Origens da vida no contexto cósmico é um curso desenvolvido no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, com o objetivo de apresentar os mais recentes avanços científicos na compreensão deste intrigante assunto. É um curso com formato multidisciplinar que o levará a compreender melhor os aspectos envolvidos no surgimento de vida na Terra e no possível surgimento de vida em outros planetas.
Origem do universo na perspectiva da cosmologia
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Do curso por Universidade de São Paulo
Origens da Vida no Contexto Cósmico
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Na lição
Módulo 1
Olá! Nesta primeira semana do curso “Origens da vida no contexto cósmico” seremos guiados pelo fantástico espetáculo da diversidade da vida na Terra. Seria a vida fruto de um ato de criação ou o resultado de transformações químicas? E o nosso sistema solar? Sempre existiu? Sempre foi assim, ou surgiu em um determinado momento, por meio de processos cósmicos que poderíamos observar em outros pontos do universo? Compreenderemos um pouco melhor o que é o nosso universo e as escalas de distância envolvidas na medição dos grandes fenômenos cósmicos, como o nosso sistema solar, as galáxias e aglomerados. Será que podemos medir o tamanho do universo? E sua idade, seria possível sabermos o quão antigo é?
Inicie sua jornada assistindo os vários vídeos que foram disponibilizados essa semana. Leia o artigo “Origens da vida”, que é um recurso extra muito importante para seu aprofundamento no curso. Em seguida faça o teste proposto. Estaremos esperando vocês em nosso fórum !
A grande jornada vai começar. Venha conosco!
Conheça os instrutores
Rodrigo de SouzaMestrando
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Elysandra Figueredo CyprianoProfessora Doutora
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Augusto Damineli NetoProfessor Titular
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Douglas GalantePesquisador Doutor
LNLS
Amelia dos SantosDoutora em Biologia
Amancio FriaçaProfessor Associado
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
[MÚSICA] Professor Ademir,
muito obrigado pela sua participação no nosso curso.
Professor, o que é que a cosmologia tem a nos dizer sobre a origem do universo?
>> A cosmologia, ela vai fazer 100 anos no próximo ano,
ela começou 1917 quando Einstein
propôs o primeiro modelo cosmológico.
O primeiro modelo cosmológico era modelo estático,
então não havia grandes questões
a respeito do início do universo, o universo era sempre o mesmo.
Esse modelo de Einstein,
13 anos depois, 12 anos depois, se revelou incompatível com as observações.
As observações do astrônomo Hubble,
também com colaboração de Lemaître, mais ou menos na mesma época,
demonstrou que o universo estava expansão e que teve início singular.
O que era previsto por modelo que foi
proposto entre o modelo estático e a descoberta da expansão,
que o foi o modelo de russo chamado Friedmann.
Então, nesses modelos, o tipo Friedmann sempre teve uma singularidade inicial.
O início do universo era explosivo, então você tem no começo do universo,
você tem uma sopa, uma mistura de partículas
elementares e de radiação, você não tem estrutura nenhuma.
O universo era tudo isso, era plasma, plasma extremamente denso e quente.
>> Não existiam átomos nem nada parecido.
>> Não, não existiam átomos, não existiam moléculas, não existiam planetas,
nem estrelas, nem galáxias, ou seja,
nós falamos cosmologia que não existiam estruturas, por quê?
Porque o calor, a radiação tendem a destruir as estruturas, tendem a quebrar.
Por exemplo, se você pegar uma molécula
e você aquecer muito essa molécula, você quebra, se você aquecer muito,
por exemplo, se você aquecer muito líquido, o líquido vai evaporar,
se você, mas você vai ficar com as moléculas,
mas se você aquecer mais ainda, você quebra as moléculas, você têm átomos.
Se você aumentar mais ainda a temperatura, você vai quebrando os átomos.
Depois, se a temperatura aumentar muito,
você quebra os núcleos atômicos, então você vai libertando,
à medida que a temperatura aumenta, você vai libertando as partículas.
É isso que acontece no universo, o passado do universo era quente,
então se você recuar na história cósmica,
o que acontece é que as estruturas vão sendo quebradas até você
ficar com as partículas livres e esse plasma de matéria,
partículas elementares e radiação.
E a arte de Friedmann, que é uma teoria baseada na relatividade geral,
é uma teoria clássica e ela prevê a existência da singularidade.
Nos anos 60, mais ou menos meados dos anos 60,
66, o Hawking e o Penrose estabeleceram,
são dois cosmólogos britânicos,
eles estabeleceram os chamados teoremas de singularidade.
Eles mostraram que a relatividade geral sobre condições extremamente
razoáveis, desenvolvem uma singularidade.
E o que é singularidade?
É como se você tivesse tudo reduzido a pó, as distâncias físicas,
o que nós chamamos de distâncias físicas, entre dois pontos está
reduzida que ela se colapsa e ficam reduzidas a ponto, então o que acontece?
A densidade explode, a temperatura explode,
a temperatura vai ao infinito, por isso que nada resiste.
Então muito no começo, quando a gente fala Big Bang quente,
no termo quente do universo, não precisa nem ter a singularidade,
basta se chegar a uma situação que a temperatura é próxima ao que
a gente chama temperatura de Planck, que é 10 a 32,
potência 32 graus Kelvin.
Essa temperatura extraordinária, ela não é alcançada por
nenhum meio aqui na Terra e ela pode ter sido alcançada no início do universo.
Então a grande questão é: mas a temperatura é infinita,
a densidade é infinita, como é que a gente pode tratar algo dessa maneira, não é?
Você não pode fazer física com algo que é infinito,
mas aí o pessoal se lembrou que apesar da existência dos teoremas
de Hawking e Penrose mostrando que você tem a singularidade, não há como evitar,
o pessoal pensou: não, mas a teoria é clássica e mundo é quântico,
então talvez se você tivesse uma teoria quântica da gravitação,
você pudesse evitar esse começo
singular, essa grande explosão.
Mas o grande problema é que nós não temos uma teoria quântica da gravitação,
ou seja, uma teoria que não tenha infinitos.
Então você não consegue o que os físicos da área
de partículas e campos chamam de renormalização,
você não consegue renormalizar a teoria da gravitação.
Então você não tem uma boa teoria quântica da gravitação,
então fica difícil você fazer previsões, você estudar o início do universo,
porque você não tem uma teoria quântica da gravitação.
Estou falando não do universo jovem, estou falando do universo
>> no seu início, propriamente dito.
>> É, exatamente, no seu início.
Mas acontece o seguinte, têm algumas teorias na praça,
como por exemplo a teoria de cordas.
E as pessoas esperam que ela consiga mostrar que teve universo,
começo não singular.
Por exemplo, o universo pode ter no início no lugar de expandir
ele poderia contrair, vinha até raio mínimo onde
a densidade seria máxima e aí começar a expandir de novo.
Então o pessoal pensa que esse início com comprimento característico,
com volume característico, embora muito pequeno, possa ter existido no início
do universo e pode ser previsto por uma teoria quântica da gravitação.
Então existem algumas propostas na literatura que obtêm até qual é o
valor dessa dimensão mínima, do que seria o raio mínimo do universo.
Então hoje dia a comunidade, ela se divide duas partes,
a maior parte acredita que uma teoria quântica
da gravitação irá evitar a singularidade e uma outra parte diz: não,
mas para o que nós queremos, que é entender o que aconteceu depois,
se existiu ou não instante singular, não é muito importante, por quê?
Porque as estruturas se desenvolvem bem depois.
Depois da explosão você
vê uma era que o pessoal chama de período inflacionário
que o universo, que é período muito curto na história do universo,
que o universo expandiu aceleradamente.
Isso foi muito bom porque resolveu séries, diversos problemas teóricos que existiram,
mas depois o universo entra na era da radiação, que ainda é muito quente.
Depois dessa era ele vai esfriando e é ai que ele
expande e esfria e aí depois ele entra uma era que a gente chama de era da matéria.
Quando ele entra na era da matéria,
mais ou menos algum tempo depois do início da era da matéria, período que
a gente chama de período da recombinação, começa a formação de hidrogênio.
O universo já esfriou a uma temperatura de 3500 graus,
e aí é onde que ele começa a formar o hidrogênio.
Depois a radiação que vinha antes e que estava fortemente grudada nessa matéria,
ela segue livremente, o universo continua expandindo,
a radiação esfriando, a matéria também esfriando e aí você começa
a formação das primeiras estrelas, dos primeiros,
das primeiras galáxias, depois a formação dos planetas e etc.
E aí a gente chega até uma situação que depois desse período inicial de formação,
você tem novamente estágio de expansão acelerada, que as pessoas não
sabem se essa expansão acelerada que nós estamos atravessando hoje Como é
que ela se conecta com a expansão acelerada do período ficcionado.
Ninguém sabe como essa conexão se apresenta, não é?
Mas o período inflacionário inicial,
ele acontece bem depois do que seria singularidade.
Então no momento, existe uma pesquisa
intensa sobre os momentos iniciais do Universo,
mas a grande dificuldade é você ter uma teoria que seja aceita,
que as pessoas acreditem, que descreva bem o Universo,
naquelas condições que aí você possa então fazer
previsões que sejam, digamos assim, que sejam aceitas,
que sejam razoáveis e que as pessoas possam concordar com elas.
Então não existe na comunidade,
o que é mais correto hoje dizer é que não existe,
digamos, nada definitivo a respeito da origem do Universo.
>> Professor, o senhor falou de aspecto muito importante que é a questão da
expansão acelerada do Universo.
A descoberta da expansão acelerada foi grande divisor de águas na cosmologia.
O que é que o senhor tem a nos dizer relação a essa descoberta e, enfim,
quais as características e que isso nos ajuda
a compreender melhor essa megaestrutura que é o Universo?
>> A descoberta da expansão acelerada do Universo,
ela aconteceu quase no final do século XX,
ela aconteceu 1998.
1998 foi uma grande surpresa para
a comunidade astronômica e para os cosmólogos, não é?
Ver que as observações e as vias de distância utilizando supernovas,
implicavam que o Universo estava acelerado, ou seja,
que exisita estado de repulsão cósmica hoje e que
ela começou mais ou menos 7 bilhões de anos atrás.
O Universo tem 14 bilhões de anos, da ordem de 14 bilhões de anos,
então uns 7 bilhões de anos o Universo começou a acelerar.
E esse é dos grandes mistérios, é qual é o ente, qual é,
digamos a espécie de energia ou de matéria que faz o Universo acelerar.
Porque toda a matéria normal que nós conhecemos, ela é atrativa,
você precisa de algo repulsivo ou de algo que simule essa repulsão.
Então tem muitas propostas na literatura, a mais aceita é a da energia do quark,
que isso seria uma manifestação do vácuo quântico.
Por quê?
Porque o vácuo, ele tem,
como descrito pela teoria de quântica de campos, ele pode ter propriedades
que na relatividade geral implicam uma gravidade repulsiva,
por isso 'iii' O que é estranho porque esse período acelerado,
digamos assim, aconteceu muito próximo e exatamente nós
estamos aqui para observar essa aceleração.
Isso é chamado de coincidência cósmica.
É o problema da coincidência.
Tem outro problema que também é chamado o problema da constante cosmológica.
Se você faz estimativas utilizando teoria de quântica de campos,
o valor da constante cosmológica deveria ser muito alto, muito alto,
100 potências de 10 mais alto do que o que é medido hoje.
Essa é considerada a maior discrepância da Física, as pessoas não têm uma explicação
para esse problema até hoje, que é chamado Problema da Constante Cosmológica.
Mas o modelo que nós vemos,
o modelo do Universo que nós vemos é como se a constante cosmológica estivesse lá.
Então você tem Universo que você tem vários tipos de matéria que são
importantes hoje: os 'iii', que somos nós,
a matéria escura que existe 'iii' das galáxias e que a gente
observa os seus efeitos gravitacionais e a energia do vácuo.
Essas seriam as 3 principais que, digamos,
determinariam a expansão universal acelerada hoje
e essa é determinada principalmente pela energia do vácuo.
Essa é a visão, digamos assim,
atual da corrente principal,
digamos assim, da Cosmologia.
Agora, essa descoberta rendeu o prêmio Nobel para as duas equipes,
eram 2 grupos, 2 consórcios internacionais de
astrônomos que estavam fazendo observações e medindo distâncias utilizando
supernovas e eles chegaram ao mesmo tempo à descoberta da expansão acelerada.
Isso realmente pôs a cosmologia no século XXI.
Ela já vinha mostrando esses sinais desde as 2
últimas décadas, ou a última década do século XX,
mas as observações de supernovas 'iii' aceleração,
realmente trouxe novas possibilidades para a Cosmologia e o avanço,
paralelamente houve avanço tecnológico muito grande e os cosmólogos
passaram a ficar também muito confiantes que a sua teoria estava correta.
Ou seja, que a descrição daquele modelo lá, que tinha sido obtido por Friedmann,
que incluía matéria e constante cosmológica também, lá nos anos 20,
ele obteve o primeiro modelo 22 e o segundo 1924,
que aqueles modelos tinham uma grande parte da realidade
do que nós observamos no Universo hoje.
Então é incrível como modelos tão simples obtidos
>> Há tanto tempo...
>> 90 anos atrás, se revelaram, digamos assim,
importantes e com uma parte da realidade do que nós observamos,
o que mostra que geral a Natureza é simples e os modelos mais
simples geral é que dão as melhores explicações.
Então a Cosmologia hoje está numa fase extraordinária de desenvolvimento.
Primeiro porque existe uma crença teórica de que os modelos estão corretos,
de que o desenvolvimento que foi feito, várias frentes, são desenvolvimentos
significativos, importantes e uma parte dos quais já estão consolidados.
Resta ainda algumas dúvidas, claro, por exemplo a questão
da singularidade ou como conectar aquele período inicial
de inflação, que é uma expansão acelerada, com o período atual.
Então será que esses dois períodos acelerados são
provocados pelo mesmo agente?
Como é que ele se transformou para acelerar,
para poder acelerar lá no começo do Universo e acelerar agora.
Quer dizer, ele acelerou quando o Universo tinha uma energia muito alta e
agora está acelerando num Universo de baixa energia?
Será que é o mesmo ente?
Será que são entes diferentes?
Mas afinal quem está acelerando?
Nós vemos o Universo com lambda, lambda é a constante cosmológica.
Nós vemos Universo que é semelhante, muito parecido com
o que é lambda, a questão é: será o lambda mesmo?
Ou algo que simula lambda?
Porque lambda tem os seus problemas.
Então é momento de dúvidas, mas é momento de muito entusiasmo,
quer dizer muito interessante para a gente jovem que começa a trabalhar na área,
porque existe ainda a questão de 'iii', você não pode dizer: "Não,
o Universo está tudo explicado".
Não, não está tudo explicado e talvez dessas pequenas
cavidades que existam ainda para você fechar o grande
quadro venham descobertas inesperadas >> E
talvez outros questionamentos ainda mais assustadores.
>> Exatamente, outros questionamentos.
>> Está certo, então.
Professor 'iii', muito obrigado pela sua participação no nosso curso e até mais.
>> Não, é à vontade,
se precisar novamente é só me chamar na minha sala que é aqui pertinho.
>> Bom, então, obrigado.
>> Está ok.
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