Telescópios da NASA definem limites para a “espuma” quântica do espaço-tempo

As observações de raios-X de quasares distantes do Chandra (as 6 imagens acima) e dos telescópios de raios gama estão a ajudar os cientistas a testarem a natureza do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas. Esta ilustração artística (em baixo) descreve como a estrutura espumosa do espaço-tempo se poderia assemelhar, mostrando minúsculas bolhas milhares de biliões de vezes mais pequenas do que um núcleo dum átomo, que estariam constantemente a flutuar e que perdurariam apenas durante fracções infinitesimais de um segundo.

As observações de raios-X de quasares distantes do Chandra (as 6 imagens acima) e dos telescópios de raios gama estão a ajudar os cientistas a testarem a natureza do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas. Esta ilustração artística (em baixo) descreve como a estrutura espumosa do espaço-tempo se poderia assemelhar, mostrando minúsculas bolhas milhares de biliões de vezes mais pequenas do que um núcleo dum átomo, que estariam constantemente a flutuar e que perdurariam apenas durante fracções infinitesimais de um segundo.

Uma equipa de cientistas usou observações de raios-X e de raios gama de alguns dos objetos mais distantes no Universo para entender melhor a natureza do espaço e do tempo. Os seus resultados estabeleceram limites sobre a natureza quântica, ou “espumosa,” do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas.

Este estudo combina dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e do telescópio espacial Fermi Gamma-ray, juntamente com observações de raios gama terrestres obtidas pelo Energetic Radiation Imaging Telescope array (VERITAS). 

Nas menores escalas de distância e duração que podemos medir, o espaço-tempo – isto é, nas três dimensões do espaço, mais o tempo – parece ser suave e sem estrutura. No entanto, perante certos aspectos da mecânica quântica, os cientistas que desenvolveram esta teoria de grande sucesso  para explicar a física de átomos e das partículas subatómicas, previram que o espaço-tempo não seria suave. 

Pelo contrário, ele teria uma natureza espumosa, nervosa e seria composto de muitas regiões, em constantes pequenas mudanças, regiões estas em que o espaço e o tempo seriam flutuantes, com estas alterações a durarem períodos de tempo infinitesimais.

“Uma maneira de pensar na espuma do espaço-tempo é porventura imaginar que está a sobrevoar o oceano a bordo dum avião, e o enorme lençol de água parecer-lhe completamente liso. No entanto, se voar suficientemente baixo vê as ondas, e mais perto ainda, a espuma, com pequenas bolhas que são constantemente flutuantes “, disse o principal autor Eric Perlman, do Instituto de Tecnologia da Florida, em Melbourne. “Ainda mais estranho, as bolhas são tão minúsculas que, às escalas atómicas, será como tentar observá-las a partir dum avião que voa muito alto.”

A escala prevista da espuma de espaço-tempo é cerca de dez vezes o diâmetro do núcleo de um átomo de hidrogénio a dividir por…mil milhões, de tal modo que não pode ser detectada directamente.

No entanto, se o espaço-tempo tem uma estrutura espumosa há limitações sobre a precisão com que as distâncias podem ser medidas porque o tamanho das muitas bolhas quânticas através das quais a luz viaja irá ele mesmo flutuar. Dependendo do modelo de espaço-tempo que estiver a ser usado, essas incertezas de distância devem acumular-se em taxas diferentes quando a luz viaja ao longo das grandes distâncias cósmicas.

Os investigadores usaram observações de raios-X e de raios gama de quasares distantes – fontes luminosas produzidas pela matéria que cai em direcção a buracos negros supermassivos – para testarem os modelos de espuma de espaço-tempo. Os autores previram que a acumulação de incertezas das distâncias para a luz viajar através de milhares de milhões de anos-luz faria com que a qualidade de imagem se degradasse a um ponto em que os objectos se tornariam indetectáveis. O comprimento de onda em que as imagens desaparecem depende então do modelo de espuma de espaço-tempo utilizado.

A detecção de raios-X pelo telescópio Chandra emitidos por quasares situados a distâncias de milhares de milhões de anos-luz exclui um modelo, segundo a qual os fotões se propagam aleatoriamente através da espuma espaço-tempo duma forma semelhante à propagação da luz através do nevoeiro.

As detecções de quasares distantes num comprimento de onda mais curto, nos raios-gama do Fermi e com comprimentos de onda ainda mais curtos com o VERITAS demonstram que um segundo modelo de gravidade quântica, chamado holográfico e com menos difusão, não funciona.

“Nós achamos que com os nossos dados se podem descartar dois modelos diferentes para a espuma do espaço-tempo”, disse o co-autor Jack Ng, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. “Podemos concluir que o espaço-tempo é menos espumoso do que alguns modelos previam.”

Os dados dos raios-X e dos raios gama mostram que o espaço de tempo é suave até dimensões menores de 1000 vezes do que a dum núcleo de um átomo de hidrogénio.

Estes resultados aparecem na edição de 20 de maio do The Astrophysical Journal.

O Marshall Space Flight Center da NASA, em Huntsville, Alabama, gere o programa Chandra para o Directório da Missão de Ciência da agência em Washington. O Observatório Astrofísico Smithsonian, em Cambridge, Massachusetts, controla as operações científicas e de voo do Chandra.

O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA é uma parceria de astrofísica e física de partículas gerido pelo Goddard Space Flight Center da agência em Greenbelt, Maryland. Foi desenvolvido em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, com contribuições de instituições e parceiros académicos em França, e na Alemanha, Itália, Suécia, no Japão e nos Estados Unidos.

O VERITAS é operado por uma colaboração de mais de 100 cientistas de 22 instituições diferentes nos Estados Unidos, Irlanda, Inglaterra e Canadá. O VERITAS é financiado pelo Departamento de Energia, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA, o Smithsonian Institution, o Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, a Science Foundation Ireland e pelo STFC, do Reino Unido.

Uma imagem interativa, um podcast, e um vídeo sobre as conclusões estão disponíveis em:

http://chandra.si.edu

Para consulta de mais imagens interactivas, multimédia e materiais similares sigam esta ligação web:

http://www.nasa.gov/chandra

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Já em 2009, o observatório espacial Chandra tinha observado fotões em comprimentos de onda curtos, de alta energia, originados em explosões de raios-gama e, após as ter comparado com outras observações de fotões feitas com telescópios para comprimentos de onda mais longos, de menor energia, concluiu – tendo esses fotões diferentes partindo ao mesmo tempo de objectos situados a cerca de 7 mil milhões de anos-luz – a favor da suavidade analógica e contínua do tecido do espaço-tempo em detrimento duma constituição granular, ou digital, estruturada nesta espuma.

Um fotão de mais alta energia demoraria mais tempo a chegar, pois seria atrasado no seu trajecto pela rugosidade granular desta espuma. Mas não. O que se observou foi que chegaram com uma simultaneidade incompatível com a espuma quântica

Assim o regime do muito grande está melhor descrito pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que é uma teoria que desfruta de enorme sucesso neste regime de grandes escalas.

O conjunto destas observações estabelece agora limites (constrangimentos como se diz mais usualmente em física de partículas) a várias versões da hypothesis da Gravidade Quântica, por eliminação destas versões.

Este tipo de observações podem ( e devem) ser chocantes no sentido de afastarem hipóteses teoricamente verosímeis (com verosímil significado físico) duma Teoria que unisse a Gravitação de Einstein com a igualmente muito bem sucedida Teoria Quântica de Campos, que explica o mundo do muito pequeno. Duma Teoria Unificando o muito grande com o muito pequeno.

No entanto, um choque desta natureza, baseado na observação, tem o condão de eliminar os nossos pré-conceitos, e de limitar por outro lado o número de versões candidatas a uma teoria de tudo, se é que esta existe.

Há uma faceta didáctica neste modo da Ciência avançar, pode-te chocar por desfazer sonhos de construções à priori lógicas e bem estruturadas, mas diz-te a verdade. Sem contemplações ou falinhas mansas.

Isso faz avançar a sede de conhecimento, obriga a reverificar a “zona de Paz,” ou compatível, entre a TGR e a Teoria de Campos, que é a mecânica quântica relativista, ou de altas energias.

Afinal o caso, caso te livres dos teus pré-conceitos (no fundo que não sejas prisioneiro das tuas ideias) não é assim tão grave. Física de altas energias é a própria definição de Física de Partículas.

Mas espelha bem os desafios e os choques a que está sujeito quem faz e quem acompanha Ciência.

É que nesta, acima das hipóteses estão a teorias, que são corpos de conhecimento verificados literalmente milhões de vezes, num processo complexo e draconiano, mas acima das teorias estão os dados da experimentação e da observação.

Em suma, Ciência no seu melhor.

Pode, quem tiver interesse em aprofundar, ler o paper científico aqui.

E ver um vídeo do Telescópio Fermi Gamma-Ray sobre este tema fascinante, o da estrutura e geometria do espaço-tempo.

2 pings

  1. […] A ilustração sugere como a estrutura espumosa do espaço-tempo se assemelharia, mostrando a flutuação de minúsculas bolhas, trilhões de vezes menores do que um núcleo atômico, perdurando apenas por frações infinitesimais de segundo. (FONTE) […]

  2. […] do que um protão, a partícula composta que constitui o núcleo do átomo do Hidrogénio comum, conforme relatámos em Maio de […]

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