso ecossistema. Há

apenas65milhõesdeanos(menosde2%dopassadodaTerra),umasteroidede10trilhõesdetoneladasatingiuoqueéhojeapenínsula de Yucatán e eliminou mais de 70% da flora e dafauna da Terra – incluindo todos os famosos e enormesdinossauros. Extinção. Essa catástrofe ecológica permitiu quenossosancestraismamíferosocupassemnichosrecém-abertos,emvezdecontinuaraservircomoaperitivosparaoT.Rex.Umramodecérebrosgrandesdessesmamíferos,quechamamosdeprimatas,evoluiuparaumgêneroeumaespécie(Homosapiens)cominteligênciasuficienteparainventarmétodoseferramentasdaciência–ededuziraorigemeaevoluçãodouniverso.

*

Oque aconteceu antes de tudo isso?O que aconteceu antes docomeço?Os astrofísicos não fazem ideia. Ou melhor, nossas ideias

maiscriativastêmpoucaounenhumabasenaciênciaempírica.Como reação, alguns religiosos afirmam, com um tom desuperioridademoral,quealgodeveterdado inícioa tudo:umaforçasuperioratodasasoutras,umafontedaqual tudobrota.Um agente primordial. Namente dessas pessoas, essa coisa é,claro,Deus.Maseseouniversosempretivesseexistidoali,emumestado

oucondiçãoqueaindanão identificamos–ummultiverso,porexemplo, que continuamente dê à luz universos? Ou e se ouniverso simplesmente brotou do nada? Ou e se tudo o quesabemoseamamosfosseapenasumasimulaçãodecomputador

criada para a diversão de uma espécie alienígenasuperinteligente?Essas ideias filosoficamente divertidas em geral não

satisfazem ninguém. Ainda assim, elas nos lembram que aignorância é o estado mental natural para um cientista depesquisa. Pessoas que acreditam não ignorar nada nãoprocuraramounãosedepararamcomafronteiraentreoqueésabidoeoquenãoénouniverso.Oquenóssabemos,eoquepodemosafirmarsemhesitação,

équeouniversoteveumcomeço.Ouniversocontinuaaevoluir.E, sim, todosos átomosemnosso corpopodemser rastreadosatéoBigBangeàsfornalhastermonuclearesdentrodeestrelasdegrandemassaqueexplodiramhámaisde5bilhõesdeanos.Somosapenaspoeiradeestrelastrazidaàvida,depoisdotada

pelo universo do poder de se compreender – e nós apenascomeçamos.

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NaTerracomonocéu

Até sir Isaac Newton escrever a lei da gravitação universal,ninguémtinhanenhummotivoparasuporqueas leisdafísicaaquieramasmesmasemtodoorestodouniverso.ATerratinhacoisas terrenas acontecendo, e os céus tinhamcoisas celestiaisacontecendo.Deacordocomosensinamentoscristãosdaépoca,Deuscontrolavaoscéus,ostornandoincompreensíveisànossafraca mente mortal. Quando Newton superou essa barreirafilosóficatornandotodomovimentocompreensíveleprevisível,alguns teólogoso criticarampornãodeixarmaisnada a cargodoCriador.Newtontinhacompreendidoqueaforçadagravidadequepuxamaçãsmadurasdeseuspomarestambémguiaobjetosarremessados ao longo de suas trajetórias curvas e comanda aLua em sua órbita ao redor da Terra. A lei da gravidade deNewton também guia planetas, asteroides e cometas em suasórbitasaoredordoSolemantémcentenasdebilhõesdeestrelasemórbitadentrodanossagaláxia,aViaLáctea.Essauniversalidadedasleisdafísicaimpulsionaadescoberta

científica mais que tudo. E a gravidade era apenas o começo.Imagine a empolgação entre os astrônomos do século XIX

quandoprismasdelaboratório,quefragmentamumfachodeluzem um espectro de cores, foram voltados para o Sol pelaprimeira vez. Espectros não são apenas bonitos, eles contêmmuita informação sobre o objeto que emite luz, incluindotemperaturae composição.Elementosquímicosse revelamporseus padrões únicos de luz ou faixas escuras que cruzam oespectro. Para o encanto e o assombro das pessoas, asassinaturas químicas do Sol eram idênticas àquelas delaboratório.Nãosendomaisferramentaexclusivadosquímicos,oprismarevelouquepormaisdiferentequeoSolsejadaTerraem tamanho, massa, temperatura, localização e aparência,amboscontêmasmesmascoisas:hidrogênio,carbono,oxigênio,nitrogênio, cálcio, ferro e assim por diante. Porém aindamaisimportante que nossa lista de compras de ingredientespartilhados foi o reconhecimento de que as leis da física quedeterminavama formaçãodessas assinaturas espectraisno Soleram as mesmas leis em ação na Terra, a 150 milhões dequilômetrosdedistância.Esseconceitodeuniversalidadeeratãofértilquefoiaplicado

comsucessonosentidoinverso.Análisesposterioresdoespectrodo Sol revelaram a assinatura de um elemento que não tinhacorrespondente na Terra. Sendo do Sol, a nova substânciarecebeuumnomederivadodapalavragregahelios(“oSol”)esódepois foi descoberta em laboratório. Desse modo, o hélio setornou o primeiro e único elemento da Tabela Periódica dosquímicosaserdescobertoemoutrolugarquenãoaTerra.Certo,asleisdafísicaoperamnosistemasolar,masoperam

por toda a galáxia? Por todo o universo? Pelo próprio tempo?

Passoapasso,asleisforamtestadas.Estrelaspróximastambémrevelaram substâncias químicas familiares. Estrelas bináriasdistantes, unidas em uma órbita mútua, pareciam saber tudosobre as leis da gravidade de Newton. Pela mesma razão,tambémgaláxiasbinárias.E,assimcomonossedimentosestratificadosdeumgeólogo,

que servem como uma linha do tempo para acontecimentosterrestres,quantomaislongeolhamosnoespaço,maisatrásnotempovemos.Espectrosdosobjetosmaisdistantesnouniversorevelamasmesmasassinaturasquímicasquevemosmaispertono espaço e no tempo. Verdade que elementos pesados erammenosabundantesentão–elessãofabricadosbasicamenteemgerações posteriores de estrelas explodindo–,mas as leis quedescrevem os processos atômicos e moleculares que criaramessas assinaturas espectrais permanecem intactas.Particularmente uma quantidade conhecida como constante deestrutura fina, que controla a digital básica de todos oselementos, precisava ter permanecido imutável por bilhões deanos.Claro que nem todas as coisas e todos os fenômenos no

cosmos têm equivalentes na Terra. Você provavelmente nuncacaminhou por uma nuvem reluzente de plasma demilhões degraus, e aposto quenunca cumprimentouumburaconegronarua.Oque importa é auniversalidadedas leis da física que osdescrevem.Quandoaanáliseespectralfoiaplicadaàluzemitidapor uma nebulosa interestelar, foi encontrada uma assinaturaque,maisumavez,nãotinhaequivalentenaTerra.NaépocaaTabela Periódica dos Elementos não tinha um lugar óbvio em

que um novo elemento se encaixasse. Em resposta osastrofísicos inventaram o nome “nebulium” para garantir olugaratéqueconseguissemdescobriroqueestavaacontecendo.Acabaque,noespaço,nebulosasgasosassão tãorarefeitasqueátomospassamlongosperíodossemcolidir.Nessascondições,os elétrons podem fazer coisas dentro dos átomos que nuncaanteshaviamsidovistasnoslaboratóriosterrestres.Onebuliumera simplesmente a assinatura de oxigênio comum fazendocoisasextraordinárias.Essa universalidade das leis da física nos diz que se

pousarmos em outro planeta com uma civilização alienígenavibrante, eles estarão seguindo as mesmas leis que nósdescobrimos e testamos aqui na Terra – mesmo que osalienígenas tenham diferentes crenças sociais e políticas.Ademais, se você quisesse conversar com os alienígenas, podeestar certo de que não falam inglês, francês ou mesmomandarim.Nem saberia se apertar asmãos deles– se de fatoaqueleapêndiceesticadoéumamão–seriaconsideradoumatodeguerraoudepaz.Suamaioresperançaéencontrarummododesecomunicarusandoalinguagemdaciência.Umatentativaassimfoifeitanosanos1970comasPioneer10

e 11 e asVoyager 1 e 2. Todas as quatro naves espaciais foramdotadas de energia suficiente, depois de ajudas gravitacionaisdosplanetasgigantes,paraescapartotalmentedosistemasolar.A Pioneer levava uma placa dourada gravada quemostrava,

empictogramascientíficos,adisposiçãodenossosistemasolar,nossalocalizaçãonagaláxiaViaLácteaeaestruturadoátomodohidrogênio.AVoyagerfoiaindamaislongeetambémincluiuum

disco sonoro de ouro contendo diversos sons da mãe Terra,incluindo a batida do coração humano, “canções” de baleias euma seleção musical de todo o mundo, incluindo as obras deBeethoven e Chuck Berry. Embora isso humanizasse amensagem,nãoficaclaroseouvidosalienígenasteriamalgumanoçãodoqueestavamescutando—supondoque,paracomeçar,tivessem ouvidos.Minha paródia preferida desse gesto foi umesquetenoprogramaSaturdayNightLive,daNBC,poucodepoisdo lançamentodaVoyager, noqual eramostradauma respostapor escrito dos alienígenas que recuperaram a espaçonave. Obilhetepediasimplesmente:“MandemmaisChuckBerry”.A ciência floresce não apenas na universalidade das leis

físicas,mas tambémnaexistênciaepersistênciadeconstantesfísicas. A constante da gravitação, conhecida pela maioria doscientistas como a “G maiúsculo”, complementa a equação dagravidadedeNewtoncomograudequãopoderosaseráaforça.Essa quantidade foi implicitamente testada em busca devariações ao longo das eras. Se você fizer as contas, irádeterminarquealuminosidadedeumaestrelaéextremamentedependenteconstantedagravitação.Emoutraspalavras,seaGtivesse sido, mesmo que ligeiramente, diferente no passado,entãoageraçãodeenergiadoSolteriasidomuitomaisvariáveldo que qualquer coisa indicada pelos registros biológicos,climáticosougeológicos.Taléauniformidadedonossouniverso.

*

Entretodasasconstantes,avelocidadedaluzéamaisfamosa.Nãoimportaquãorápidovocêvá,nuncaconseguiráultrapassarumraiodeluz.Porquenão?Nenhumaexperiência járealizadarevelouumobjetodequalquerformaatingindoavelocidadedaluz.Leisdafísicabemtestadaspreveemeafirmamisso.Euseique declarações assim soam intolerantes. Algumas dasdeclarações mais obtusas do passado baseadas em ciênciasubestimaram a engenhosidade de inventores e engenheiros.“Nunca iremos voar.” “Voar nunca será comercialmentefactível.”“Nuncairemosdividiroátomo.”“Nuncaquebraremosabarreiradosom.”“NuncachegaremosàLua.”Oqueelastêmem comum é que nenhuma lei estabelecida da física era umabarreira.Aalegação“Nuncairemosultrapassarumraiodeluz”éuma

previsão qualitativamente diferente. Ela deriva de princípiosfísicos básicos testados ao longo do tempo. Sinais de trânsitoparaviajantesinterestelaresdofuturopoderiamalertar:

Velocidadedaluz:

Nãoéapenasumaboaideia.

Éalei.

Diferentementede ser apanhado emexcessode velocidadenasestradasdaTerra,acoisaboasobreas leisda físicaéqueelasnão dependem de órgãos policiais para serem cumpridas,

embora eu uma vez tenha tido uma camiseta geek queproclamava:“OBEDEÇAÀGRAVIDADE”.Todasasmediçõessugeremqueasconstantesfundamentais

conhecidas e as leis físicas que dizem respeito a elas nãodependem de tempo nem de localização. São verdadeiramenteconstanteseuniversais.

*

Muitosfenômenosnaturaisapresentammúltiplasleisfísicasemação ao mesmo tempo. Esse fato com frequência dificulta aanálise e, namaioria dos casos, demanda computação de altodesempenhoparacalcularoqueestáacontecendoeregistrarosparâmetros importantes. Quando o cometa Shoemaker-Levy 9mergulhou na atmosfera rica em gás de Júpiter em julho de1994, e depois explodiu, omodelo computacionalmais precisocombinava as leis da mecânica dos fluidos, termodinâmica,cinéticaegravitação.Oclimaeascondiçõesdotemposãooutrosgrandes exemplos de fenômenos complicados (e de difícilprevisão). Mas as leis básicas que os governam continuamválidas. A Grande Mancha Vermelha de Júpiter, um furiosoanticiclone que permanece forte há pelo menos 350 anos, édeterminada por processos físicos idênticos aos que geramtempestadesnaTerraeemoutrospontosdosistemasolar.Outra classe de verdades universais são as leis da

conservação, em que a totalidade de uma quantidade aferidapermaneceimutávelnãoimportandooqueaconteça.Astrêsmaisimportantes são a conservação de massa e energia, a

conservação de momento linear e angular e a conservação dacarga elétrica. Essas leis são válidas na Terra e em todos oslugares onde procuramos – desde o campo da física departículasatéaestruturaemgrandeescaladouniverso.A despeito de toda essa vanglória, nem tudo é perfeito no

paraíso. Acontece que não conseguimos ver, tocar ou provar afonte de 85% da gravidade que medimos no universo. Essamisteriosamatéria escura, que permanece não detectada a nãoser por sua atração gravitacional sobre a matéria que vemos,pode ser composta de partículas exóticas que ainda nãodescobrimos ou identificamos. Uma pequena minoria deastrofísicos, contudo, não está convencida e sugeriu que nãoexistematéria escura– você precisa apenasmodificar a lei dagravidade de Newton. Simplesmente acrescente algunscomponentesàsequaçõesetudoficarábem.Talvez um dia descubramos que a gravidade de Newton de

fatoprecisadeajustes.Nenhumproblemacomisso.Jáaconteceuantes. A teoria geral da relatividade de Einstein, de 1916,ampliou os princípios da gravidade de Newton de modo atambémseaplicaraobjetosdemassaextremamentegrande.AleidagravidadedeNewtondesmoronanesseâmbitoampliado,queeledesconhecia.Aliçãoaquiéquenossaconfiançasegueagama de condições nas quais a lei foi testada e comprovada.Quantomais ampla essagama,mais sólida epoderosa a lei setorna ao descrever o cosmos. Para a gravidade domésticacomum, a lei deNewton funcionamuito bem. Ela nos levou àLuaenos trouxedevoltaàTerraemsegurançaem1969.Paraburacosnegroseaestruturaemgrandeescaladouniverso,nós

precisamos da relatividade geral. E se você incluir massareduzida e velocidade reduzida nas equações de Einstein, elasliteralmente (ou melhor, matematicamente) se tornam asequações de Newton – todas essas boas razões para terconfiança em nossa compreensão de tudo o que alegamoscompreender.

*

Para o cientista, a universalidade das leis da física torna ocosmosumlugarmaravilhosamentesimples.Emcomparação,anatureza humana – domínio do psicólogo – é infinitamentemais intimidante.NosEstadosUnidos, comitêsde ensino localvotam nos assuntos a serem ensinados na sala de aula. Emalgunscasos,osvotossãodadosseguindooscaprichosdeondasculturais,políticasoureligiosas.Aoredordomundo,diferentessistemasdecrençalevamadiferençaspolíticasquenemsempresãoresolvidaspacificamente.Opodereabelezadasleisdafísicasão que elas se aplicam a todos os lugares, quer você acreditenelasounão.Em outras palavras, depois das leis da física, tudo mais é

opinião.Não que os cientistas não discutam.Nós discutimos.Muito.

Mas quando o fazemos, normalmente expressamos opiniõessobreainterpretaçãodedadosinsuficientesoudesleixadosbemnolimitedonossoconhecimento.Semprequeequandoumaleidafísicapodeserinvocadanadiscussão,odebatecertamenteébreve.Não,asuaideiadeumamáquinademovimentoperpétuo

nunca irá funcionar; ela viola as bem testadas leis datermodinâmica.Não,vocênãopodeconstruirumamáquinadotempo que lhe permita voltar e matar sua mãe antes do seunascimento– issoviolaas leisda causalidade.E semviolarasleis do momento você não pode espontaneamente levitar epairaracimadochão,estejavocêounãosentadoemposiçãodelótus.[3]

Oconhecimentodasleisdafísicapode,emcertoscasos, lhedar confiança para enfrentar pessoas ranzinzas. Alguns anosatrás, eu estava tomandoumchocolatequentepara encerrar odia em uma loja de doces em Pasadena, Califórnia. Pedi comchantili, claro. Quando chegou àmesa eu não vi sinal daquilo.Disse ao garçom que meu chocolate não tinha chantili, e eleafirmouqueeunãoconseguiaverporterafundado.Maschantilitembaixadensidade,eflutuaemtodososlíquidosqueossereshumanos consomem. Então ofereci ao garçom duas possíveisexplicações: ou alguém se esquecera de colocar o chantili emmeu chocolate quente ou as leis universais da física eramdiferentes no restaurante dele. Não convencido, eledesafiadoramente trouxe uma porção de chantili parademonstrarasuaalegação.Apósbalançarumaouduasvezes,ochantilisubiuparaoalto,flutuandoemsegurança.Queprovamelhorvocêprecisadauniversalidadedas leisda

física?

3

Faça-sealuz

Depois do Big Bang o principal objetivo do cosmos foiexpansão,semprediluindoaconcentraçãodeenergiaqueenchiao espaço. A cadamomento o universo ficava umpoucomaior,um pouco mais frio e um pouco mais escuro. Enquanto isso,matéria e energia coabitavam uma espécie de sopa opaca, naqualelétronslivrescontinuavamaespalharfótonsparatodososlados.Durante380milanosascoisascontinuaramassim.Nesse período inicial, os fótons não iam longe antes de

encontrar um elétron. Na época, se sua missão fosse ver dooutro lado do universo, não conseguiria. Qualquer fóton queencontrasseterialançadoumelétrondiantedoseunariznanoepicossegundos antes.[4] Como essa é a maior distância que ainformação consegue viajar antes de chegar aos seus olhos, ouniverso inteiro estava simplesmente se tornando uma névoaopacaebrilhanteemtodasasdireçõesemquevocêolhava.OSoletodasasoutrasestrelastambémsecomportavamassim.Àmedida que a temperatura cai, partículas semovem cada

vez mais lentamente. E então, quando a temperatura do

universopelaprimeiravezcaiuabaixode incandescentes3milKelvin, os elétrons desaceleraram o suficiente para sercapturados por prótons de passagem, assim dando ao mundoátomos maduros. Isso permitiu que fótons anteriormenteassediados fossem libertados e viajassem pelo universo porcaminhosdesimpedidos.Essa “radiação cósmica de fundo” é a encarnação da luz

restantedeumuniversoprimordialofuscanteecausticante,eaelepodeseratribuídaumatemperatura,combaseemqualpartedoespectroosfótonsdominantesrepresentam.Àmedidaqueocosmos continuou a esfriar, os fótons que tinham nascido naparte visível do espectroperderamenergiaparaouniverso emexpansão e acabaram descendo posições no espectro, semetamorfoseandoemfótons infravermelhos.Emboraos fótonsda luz visível tenham se tornado cada vezmais fracos, nuncadeixaramdeserfótons.Oquevemaseguirnoespectro?Hojeouniversoseexpandiu

emumfatorde1mildesdeomomentoemqueosfótonsforamliberados, então a radiação cósmica de fundo, por sua vez,esfriou em um fator de 1 mil. Todos os fótons de luz visíveldaquela época se tornaram 1/1.000 menos energéticos. Elesagora sãomicro-ondas, de onde retiramos o apelidomoderno“radiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas”,ouCMBnasiglaem inglês. Se continuar assim, daqui a 50 bilhões de anos osastrofísicos estarão escrevendo sobre a radiação cósmica defundodeondasderádio.Quando algo brilha por ser aquecido, emite luz em todo o

espectro,massempretemumpicoemalgumponto.Nocasodas

lâmpadas domésticas que ainda usam filamentos de metalincandescentes, a luz tem seu pico no infravermelho, que é omaiorresponsável isoladoporsua ineficáciacomofontede luzvisível.Nossossentidossódetectaminfravermelhonaformadecalorsobreapele.ArevoluçãodoLEDnatecnologiaavançadadeiluminação cria pura luz visível sem desperdiçar potência emáreas invisíveis do espectro. Por isso você pode ter naembalagem frases aparentemente absurdas como “LED de 7wattssubstituiincandescentede60watts”.Sendo o remanescente de algo que um dia brilhou, a CMB

possui o perfil que esperamosde umobjeto radiante,mas queesfria: tem seu pico em uma área do espectro, mas tambémirradiaemoutrasáreasdoespectro.Nestecaso,alémdeterseupicoemmicro-ondas,aCMBtambémliberaalgumasondasderádioeumnúmerocadavezmenordefótonsdealtaenergia.EmmeadosdoséculoXX,osubcampodacosmologia–não

confundircomcosmetologia–nãotinhamuitasinformações.Eondeasinformaçõessãoesparsas,háumaabundânciadeideiasconcorrentes inteligentes e esperançosas. A existência da CMBfoi prevista pelo físico americano de origem russa GeorgeGamoweoutroscolegasnosanos1940.Abasedessasideiasfoiaobrade1927dofísicoesacerdotebelgaGeorgesLemaître,emgeralreconhecidocomoo“pai”dacosmologiadoBigBang.MasforamosfísicosamericanosRalphAlphereRobertHermanque,em 1948, estimaram pela primeira vez qual deveria ser atemperaturadaradiaçãocósmicade fundo.Elesbasearamseuscálculos em três pilares: 1) A teoria geral da relatividade deEinstein,de 1916;2)AdescobertaporEdwinHubble,em1929,

de que o universo está em expansão; e 3) A física atômicadesenvolvida em laboratório antes e durante o ProjetoManhattan que construiu as bombas atômicas da SegundaGuerraMundial.HermaneAlphercalcularamepropuseramumatemperatura

de 5 Kelvin para o universo. Bem, isso é totalmente errado. Atemperatura medida com precisão dessas micro-ondas é de2,725Kelvin,àsvezesgrafadaapenascomo2,7Kelvin,esevocêfor numericamente preguiçoso ninguém o culpará porarredondaratemperaturadouniversopara3Kelvin.Vamos parar por um momento. Herman e Alpher usaram

físicaatômicarecém-colhidaemumlaboratórioeaaplicaramacondições hipotéticas do universo primordial. A partir disso,extrapolarambilhões de anos à frente, calculandoqual deveriaseratemperaturadouniversohoje.Osimplesfatodequesuasprevisõestenhamchegadopertodarespostacertaéumtriunfoassombroso para a compreensão humana. Eles poderiam tererradoporum fator de 10, oude 100, oupoderiammesmo terprevistoalgoquenemsequerestavalá.Aocomentaressefeito,oastrofísico americano J. Richard Gott observou: “Prever queexistia a radiação de fundo e então obter a temperatura certadentrodeumfatorde2foicomopreverqueumdiscovoadorde15 metros de diâmetro pousaria no gramado da Casa Branca,mas em vez disso aparecesse umdisco voador de 8metros dediâmetro.

*

Aprimeiraobservaçãodaradiaçãocósmicadefundoemmicro-ondas foi feita inadvertidamente em 1964 pelos físicosamericanos Arno Penzias e Robert Wilson, do Bell TelephoneLaboratories, a divisão de pesquisa da AT&T. Nos anos 1960,todossabiamsobreasmicro-ondas,masquaseninguémtinhaatecnologia para detectá-las. O Bell Labs, pioneiro no setor detelecomunicações, desenvolveu uma enorme antena em formadetubaunicamentecomessepropósito.Mas, para começar, se você vai enviar ou receber um sinal,

não quer que muitas fontes o contaminem. Penzias e Wilsonbuscavammedir a interferência de fundo emmicro-ondas emseureceptor,parapermitircomunicaçãolimpaelivrederuídosnessa faixa do espectro. Eles não eram cosmólogos. Eramtecnofeiticeiros ajustando um receptor de micro-ondas eignorandoasprevisõesdeGamow,HermaneAlpher.O que Penzias e Wilson decididamente não estavam

procurando era a radiação cósmica de fundo em microondas;estavam simplesmente tentando abrir um novo canal decomunicaçãoparaaAT&T.Penzias e Wilson fizeram sua experiência e eliminaram de

seusdadostodasasfontesconhecidasdeinterferênciaterrestreecósmicaqueconseguiramidentificar,masumapartedosinalnãosumiu,eelessimplesmentenãoconseguiamdescobrircomoeliminá-lo. Finalmente olharam dentro da parabólica eencontraram ninhos de pombos. Então imaginaram que umasubstância dielétrica branca (cocô de pombo) pudesse ser aresponsável pelo sinal, pois eles o localizavamindependentemente da direção para qual o detector apontasse.

Após eliminar a substância dielétrica, a interferência diminuiuumpouco,maspermaneceuumsinalresidual.Oestudoqueelespublicaram em 1965 foi inteiramente sobre esse “excesso detemperaturadeantena”quenãopodiaseratribuídoanada.[5]

Enquantoisso,umaequipedefísicosemPrinceton,lideradapor Robert Dicke, estava construindo um detector específicopara encontrar a radiação de fundo. Mas eles não tinham osrecursos do Bell Labs, então seu trabalho foi um pouco maislento. E no momento em que Dicke e seus colegas tomaramconhecimento do trabalho de Penzias e Wilson, a equipe dePrinceton soube exatamente o que era o excesso de calorobservado na antena. Tudo se encaixava: especialmente aprópria temperatura e o fato de que o sinal vinha de todas asdireçõesnocéu.Em1978,PenziaseWilsonreceberamoPrêmioNobelporsua

descoberta. E, em 2006, os astrofísicos americanos John C.Mather e George F. Smoot dividiriam o Prêmio Nobel porobservar a CMB em uma ampla gama do espectro, levando acosmologiadeumjardimdeinfânciadeideiasespertas,masnãotestadas, para o âmbito de uma ciência experimental deprecisão.

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Comoaluzlevatempoparanosalcançardelugaresdistantesdouniverso, se olharmos fundono espaçonaverdadevemos erasatrás no tempo. Então, se os inteligentes habitantes de umagaláxiamuitodistantefossemmediratemperaturadaradiação

cósmica de fundo no momento capturado por nosso olhar,receberiam uma leitura superior a 2,7 graus, porque estãovivendoemumuniversomaisjovem,menoremaisquentequeonosso.E de fato você realmente pode testar essa hipótese. A

molécula de cianogênio CN (que já foi usado em assassinoscondenadoscomoocomponenteativodogásadministradopeloscarrascos) fica agitada com a exposição a micro-ondas. Se asmicro-ondasforemmaisquentesqueaquelasemnossaradiaçãode fundo, agitam asmoléculas um poucomais. Nomodelo doBig Bang, o cianogênio em galáxias distantes e mais jovens ébanhado em um ruído de fundo cósmico mais quente que ocianogênio em nossa própria galáxia, a Via Láctea. E isso éexatamenteoqueobservamos.Nãoépossívelinventaressetipodecoisa.Por que isso deveria ser interessante? O universo era opaco

até380milanosdepoisdoBigBang,entãovocênãopoderiatertestemunhado matéria ganhando forma mesmo se estivessesentado no meio da primeira fileira. Não poderia ter visto osaglomerados de galáxias e os vazios onde começavam a seformar.Antesquequalquerumpudesseveralgoquemerecesseser visto, os fótons tinham de viajar pelo universo,desimpedidos,comomensageirosdessainformação.Opontoemquecada fótoncomeçousua jornadaatravésdo

cosmoséondeelesechocoucomoúltimoelétronqueestarianoseucaminho–o“pontodeúltimadeflexão”.Àmedidaquecadavez mais fótons escapavam sem choque, eles criaram uma“superfície”emexpansãodeúltimadeflexão,comcercade120

mil anos de profundidade. Essa superfície é onde todos osátomosdouniversonasceram:umelétronsejuntaaumnúcleoatômico,eumpequenopulsodeenergianaformadeumfótondisparaparaoselvagemalémvermelho.Nessa época, algumas regiões do universo já haviam

começadoaseagruparpelaatraçãogravitacionaldesuaspartes.Fótons que desviaram em elétrons pela última vez nessasregiõesdesenvolveramumperfildiferente,levementemaisfriodoqueaquelesquedesviaramnoselétronsmenossociáveisnomeiodonada.Ondeamatériaseacumulara,aforçadagravidadeaumentou, permitindo que cada vezmaismatéria se reunisse.Essas regiões semearam a formação de superaglomerados degaláxias,enquantooutrasregiõesforamdeixadasrelativamentevazias.Quando vocêmapeia detalhadamente a radiação cósmica de

fundoemmicro-ondas,descobrequeelanãoécompletamentesuave. Há pontos que são ligeiramente mais quentes eligeiramente mais frios do que a média. Estudando essasvariaçõesdetemperaturanaCMB–ouseja,estudandopadrõesnasuperfíciedoúltimodesvio–,podemosinferirquaiseramaestruturaeoconteúdodamatérianouniversoprimordial.Paradescobrir como surgiram galáxias, aglomerados esuperaglomeradosnósusamosnossamelhorferramenta,aCMB–umapoderosacápsuladotempoquepermiteaosastrofísicosreconstruirahistóriacósmicaemsentidoinverso.Estudarseuspadrões é como realizar uma espécie de frenologia cósmica àmedida que analisamos os calombos no crânio do universocriança.

Quando balizada por outras observações do universocontemporâneo e distante, a CMB lhe permite decodificar todotipo de propriedades cósmicas fundamentais. Compare adistribuição de tamanhos e temperaturas das áreas quentes efriasevocêpodeinferiraintensidadedaforçadagravidadenaépocaecomquerapidezamatériaseacumulou,lhepermitindoentãodeduzirquantamatériacomum,quantamatériaescuraequanta energia escura há no universo. A partir disso, então é,objetivodizerseouniversoiráounãoseexpandirparasempre.

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Amatéria comumé aquilo de que todos somos feitos. Ela temgravidade e interage com a luz. A matéria escura é umasubstânciamisteriosaquetemgravidade,masquenãointeragecomaluzdenenhumaformaconhecida.Aenergiaescuraéumapressão misteriosa no vácuo do espaço que atua na direçãooposta da gravidade, forçando o universo a se expandir maisrápidodoquedefaria.Oqueonossoexamefrenológicodizéqueentendemoscomo

ouniversosecomportou,masqueamaiorpartedouniversoéfeita de coisas sobre as quais não temos ideia.Independentemente de nossas profundas áreas de ignorância,hoje,comonuncaantes,acosmologiatemumaâncora,porqueaCMBrevelaoportalpeloqualtodosnóspassamos.Éumpontoonde uma física interessante aconteceu, e onde aprendemossobreouniversoantesedepoisdesualuzserlibertada.A simples descoberta da radiação cósmica de fundo em

micro-ondas transformou a cosmologia em algo mais quemitologia. Mas foi o mapa preciso e detalhado da radiaçãocósmica de fundo em micro-ondas que transformou acosmologia emumaciênciamoderna.Os cosmólogos têmegosmuito grandes. Comonão ter quando seu trabalho é deduzir oque fez o universo existir? Sem informações suas explicaçõeseram apenas hipóteses. Agora, cada nova observação, cadaporção de informação é uma espada de dois gumes: permite àcosmologiaflorescersobreomesmotipodebasedequetodooresto da ciência desfruta, mas também limita teorias que aspessoas conceberamquandonão havia informações suficientesparadizerseeramcertasouerradas.Nenhumaciênciachegaàmaturidadesemisso.

4

Entreasgaláxias

Na grande contabilidade de componentes cósmicos, são asgaláxiasasquemaisaparecem.Asúltimasestimativasmostramque o universo observável pode conter 100 bilhões delas.Brilhantes,bonitasecheiasdeestrelas,asgaláxiasdecoramosvazios escurosdoespaço comoas cidades emumpaís ànoite.Mas exatamente quão vazio é o vazio do espaço? (Quãodesocupadoéointeriorentreascidades?)Sóporqueasestrelasestãonasuafrenteesóporqueelaspodemquerernosfazercrerque nada mais importa, o universo, ainda assim, pode contercoisasdifíceisdedetectarentreasgaláxias.Talvezessascoisassejammaisinteressantes,oumaisimportantesparaaevoluçãodouniversodoqueasprópriasgaláxias.Nossaprópriagaláxiaespiral,aViaLáctea,éassimchamada

porsuaaparênciadeleitederramadoaolongodocéunoturnodaTerraaolhonu.De fato,aprópriapalavra“galáxia”derivadogrego galaksias, “leitoso”. Nossas duas galáxias vizinhas maispróximas,aumadistânciade600milanos-luz,sãopequenaseirregulares. O diário de bordo de Fernão de Magalhãesidentificou esses objetos cósmicos durante sua famosa viagem

ao redor do mundo em 1519. Em homenagem a ele nós aschamamos aGrande e a PequenaNuvemdeMagalhães, e elassão vistas principalmente do hemisfério sul como um par demanchas em forma de nuvem no céu, estacionadas além dasestrelas. A galáxia maior que a nossa mais próxima fica a 2milhões de anos-luz, além das estrelas que formam aconstelação de Andrômeda. Essa galáxia em espiral,historicamenteapelidadadeGrandeNebulosadeAndrômeda,édecertomodoumagêmeamaioremaisluminosadaViaLáctea.Repare que o nome de cada sistema não faz referência àexistência de estrelas: Via Láctea, Nuvens de Magalhães,Nebulosa de Andrômeda. Todas as três foram batizadas antesque os telescópios fossem inventados, demodo que ainda nãoerapossívelconfirmarsuacomposiçãoestelar.

*

Como será detalhado no capítulo 9, sem o benefício detelescópiosoperandoemmuitasfaixasdeluzaindapoderíamosdeclarar que o espaço entre as galáxias estava vazio. Ajudadospor detectores modernos, e teorias modernas, investigamosnosso interior cósmico e revelamos diversas coisas difíceis dedetectar: galáxias anãs, estrelas desgarradas, estrelasdesgarradas que explodem, gás a milhões de graus que emiteraios X, matéria escura, galáxias azuis fracas, nuvens de gásonipresentes, impressionantes partículas carregadas de altaenergiaeamisteriosaenergiaquânticadovácuo.Comumalistaassim,pode-sedizerque todaadiversãonouniversoacontece

maisentreasgaláxiasdoquedentrodelas.Em qualquer volume de espaço pesquisado de forma

confiável,asgaláxiasanãssuperamasgrandesgaláxiasemmaisdedezparauma.Oprimeiroensaioqueescrevisobreouniverso,no começo dos anos 1980, era intitulado The galaxy and thesevendwarfs[Agaláxiaeosseteanões],emreferênciaàpequenafamíliapróximadaViaLáctea.Desdeentãoacontabilidadedasgaláxias anãs locais chega às dezenas. Enquanto as grandesgaláxiascontêmcentenasdebilhõesdeestrelas,asgaláxiasanãspodem ter atémesmo 1milhão, o que as torna 100mil vezesmaisdifíceisdedetectar.Nãoespantaqueaindaestejamsendodescobertasdebaixodosnossosnarizes.Imagens de galáxias anãs que já não fabricam estrelas

costumamparecerpequenasmanchastediosas.Todasessasanãsque não formam estrelas têm formas irregulares e, muitofrancamente,possuemaparêncialamentável.Galáxiasanãstêmtrês coisas que dificultam sua detecção. Elas são pequenas, eassimfacilmentepassadaspara trásquandosedutorasgaláxiasespirais competem pela sua atenção. Elas são fracas, portantoignoradasemmuitaspesquisasdegaláxiasqueeliminamabaixode um grau de brilho pré-determinado. E elas têm uma baixadensidadedeestrelasemseuinterior,demodoquecriampoucocontraste acima do brilho da luz circundante da atmosferanoturna terrestre e de outras fontes.Tudo isso é verdade.Mascomoasanãssuperamemmuitoasgaláxias“normais”,talveznossadefiniçãodoquesejanormalprecisedeumarevisão.Vocêencontraráamaioriadasgaláxiasanãs(conhecidas)nas

proximidadesdegaláxiasmaiores,orbitando-ascomosatélites.

As duasNuvens deMagalhães são parte da família anã da ViaLáctea. Mas a vida das galáxias satélites pode ser difícil. Amaioriadosmodelos computadorizadosde suasórbitasmostrauma decadência lenta que no final resulta nas infelizes anãssendo destroçadas e depois devoradas pela galáxia principal. AViaLácteacometeupelomenosumatodecanibalismonoúltimobilhãodeanos,quandoconsumiuumagaláxiaanãcujosrestosesfarrapados podem ser vistos como um riacho de estrelasorbitandoocentrogaláctico,alémdasestrelasdaconstelaçãodeSagitário.OsistemaéchamadodeAnãElípticadeSagitário,masprovavelmentedeveriasechamarAlmoço.No ambiente de alta densidade dos aglomerados, duas ou

mais galáxias grandes rotineiramente colidem e deixam paratrás uma confusão gigantesca: estruturas espirais distorcidasalém da possibilidade de reconhecimento, surtos recém-introduzidos de regiões de formação de estrelas criados pelacolisão violenta de nuvens de gás, e centenas de milhões deestrelas espalhadas aqui e ali, tendo acabado de escapar dagravidade das duas galáxias. Algumas estrelas se reagrupampara formar conjuntosquepoderiamser chamadosdegaláxiasanãs. Outras estrelas permanecem à deriva. Cerca de 10% detodas as grandes galáxias mostram evidências de um grandeencontro gravitacional comoutra grande galáxia– e essa taxapodesercincovezesmaiorentregaláxiasemaglomerados.Com toda essa violência, quanto detrito galáctico permeia o

espaçointergaláctico,especialmentenosaglomerados?Ninguémtem certeza. A avaliação é difícil, porque estrelas isoladas sãofracas demais para serem detectadas individualmente.

Precisamos confiar na detectação de um leve brilho produzidopelaluzdetodasasestrelascombinadas.Defato,observaçõesdeaglomerados detectam apenas um brilho assim entre asgaláxias, sugerindo que pode haver tantas estrelas sem-tetoquantoháestrelasdentrodasprópriasgaláxias.Pondo fogo no debate, nós encontramos (sem procurar por

elas)mais de uma dúzia de supernovas que explodirammuitoalém do que supomos ser suas galáxias “hospedeiras”. Emgaláxiascomuns,acadaestrelaqueexplodedessemodo,entre100 mil e 1 milhão não explodem, de modo que supernovasisoladas podem revelar populações inteiras de estrelas nãodetectadas.Supernovassãoestrelasquese fizeramempedaçose, nesse processo, aumentaram temporariamente (ao longo deváriassemanas)sualuminosidade1bilhãodevezes,tornando-se visíveis por todo o universo. Embora uma dúzia desupernovas sem-teto seja um número relativamente pequeno,muitasmaispodemserdescobertas,jáqueamaioriadasbuscassistemáticas por supernovas monitora galáxias conhecidas, enãoespaçovazio.

*

Osaglomeradossãomaisdoqueasgaláxiasqueoscompõemesuas estrelas desgarradas. Medições feitas com telescópiossensíveisaraiosXrevelamumgásqueencheoespaçodentrodoaglomeradoadezenasdemilhõesdegraus.Ogásé tãoquentequebrilhacomforçanafaixaderaiosXdoespectro.Oprópriomovimento de galáxias ricas em gás através dessemeio acaba

porprivá-las de seupróprio gás, obrigando-as a abrirmãodesua capacidade de criar novas estrelas. Isso poderia explicar.Mas quando você calcula a massa total presente nesse gásaquecido, na maioria dos aglomerados ela excede a massa detodasasgaláxiasnoaglomeradoematé10vezes.Piorainda,elessãosuperadospelamatériaescura,quecontémmais10vezesamassa de todo o resto. Em outras palavras, se os telescópiosobservassemmassaemvezdeluz,nossasqueridasgaláxiasemaglomeradospareceriampontos insignificantesemmeioaumagigantebolhaesféricadeforçasgravitacionais.Norestodoespaço,foradosaglomerados,háumapopulação

degaláxiasquevicejouhámuitotempo.Comojáfoiobservado,olhar o cosmos é análogo a um geólogo estudar estratossedimentares, nos quais a história da formação rochosa éexposta claramente. Distâncias cósmicas são tão vastas que otempo de viagem para que a luz chegue até nós pode ser demilhões,oumesmobilhõesdeanos.Quandoouniversotinhaametadedesuaatualidade,umaespéciedegaláxiasdetamanhointermediário, muito azul e muito fraca, prosperou. Nós asvemos. Elas nos saúdam demuito tempo atrás, representandogaláxias muito distantes. Seu azul vem do brilho de estrelasrecémformadas,devidacurta,grandemassa,altatemperaturaegrande luminosidade. As galáxias são fracas não apenas porestarem distantes, mas porque a população de estrelasluminosasdentrodelaserapequena.Comoosdinossauros,quesurgiram e sumiram, deixando as aves como seu únicodescendente moderno, as galáxias azuis fracas não existemmais, contudo, presumivelmente, têm um equivalente no

universodehoje.Seráquetodasassuasestrelasseesgotaram?Elas se tornaram cadáveres invisíveis espalhados por todo ouniverso? Elas se transformaramnas conhecidas galáxias anãsde hoje? Ou foram todas devoradas por galáxiasmaiores? Nãosabemos, mas seu lugar na cronologia da história cósmica écerto.Com tanta coisa entre as grandes galáxias, poderíamos

esperar que parte disso obscurecesse nossa visão do que háalém.Issopoderiaserumproblemaparaamaioriadosobjetosdistantesdouniverso, comoosquasares.Quasares sãonúcleossuperluminososdegaláxiascujaluzgeralmenteviajabilhõesdeanospeloespaçoantesdechegaraosnossostelescópios.Sendofontesdeluzextremamentedistantes,elassãoascobaiasideaisparadetectarinterferênciacausadaporlixo.Certamente, quando você separa a luz do quasar nas cores

que a compõem, revelando um espectro, ela está tomada pelapresença absorvente de nuvens de gás intervenientes. Todoquasarconhecido,nãoimportaemquepontodocéuseencontre,mostra características de dezenas de nuvens de hidrogênioisoladas espalhadas por tempo e espaço. Esse tipo único deobjetointergalácticofoiidentificadopelaprimeiraveznosanos1980econtinuaaserumaáreaativadapesquisaastrofísica.Deondeelesvêm?Quantamassacontêm?Todo quasar conhecido revela esses traços de hidrogênio,

então concluímos que as nuvens de hidrogênio estão em todaparte do universo. E, como esperado, quanto mais distante oquasar,maisnuvensestãopresentesnoespectro.Algumasdasnuvens de hidrogênio (menos de 1%) são simplesmente

consequênciadenossalinhadevisãocruzandoogáscontidoemuma galáxia espiral ou irregular comum. Você poderia, claro,esperarquepelomenosalgunsquasaresestivessematrásdaluzdegaláxiascomunsdistantesdemaisparaserdetectadas.Masoresto dos absorventes é inconfundivelmente um tipo de objetocósmico.Enquanto isso, a luz do quasar normalmente passa por

regiõesdoespaçoquecontêmfontesdegravidademonstruosas,oquecausaestragosnaimagemdoquasar.Comfrequênciasãodifíceis de detectar porque podem ser compostas de matériacomum simplesmente escura demais e distante, ou podem serzonas de matéria escura, como a que ocupa os centros e asregiõesperiféricasdeaglomeradosdegaláxias.Emqualquerdoscasos, onde há massa há gravidade. E onde há gravidade háespaçocurvado,deacordocomateoriageraldarelatividadedeEinstein. E onde o espaço se curva pode imitar a curvatura deuma lente comum de vidro e alterar as trajetórias da luz quepassa por ela. De fato, quasares distantes e galáxias inteirasforam“distorcidos”porobjetosqueporacasoestãonalinhadevisãodostelescópiosdaTerra.Dependendodamassadapróprialenteedageometriadalinhadevisão,adistorçãopodeampliar,deformaroumesmodividirafontedeluzdefundoemmúltiplasimagens,assimcomoespelhosdeumparquedediversões.Umdosobjetos(conhecidos)maisdistantesnouniversonão

é um quasar, mas uma galáxia comum, cuja luz fraca foisignificativamente ampliada pela interferência de uma lentegravitacional. A partir de agora poderemos precisar nos valerdesses telescópios “intergalácticos” para ver onde (e quando)

telescópioscomunsnãoconseguemalcançar,eassimrevelarosfuturosdetentoresdorecordededistânciacósmica.

*

Ninguém desgosta do espaço intergaláctico, mas pode serperigosopara sua saúde ir até lá.Vamos ignoraro fatodequevocêcongelariaatéamorteenquantoseucorpoquentetentassechegar a um equilíbrio com a temperatura de 3 Kelvin douniverso.Evamosignorarofatodequesuascélulassanguíneasexplodiriam enquanto você sufocasse pela falta de pressãoatmosférica. Esses são perigos comuns. No setor deacontecimentosexóticos,oespaçointergalácticoéregularmenteperfurado por impressionantes partículas subatômicascarregadas, de alta energia, se movendo em alta velocidade.Vamos chamá-las de raios cósmicos. As partículas de maiorenergiaentreelastêm100milhõesdevezesaenergiaquepodeser gerada em um dos maiores aceleradores de partículas domundo. A origem continua a ser ummistério, mas a maioriadessas partículas carregadas é de prótons, os núcleos dosátomos de hidrogênio, e elas se deslocam a99,9999999999999999999% da velocidade da luz. De modoimpressionante,cadaumadessaspartículassubatômicascarregaenergia suficiente para lançar uma bola de golfe de qualquerlugardogreenatéoburaco.Talvezosacontecimentosmaisexóticosentre(eemmeio)as

galáxiasnovácuodeespaçoe tempoéooceano fervilhantedepartículas virtuais – pares indetectáveis de matéria e

antimatéria, surgindo e deixando de existir. Essa peculiarprevisãodafísicaquânticafoiapelidadade“energiadovácuo”esemanifestacomoumapressãoexterna,agindoemoposiçãoàgravidadequeflorescenatotalausênciadematéria.Ouniversoemaceleração,energiaescuraencarnada,podeserimpulsionadopelaaçãodessaenergiadovácuo.Sim, o espaço intergaláctico é, e para sempre será, onde as

coisasacontecem.

5

Matériaescura

Gravidade, a mais conhecida das forças da natureza, nosoferece simultaneamente o melhor e menos compreendidofenômenodanatureza. Foi necessária amente da pessoamaisbrilhante e influente do milênio, Isaac Newton, paracompreenderqueamisteriosa“açãoàdistância”dagravidadeéfrutodosefeitosnaturaisdetodotipodematéria,equeaforçade atração entre dois objetos quaisquer pode ser descrita poruma simples equação algébrica. Foi necessária a mente dapessoa mais brilhante e influente do século passado, AlbertEinstein, para demonstrar que podemos descrever a ação àdistância da gravidade commais precisão como uma dobra notecidodoespaço-tempo,produzidaporqualquercombinaçãodematériaeenergia.EinsteindemonstrouqueateoriadeNewtonexige alguma modificação para descrever a gravidade comprecisão – para prever, por exemplo, quantos raios de luz securvarãoaopassarporumobjetoenorme.Emboraasequaçõesde Einstein sejam mais elegantes que as de Newton, elasabrigambelamenteamatériaquepassamosaconhecereamar.Matériaquepodemosver,tocar,sentir,cheirareocasionalmente

provar.Nãosabemosqueméopróximonasequênciadegênios,mas

jáestamosesperandoháquase1séculoporalguémquenosdigapor que o grosso de toda força gravitacional quemedimos nouniverso – cerca de 85% dela – deriva de substâncias que deoutromodonãointeragemcom“nossa”matériaouenergia.Outalvez o excesso de gravidade não venha absolutamente dematériaeenergia,masemanedealgumaoutracoisaconceitual.Dequalquermodo,estamosbasicamenteperdidos.Nãoestamosmaispertodeumarespostahojedoqueestávamosquandoesseproblemade“massaperdida”foianalisadoprofundamentepelaprimeira vez, em 1937, pelo astrofísico suíço-americano FritzZwicky.ElelecionoupormaisdequarentaanosnoInstitutodeTecnologia da Califórnia, combinando seus amplosconhecimentos do cosmos com uma capacidade de expressãoempolgante e uma impressionante capacidade de antagonizarseuscolegas.Zwicky estudou o movimento isolado de galáxias em um

gigantesco aglomerado delas localizado bem além das estrelaslocaisdaViaLácteaquedelineiamaconstelaçãoComaBerenices(“cabeleiradeBerenice”,umarainhaegípciadaantiguidade).OaglomeradodeComa,comoochamamos,éumconjuntoisoladoemuitopopulosodegaláxiasacercade300milhõesdeanos-luzda Terra. Suas milhares de galáxias orbitam o centro doaglomerado, se movendo em todas as direções como abelhasdeixando uma colmeia. Usando os movimentos de algumasdezenas de galáxias como indicadores do campo gravitacionalqueune todooaglomerado,Zwickydescobriuqueavelocidade

média tinha um valor incrivelmente alto. Como forçasgravitacionaismaioresinduzemvelocidadesmaioresnosobjetosque atraem, Zwicky deduziu uma massa enorme para oaglomerado Coma. Para ter uma noção dessa estimativa, vocêpode somar asmassas de cada galáxia que você vê. E, emboraComaestejaentreosmaioresemaismassivosaglomeradosdouniverso, não contém galáxias visíveis em número suficienteparajustificarasvelocidadesmedidasZwicky.Quão ruiméa situação?Nossas leisdagravidade falharam?

Elas certamente funcionam dentro do sistema solar. Newtondemonstrou que você pode deduzir a velocidade única que umplanetaprecisaterparasustentarumaórbitaestávelaqualquerdistânciadoSol,paranãodescernadireçãodoSolousubirparaumaórbitamaisdistante.Defato,seconseguíssemosaceleraravelocidadeorbitaldaTerraparamaisquearaizquadradadedois(1,4142...)multiplicadapelovaloratual,nossoplanetaatingiria“velocidadedefuga”edeixariacompletamenteosistemasolar.Podemosaplicaromesmoraciocínioasistemasmuitomaiores,como nossa própria galáxia, a Via Láctea, na qual estrelas semovem em órbitas que reagem à gravidade de todas as outrasestrelas; ou aglomerados de galáxias, onde uma galáxiaigualmentesenteagravidadedetodasasoutras.Nesseespírito,emmeio a uma página de fórmulas em seu caderno, Einsteinescreveu um verso (mais melodioso no alemão original) emhomenagemaIsaacNewton:

OlheparaasestrelasparanosensinarComoospensamentosdomestrepodemnosalcançar

CadaumsegueamatemáticadeNewtonSilenciosamentepeloseucaminho.[6]

QuandoestudamosoaglomeradodeComa,comoZwickyfeznos anos 1930, descobrimos que as galáxias que o compõemestão todas semovendomais rapidamentedoqueavelocidadede fuga do aglomerado. Ele deveria estar se desfazendorapidamente, mal deixando vestígios de sua existência decolmeia depois de apenas 200 milhões de anos. Mas oaglomerado temmais de 10 bilhões de anos, sendo quase tãovelhoquantooprópriouniverso.Assimnasceuoquecontinuaaseromaisantigomistérionãosolucionadodaastrofísica.

*

Ao longo das décadas que se seguiram ao trabalho de Zwicky,outros aglomerados de galáxias apresentaram o mesmoproblema, de modo que Coma não pode ser acusado de serpeculiar.Então,oqueouaquemdevemosculpar?Newton?Eunãofariaisso.Pelomenosnãoainda.Aformidávelgravidadedosaglomeradosdegaláxias aindanão é suficientemente altaparaarrasar totalmente com a teoria geral da relatividade deEinstein, que tinha apenas 20 anos quando Zwicky fez a suapesquisa. Talvez a “massa faltante” necessária para unir asgaláxias do aglomerado de Coma exista, mas em uma formadesconhecida e invisível. Hoje usamos o apelido “matériaescura”, que não afirma que algo está faltando, ainda assiminsinuaquealgumnovotipodematériadeveexistir,esperando

paraserdescoberto.Assimqueosastrofísicospassaramaaceitaramatériaescura

emaglomeradosdegaláxias comoalgomisterioso,oproblemamostrou sua face invisívelmais uma vez. Em 1976, a falecidaVera Rubin, astrofísica do Instituto Carnegie de Washington,descobriu uma anomalia de massa semelhante nas própriasgaláxias em espiral. Estudando a velocidade na qual estrelasorbitam os centros de suas galáxias, Rubin primeiramenteencontrouaquiloqueesperava:nodiscovisíveldecadagaláxia,asestrelasmaisdistantesdocentrosemovemaumavelocidademaior do que as estrelas mais internas. As estrelas maisdistantestêmmaismatéria(estrelasegás)entreelaseocentrodagaláxia, permitindo-lhesmaiores velocidadesorbitais.Alémdo disco orbital, contudo, ainda é possível encontrar algumasnuvens de gás isoladas e algumas poucas estrelas brilhantes.Usando esses objetos para rastrear o campo gravitacionalexternodaspartesmaisluminosasdagaláxia,ondenãohámaismatéria visível se somando ao total, Rubin descobriu que suasvelocidades orbitais, que deveriam estar diminuindo com oaumento da distância ali fora em Terra Nenhuma, na verdadepermaneciamaltas.Esses volumes de espaço em grande parte vazios – as

distantesregiõesruraisdecadagaláxia–contêmmatériavisívelem volume baixo demais para explicar as velocidades orbitaisanomalamentealtasdosobjetos.Rubinraciocinoucorretamenteque alguma forma de matéria escura precisava estar nessasregiões distantes, bem além do limite visível de cada espiralgaláctica.GraçasaotrabalhodeRubin,hojenóschamamosessas

zonasmisteriosasde“halosdematériaescura”.Esse problema do halo existe bem embaixo dos nossos

narizes,naViaLáctea.Deumagaláxiaaoutra,edeaglomeradoaaglomerado,adiscrepânciaentreamassacalculadadeobjetosvisíveis e a massa estimada dos objetos a partir da gravidadetotalvariadeumpequenofatoraté(emcertoscasos)umfatordecentenas.Nouniversocomoumtodoadiscrepânciamédiaéumfatorde6:matériacósmicaescuratemaproximadamente6vezesagravidadetotaldetodaamatériavisível.Outras pesquisas revelaram que a matéria escura não pode

consistirdematériacomumqueporacasoémenosluminosa,ounão luminosa. Essa conclusão se baseia em duas linhas deraciocínio.Primeiramente,podemoseliminarcomquasecertezatodos os candidatos conhecidos plausíveis, como suspeitos emumreconhecimentonapolícia.Amatériaescurapoderiaexistiremburacosnegros?Não,achamosqueteríamosdetectadoessesburacos negros pelos seus efeitos gravitacionais sobre estrelaspróximas.Poderiamsernuvensescuras?Não,elasabsorveriamou interagiriam de algum modo com a luz das estrelas atrásdelas,algoquealegítimamatériaescuranãofaz.Poderiamserplanetas solitários, asteroides ou cometas interestelares (ouintergalácticos), todos os quais não produzem luz própria?Difícilacreditarqueouniversofabricaria6vezesmaismassaemplanetas que em estrelas. Isso significaria 6mil júpiteres paracadaestrelanagaláxia,oupiorainda,2milhõesdeTerras.Emnossoprópriosistemasolar,porexemplo,tudoquenãoéoSolcorrespondeamenosde1/5de1%damassadoSol.Mais evidências diretas da natureza estranha da matéria

escura surgem na forma do volume relativo de hidrogênio ehélio no universo. Juntos, esses números oferecem umaimpressão digital cósmica deixada pelo universo primordial.Aproximadamente, a fusão nuclear durante os primeirosminutosdepoisdoBigBangdeixoupara trás 1núcleodehéliopara cada 10 núcleos de hidrogênio (que são, eles mesmos,simplesprótons).Cálculosmostramqueseamaioriadamatériaescurativesseseenvolvidonafusãonuclear,haverianouniversomuito mais hélio em relação a hidrogênio. A partir dissoconcluímosqueamaiorpartedamatériaescura–e,portanto,amaior parte da massa no universo – não participou da fusãonuclear, o que a desqualifica como matéria “comum”, cujaessência é disposição de participar das forças atômicas enucleares que moldam a matéria como a conhecemos.Observações detalhadas da radiação cósmica de fundo emmicroondas, que permitem um teste distinto dessa conclusão,confirmam o resultado.Matéria escura e fusão nuclear não semisturam.Assim, da melhor forma que podemos entender, a matéria

escuranãoésimplesmenteumamatériaqueporacasoéescura.Éalgo totalmentediferente.Amatéria escuraexercegravidadedeacordocomasmesmasregrasseguidaspelamatériacomum,porém faz pouco mais que nos permita detectá-la. Claro queficamosdesamparadosnessaanálisepelofatode,paracomeçar,não sabermos o que é a matéria escura. Se toda massa temgravidade,todagravidadetemmassa?Nãosabemos.Talveznãohajanadadeerradocomamatéria,esejaagravidadequenãoentendemos.

*

A discrepância entre matéria escura e comum variasignificativamente de um ambiente astrofísico para outro,porém se tornamais pronunciada em grandes entidades comogaláxias e aglomerados de galáxias. Para os objetos menores,como luas e planetas, não há discrepância. A gravidade nasuperfíciedaTerra,porexemplo,podesertotalmenteexplicadapelascoisassobnossospés.SevocêestáacimadopesonaTerra,nãoculpeamatériaescura.Amatériaescura tambémnão temresponsabilidadepelaórbitadaLuaaoredordaTerra,nempelosmovimentos dos planetas em torno do Sol – mas, como jávimos, precisamos dela para explicar os movimentos dasestrelasaoredordocentrodagaláxia.Será que um tipo diferente de física gravitacional opera em

escala galáctica? Provavelmente não. É mais provável que amatéria escura consista de matéria cuja natureza aindaprecisamosadivinhar,equesereúnadeformamaisdifusaqueamatéria comum. Do contrário, detectaríamos a gravidade deporções concentradas de matéria escura espalhadas pelouniverso – cometas de matéria escura, planetas de matériaescura,galáxiasdematériaescura.Peloquepodemosdizer,nãoéassimqueascoisasfuncionam.Oque sabemos é que amatéria que aprendemos a amarno

universo– aquilo que faz estrelas, planetas e vida– é apenasuma levecoberturanobolocósmico,boiasmodestas flutuandoem um vasto oceano cósmico de algo que não se parece comnada.

*

Durante o primeiromeiomilhão de anos depois do Big Bang,apenas um piscar de olhos nos 14 bilhões de anos de históriacósmica, amatéria no universo já havia começado a se reunirnas bolhas que se tornariam aglomerados e superaglomeradosde galáxias.Mas o cosmos iria dobrar de tamanho durante os500 mil anos seguintes, e continuaria a crescer depois disso.Haviadoisefeitosopostoscompetindonouniverso:agravidadequer fazer com que as coisas se unam, mas a expansão querdiluirisso.Sevocêfizerascontas,irádeduzirrapidamentequeagravidade damatéria comum não poderia vencer essa batalhasozinha. Ela precisava da ajuda damatéria escura, sem a qualestaríamos vivendo – na verdade, não vivendo – em umuniverso semestruturas: aglomerados, galáxias, planetas, nemdepessoas.De quanta gravidade da matéria escura ela precisava? Seis

vezesmaisdoqueaquelafornecidapelaprópriamatériacomum.Exatamente o volume que medimos no universo. Essa análisenãonosdizoqueamatériaescuraé,apenasqueosefeitosdamatéria escura são reais e que, por mais que você tente, nãopodedaressecréditoàmatériacomum.Então a matéria escura é ao mesmo tempo nossa amiga e

nossa inimiga.Não temos ideia do que ela é. Émeio irritante.Masprecisamosdesesperadamentedelaemnossoscálculosparaconseguir uma descrição precisa do universo. Os cientistasgeralmenteficamdesconfortáveissemprequeprecisamosbasearnossos cálculos em conceitos que não compreendemos, mas

faremos isso se precisarmos. E a matéria escura não é nossaprimeiravez.NoséculoXIX,porexemplo,oscientistasmediramaenergiaemitidapelonossoSoledemonstraramseuefeitoemnossas estações e no clima,muito antes que alguém soubessequea fusão termonuclear era responsávelpor essa energia.Naépoca, entre as melhores ideias estava a sugestãoretrospectivamenterisíveldequeoSoleraumpedaçodecarvãoem brasa. Também no século XIX observamos estrelas,conseguimos seus espectros e as classificamosmuito antes daintrodução, no século XX, da física quântica, que nos dá acompreensãodecomoeporqueessesespectrossãocomosão.Céticosconvictospodemcompararamatériaescuradeagora

com o hipotético e hoje finado “éter” sugerido no século XIXcomo o meio sem peso e transparente que permeava o vácuoespacial pelo qual a luz se movia. Até que uma experiênciafamosa,em1887,emCleveland,realizadaporAlbertMichelsoneEdward Morley, da Case Western Reserve University,demonstrasse o contrário, os cientistas afirmavam que o étertinha de existir, embora nenhum fragmento de evidênciasustentasseessasuposição.Acreditava-seque,comoumaonda,a luz precisa de um meio pelo qual propagar a sua energia,assim como o som exige ar ou alguma outra substância paratransmitirsuasondas.Masa luzficamuito felizdeviajarpelovácuo do espaço sem qualquer meio que a carregue.Diferentementedasondassonoras,queconsistemdevibraçõesdo ar, as ondas luminosas se revelaram pacotes de energiaautopropagados,nãodemandandoqualquerajuda.Aignorânciasobreamatériaescuradiferefundamentalmente

da ignorância sobre o éter. O éter preenchia uma lacuna emnossa compreensão incompleta, ao passo que a existência damatéria escura deriva não de uma mera suposição, mas dosefeitosobservadosdesuagravidadesobreamatériavisível.Nãoestamos inventando a matéria escura do nada, em vez disso,deduzimos sua existência a partir de observações. A matériaescuraé tãorealquantoosmuitosexoplanetasdescobertosemórbita de estrelas que não o Sol, descobertos apenas porintermédio de sua influência gravitacional sobre as estrelasanfitriãs,enãodemediçõesdiretasdesualuz.O pior que pode acontecer é descobrirmos que a matéria

escura não consiste absolutamente de matéria, mas de outracoisa. Será que poderíamos estar vendo os efeitos de forças deoutra dimensão? Estamos sentindo a gravidade comum dematériacomumcruzandoamembranadeumuniversofantasmaadjacente ao nosso? Em caso positivo, este poderia ser apenasum em um número infinito de universos que compõem omultiverso.Soaexóticoeinacreditável.PorémserámaismalucodoqueasprimeirassugestõesdequeaTerraorbitaoSol?QueoSoléumadas100bilhõesdeestrelasnaViaLáctea?OuqueaViaLácteaéapenasumadas100bilhõesdegaláxiasnouniverso?Mesmoquequalquerumdessesrelatosfantásticosserevele

verdadeiro, nada disso mudaria a invocação bemsucedida dagravidade da matéria escura nas equações que usamos paracompreenderaformaçãoeevoluçãodouniverso.Outros céticos convictos podem declarar querer “ver para

crer” – uma postura de vida que funciona bem em muitasempreitadas, incluindo engenharia mecânica, pesca e talvez

namoro. Mas isso não gera boa ciência. A ciência não dizrespeitoapenasaver,masamedir,preferencialmentecomalgoquenãoseusprópriosolhos,queestãoinextricavelmenteunidosàsuabagagemcerebral.Essabagagem,commaiorfrequência,éuma bolsa de ideias preconcebidas, noções pós-concebidas etendenciosidadeexplícita.

*

Tendoresistidoàs tentativasdedetecçãodiretamentenaTerradurante ¾ de século, a matéria escura permanece em ação.Físicos de partículas estão confiantes de que amatéria escuraconsiste em uma classe fantasmagórica de partículas nãodescobertas que interagem com a matéria via gravidade, masaforaissointeragemcommatériaouluzapenasfracamente,ounão interagem.Sevocêgostadeapostar em física, essa éumaboa opção. Os maiores aceleradores de partículas do mundoestãotentandoproduzirpartículasdematériaescuraemmeioaodetrito de colisões de partículas. E laboratórios especialmenteprojetados enterrados fundo no subterrâneo tentam detectarpartículasdematéria escurapassivamente,parao casode elaschegarem do espaço. Uma localização subterrânea protegenaturalmente o local de partículas cósmicas conhecidas quepoderiam enganar os detectores como sendo matéria escurafalsa.Embora tudo issopossasermuitobarulhopornada,a ideia

de uma partícula de matéria escura esquiva tem bonsprecedentes. Neutrinos, por exemplo, foram previstos e

finalmente descobertos, embora interajam de modoextremamente fracocomamatériacomum.O fluxocopiosodeneutrinos vindos do Sol – dois neutrinos para cada núcleo dehéliofundidoapartirdohidrogêniononúcleotermonucleardoSol– deixa o Sol sem ser perturbado por ele, viaja pelo vácuoespacialquaseàvelocidadedaluz,depoispassapelaTerracomoseelanãoexistisse.Aconta:noiteedia,15bilhõesdeneutrinosdoSolpassamporcadacentímetroquadradodeseucorpoacadasegundo,semnenhumsinaldeinteraçãocomosátomosdoseucorpo. A despeito dessa esquivez, os neutrinos ainda assimpodem ser detidos em circunstâncias especiais. E se vocêconseguedeterumapartícula,vocêadetectou.Partículasdematériaescurapodemserevelarporinterações

similarmente raras ou, de modo ainda mais impressionante,podemsemanifestarporformasquenãoa forçanuclear forte,força nuclear fraca e eletromagnetismo. Essas três, mais agravidade, completam o quarteto fantástico de forças douniverso, intermediandotodasas interaçõesentreeemmeioatodasaspartículasconhecidas.Entãoasescolhassãoclaras.Ouas partículas de matéria escura precisam esperar quedescubramosecontrolemosumanovaforçaouclassedeforçaspor intermédio da qual suas partículas interagem, ou aspartículasdematériaescurainteragemsegundoforçasnormais,mascomimpressionantefraqueza.Portanto, os efeitos da matéria escura são reais.

Simplesmentenãosabemosoqueelaé.Amatériaescuraparecenão interagirpela forçanuclear forte,entãonãopodeproduzirnúcleos. Não foi identificada interagindo pela força nuclear

fraca,algoquemesmoosesquivosneutrinosfazem.Nãopareceinteragir com a força eletromagnética, então não produzmoléculasenãoseconcentraemdensasbolasdematériaescura.Nemabsorve,emite,refleteoudefleteluz.Comosabemosdesdeo começo, amatéria escura de fato exerce gravidade, à qual amatéria comum reage. Mas é só. Após tantos anos, não aencontramosfazendomaisnada.Por hora, precisamos ficar contentes de levar a matéria

escura conosco como uma amiga estranha e invisível,invocando-adetemposemtemposquandoouniversocobraissodenós.

6

Energiaescura

Comosevocêjánãotivessemuitocomquesepreocupar,emrecentes décadas descobriu-se que o universo exerce umapressãomisteriosaquevemdovácuoespacialeageemoposiçãoà gravidade cósmica. Não apenas isso, mas essa “gravidadenegativa” acabará vencendo o cabo de guerra, já que força aexpansãocósmicaaacelerarexponencialmenterumoaofuturo.Para as ideias mais perturbadoras da física do século XX,

simplesmenteculpeEinstein.AlbertEinsteinquasenuncacolocouospésnolaboratório;ele

não testou fenômenos nem usou equipamento sofisticado. Foium teórico que aperfeiçoou o “experimento mental”, no qualvocêrefletesobreanaturezausandosuaimaginaçãoaoinventarumasituaçãoouummodelo e então formulaas consequênciasdealgumprincípiofísico.NaAlemanhaantesdaSegundaGuerraMundial, a física baseada em laboratório superava emmuito afísica teórica na mente da maioria dos cientistas arianos. Osfísicosjudeuseramtodosrelegadosàcaixadeareiadosteóricosinferiores e deixados por conta própria. E que caixa de areiaseriaessa!

Como foi o caso de Einstein, se o modelo de um físicopretenderepresentartodoouniverso,entãomanipularomodelodeveriaequivaleramanipularoprópriouniverso.Observadoreseexperimentadorespodementãosaireprocuraros fenômenosprevistos por aquele modelo. Se o modelo for falho, ou se osteóricoscometeremumerroemseuscálculos,osobservadoresdescobrirãoumainconsistênciaentreasprevisõesdomodeloeomodocomoascoisasacontecemnouniversoreal.Paraoteórico,essa é a primeira pista de que ele deve retornar à famosaprancheta,sejaajustandooantigomodelooucriandoumnovo.Um dos modelos teóricos mais poderosos e abrangentes já

concebidos,ejáapresentadonestaspáginas,éateoriageraldarelatividadedeEinstein–masvocêpodechamá-ladeRGdepoisque a conhece melhor. Publicada em 1916, a RG apresenta osdetalhesmatemáticos relevantes de como tudo no universo semovesobainfluênciadagravidade.Aintervalosdealgunsanos,cientistas de laboratório concebem experiências cada vezmaisprecisas para testar a teoria, só para ampliar o alcance da suaprecisão. Um exemplo moderno desse impressionanteconhecimento da natureza que Einstein nos legou se deu em2016, quando ondas gravitacionais foram descobertas por umobservatório especialmente projetado e ajustado unicamentecom esse objetivo.[7] Essas ondas, previstas por Einstein, semovem à velocidade da luz pelo tecido do espaço-tempo,geradasporgravesperturbaçõesgravitacionais, comoa colisãodedoisburacosnegros.E foi exatamente isso o que se observou. As ondas

gravitacionais da primeira detecção foramgeradas pela colisão

deburacosnegros emumagaláxia a 1,3 bilhãode anos-luzdedistância,emumaépocaemqueaTerrafervilhavacomsimplesorganismos unicelulares. Enquanto as ondulações se moviampelo espaço em todas as direções, a Terra, após outros 800milhõesdeanos,desenvolveriavidacomplexa,incluindoflores,dinossauros e criaturas voadoras, bem como um ramo dosvertebrados chamado de mamíferos. Entre os mamíferos, umsub-ramodesenvolveria lobos frontaisepensamentocomplexopara acompanhar. Nós os chamamos de primatas. Um únicoramo desses primatas sofreria uma modificação genética quepermitiria a fala, e esse ramo – Homo sapiens – inventaria aagricultura,acivilização,afilosofia,aarteeaciência.Tudonosúltimos10milanos.Finalmente,umdeseuscientistasdoséculoXX inventariaarelatividadeapartirdesuacabeçaepreveriaaexistênciadeondasgravitacionais.Umséculodepois,tecnologiacapazde ver essas ondas finalmente acompanharia a previsão,apenas dias antes que aquela onda gravitacional, que estiveraviajando por 1,3 bilhão de anos, banhasse a Terra e fossedetectada.Sim,Einsteinfoiincrível.

*

Quando sugeridos pela primeira vez, a maioria dos modeloscientíficosestáapenaspelametade,deixandoespaçosparaqueparâmetrossejamajustadosparamelhorseencaixarnouniversoconhecido. No universo “heliocêntrico” baseado no Sol,concebidopelomatemáticodoséculoXVINicolauCopérnico,os

planetasorbitavamemcírculosperfeitos.ApartedeorbitaroSolestavacorreta, e foiumgrandeavançoemrelaçãoaouniverso“geocêntrico”baseadonaTerra,masapartedocírculoperfeitoserevelouumpoucoequivocada–todososplanetasorbitamoSolemcírculosachatadoschamadoselipses, eatémesmoessaforma é apenas uma aproximação de uma trajetória maiscomplexa.AideiabásicadeCopérnicoestavacorreta,eissoeraoque mais importava. Ela simplesmente precisava de algunsajustesparasetornarmaisacurada.Mas no caso da relatividade de Einstein, os princípios

fundamentais da teoria exigem que tudo aconteça exatamentecomo previsto. Com efeito, Einstein construiu o que de forapareceumcastelodecartas,comapenasdoisoutrêspostuladossimples sustentando toda a estrutura. De fato, ao tomarconhecimentodeumlivrode1931intituladoOnehundredauthorsagainstEinstein[8],elerespondeudizendoqueseestivesseerrado,apenasumdelesbastaria.Naquele momento foram lançadas as sementes de um dos

maiores fracassosdahistória da ciência.Asnovas equações degravidade de Einstein incluíam um termo que ele chamou de“constante cosmológica” e que representou com a letra gregamaiúscula lambda: A Um termo matematicamente permitido,masopcional,aconstantecosmológicalheautorizourepresentarumuniversoestático.Naépoca,aideiadequenossouniversopudessefazeralguma

coisa alémde simplesmente existir estava alémda imaginaçãode qualquer um. Então o único papel de lambda era se opor àgravidade no modelo de Einstein, mantendo o universo

equilibrado,resistindoàtendêncianaturaldagravidadedeatrairo universo inteiro para uma massa gigantesca. Desse modo,Einstein inventou um universo que não se expande nem secontrai,coerentecomasexpectativasdetodosnaépoca.O físico russo Alexander Friedmann depois demonstraria

matematicamente que o universo de Einstein, emboraequilibrado, estava em um estado de instabilidade. Como umabolaparadanoaltodeummorro,esperandoamenorprovocaçãoparadescerrolandoemumadireçãoououtra,oucomoumlápisequilibradoemsuapontaafiada,ouniversodeEinsteinestavaprecariamente equilibrado entre um estado de expansão ecolapso total. Mais ainda, a teoria de Einstein era nova, e sóporquevocêdáaalgumacoisaumnome,issonãoatornareal–Einstein sabia que o lambda, como uma força da natureza degravidadenegativa,nãotinhaequivalenteconhecidonouniversofísico.

*

AteoriageraldarelatividadedeEinsteindivergiaradicalmentedetodooraciocínioanteriorsobreatraçãogravitacional.Emvezde aceitar a visãode sir IsaacNewtondagravidade comoumaperturbadora ação à distância (uma conclusão que deixou opróprio Newton desconfortável), a RG vê a gravidade como areação de umamassa à curvatura local do espaço e do tempocausadaporalgumaoutramassaouumcampodeenergia.Essasdistorções guiam as massas em movimento ao longo de umageodesia em linha reta,[9] embora nos pareça as trajetórias

curvasquechamamosdeórbitas.Ofísicoteóricoamericanodoséculo XX John Archibald Wheeler foi quem melhor definiu,resumindo o conceito de Einstein como: “A matéria diz aoespaçocomosecurvar;oespaçodizàmatériacomosemover”.[10]

Nofinaldascontas,a relatividadegeraldescreviadois tiposdegravidade.Uméotipocomum,comoaatraçãoentreaTerrae uma bola lançada no ar, ou entre o Sol e os planetas. Elatambém previa outra variedade – uma misteriosa pressãoantiatmosférica associada ao vácuo do próprio espaço-tempo.LambdapreservouoqueEinsteinetodososoutrosfísicosdesuaépocapresumiamfortementeserverdadeiro:ostatusquodeumuniversoestático–umuniversoe