ORIGENS e ASTROFÍSICA PARA APRESSADOS

 TYSON, Neil deGrasse. Astrofísica para apressados. Editora Planeta, 2017. (179 páginas)

TYSON, Neil deGrasse. Origens: catorze bilhões de anos de evolução cósmica. Editora Planeta, 2016. (313 páginas)

- Em um momento ou outro, todos nós olhamos para o céu noturno e imaginamos: o que tudo isto significa? Como tudo isto funciona? Qual o nosso lugar no universo?

- O universo teria surgido há 14 bilhões de anos

- No início do universo, toda a matéria e toda a energia estavam contidas em um ponto. O ambiente era tão quente, sob uma temperatura de 500 bilhões de graus, que os átomos não se uniam, porque as ligações entre prótons e nêutrons eram impedidas por estas altas temperaturas, que causavam colisões constantes com os fótons, sem que nenhuma ligação atômica fosse possível. À medida que a temperatura caiu, os fótons se tornaram menos energéticos, e as ligações nucleares entre prótons e nêutrons se tornaram possíveis, assim os núcleos mais leves começaram a se formar, e o universo começou a se expandir, diluindo todas as concentrações de energia, com o que restou das forças unificadas se dividindo entre forças eletrofracas e forças nucleares fortes. Posteriormente, as forças eletrofracas se dividiram em forças eletromagnéticas e forças nucleares fracas, desnudando as quatro forças físicas distintas conhecidas: com a força nuclear fraca controlando o decaimento radioativo, a força nuclear forte unindo os núcleos atômicos, a força eletromagnética unindo as moléculas, e a gravidade unindo a matéria condensada.

- A interação de matéria na forma de partículas subatômicas e energia na forma de fótons - condutores sem massa de energia luminosa que são tanto onda quanto partículas - era incessante, convertendo sua energia em pares de partículas de matéria e antimatéria que se aniquilavam, devolvendo sua energia aos fótons. Mas nas divisões de forças, o universo foi dotado de uma assimetria: as partículas de matéria criadas superavam por pouco às de antimatéria, e formaram toda a massa do cosmos, fazendo eclodir um protouniverso formado 90% por hidrogênio e 10% por hélio. Foi uma assimetria muito pequena: para cada 1 bilhão de partículas de antimatéria, nasceram 1 bilhão + 1 partículas de matéria.

- A cada instante o universo fica um pouco maior, um pouco mais frio e um pouco mais escuro. E assim foi durante 380 mil anos. A encarnação da luz restante deste universo primordial ofuscante e causticante é observada na radiação cósmica de fundo, que hoje são micro-ondas e que em cinquenta bilhões de anos serão transformadas em ondas de rádio.

- Quando a temperatura ficou abaixo de 3 mil graus Kelvin - metade da temperatura da superfície do Sol - os elétrons se combinaram com os núcleos, completando a formação de partículas e átomos no universo primordial. Esta nuvem cósmica veio a se concentrar e a formar bilhões de galáxias, cada qual com bilhões de estrelas passando por fusões termonucleares em seus núcleos. Estrelas com mais de 10 vezes a massa do Sol conseguem temperatura e pressão suficientes em seus núcleos para fabricar os elementos químicos mais pesados. Ao esgotarem suas fontes de energia, estas estrelas explodem, e assim espalharam seus elementos químicos pesados por todo o universo durante bilhões de anos.

- Correndo o risco de simplificar exageradamente o ciclo de vida das estrelas, pode-se afirmar que cada uma vive gerando o liberando em seu interior a energia que permite que ela se sustente contra a gravidade. Sem a produção de energia por meio da fusão termonuclear, cada bola de gás estrelar colapsaria sob seu próprio peso.

- Algumas regiões do universo começaram a se agrupar pela atração gravitacional de suas partes. Onde a matéria se acumulava, a força da gravidade aumentava, permitindo que cada vez mais matéria se reunisse, semeando a formação de superaglomerados de galáxias.

- Numa grande contabilidade de componentes cósmicos, são as galáxias as que mais aparecem. Há mais de 100 bilhões de galáxias no universo.

- Entre as galáxias, há diversas coisas difíceis de serem detectadas: galáxias anãs, estrelas desgarradas, estrelas desgarradas que explodem, gás a milhões de graus que emitem raios-X, matéria escura, galáxias azuis fracas, nuvens de gás unipresentes, impressionantes partículas carregadas de alta energia, e a misteriosa energia quântica do vácuo.

- A humanidade vive num grão de poeira cósmica nas longínquas periferias de uma galáxia comum entre 100 bilhões de galáxias no universo.

- Há mais estrelas no universo do que há de grãos de areia em qualquer praia da Terra.

- Após 9 bilhões de anos, em uma parte banal do universo, a periferia do superaglomerado de Virgem, em uma galáxia banal, a Via Láctea, numa região banal, o braço de Órion, nasceu uma estrela banal, o Sol. A quantidade de detritos girando atraída gravitacionalmente pelo Sol formou os planetas e seus satélites, asteroides e cometas. Um destes planetas, a Terra, foi formado a uma distância adequada o suficiente do Sol para ter água em estado líquido, alimento primordial para a formação da vida como conhecida pela humanidade. Nos oceanos, moléculas orgânicas fizeram a transição para as primeiras formas de vida na Terra, bactérias aeróbicas simples e organismos unicelulares, que durante bilhões de anos foram liberando oxigênio como um subproduto de seus metabolismos, e que foram transformando a atmosfera rica em gás carbônico numa atmosfera rica em oxigênio, viabilizando que organismos aeróbicos surgissem no planeta.

- O Sol se move numa órbita quase circular ao redor do centro da Via Láctea, levando 240 milhões de anos (chamado de "um ano cósmico") para dar cada volta completa.

- Distâncias cósmicas são tão vastas, que o tempo de viagem para que a luz chegue à Terra pode ser de milhões, ou até bilhões de anos.

- O planeta Terra tem um diâmetro de 0,04 segundos-luz. A órbita de Netuno abrange 8 horas-luz. As estrelas da Via Láctea delineiam um disco largo e achatado com um diâmetro de aproximadamente 100 mil anos-luz. E o superaglomerado de galáxias de Virgem, ao qual pertence a Via Láctea, estende-se aproximadamente por 60 milhões de anos-luz.

- Em 1610, em seu livro Siderus Nuncius (Mensageiro Sideral), Galileu Galilei apresentou o primeiro relato do céu visto através de um telescópio: "A Via Láctea pode ser observada tão bem que todas as disputas, que por tantas gerações têm exasperado os filósofos, são destruídas pela certeza visível, e ficamos liberados de argumentos verbosos".

- Foi Isaac Newton quem descobriu a lei da gravidade, e provou que ela era universal, válida tanto no ambiente terrestre quanto no celestial, guiando todos os corpos no universo. Posteriormente, a Teoria Geral da Relatividade, de Albert Einstein, ampliou os princípios da gravidade de Newton, provando que a gravidade era diferente na escala de objetos de massa extremamente grande, num âmbito ampliado que era desconhecido nos tempos de Newton. Sob massa reduzida, as equações de Newton e de Einstein dão os mesmos resultados. Mas mesmo com a Teoria da Relatividade Geral, a humanidade não conseguia provar a fonte de 85% da gravidade medida no universo. Para fechar esta conta, supôs-se a existência da matéria escura como a geradora destes efeitos gravitacionais não explicados.

- Cientes de que a luz é uma onda, os físicos no Século XIX consideravam que a luz requeria um meio para se mover, assim como as ondas de som se movem pelo ar. Daí supuseram que havia uma substância no vácuo do espaço responsável pela propagação da luz. Chamaram esta substância de éter. Até que se descobriu que, diferentemente do som, as ondas de luz se propagam por si mesmas, coexistindo com comportamento de onda e comportamento de partículas.

- Albert Einstein foi o físico teórico que melhor aperfeiçoou o experimento mental de reflexão sobre a natureza. Ele acreditava num universo estático, e para viabilizar matematicamente seu modelo, introduziu nele uma constante cosmológica "lambda", uma força da natureza de gravidade negativa, que Einstein sabia perfeitamente que jamais havia sido observada na natureza. 

- Albert Einstein tinha 26 anos, em 1905, quando apresentou sua mais famosa fórmula: E = mc². Ou seja, energia é massa vezes o quadrado da velocidade da luz. A humanidade estava sendo então apresentada à Teoria da Relatividade.

- Todos os fótons viajam à mesma velocidade no vácuo, chamada de velocidade da luz.

- Foi necessária a mente da pessoa mais brilhante do milênio, Isaac Newton, para compreender que a misteriosa ação à distância, a gravidade, é fruto de todo tipo de matéria, e a força de atração entre dois objetos quaisquer pode ser descrita por uma simples equação algébrica, e estas leis funcionavam para todo o Sistema Solar. Ele provou como as órbitas dos planetas eram estáveis, e qual velocidade seria necessária para um escape. O mesmo raciocínio é aplicável a sistemas muito maiores, como galáxias, nas quais também era possível se calcular a velocidade de fuga em função da massa. Foi necessária a mente mais brilhante do Século XX, Albert Einstein, para descrever a ação à distância da gravidade como uma dobra no tecido do espaço-tempo pela combinação de matéria e energia, provando que a teoria de Newton precisava de algumas modificações para descrever a gravidade com precisão. Entretanto, ao se estudar aglomerados de galáxias, constata-se que elas se movem acima da velocidade de fuga dos aglomerados, sem que se soubesse qual era a massa existente capaz de mantê-las unidas.

- O físico teórico John Archibald Wheeler talvez tenha sido quem melhor definiu a Teoria da Relatividade Geral de Einstein: "A matéria diz ao universo como se curvar, e o espaço diz à matéria como se mover".

- Em 1933, astrônomos identificaram uma "massa ausente" que explicasse suas observações de velocidade das galáxias e a força gravitacional gerada sobre suas galáxias vizinhas. Não havia matéria visível suficiente que desse a massa necessária para explicar as velocidades observadas, não permitindo uma perfeita explicação para o movimento das estrelas ao redor dos centros das galáxias.

- Em 1976, observações da astrofísica Vera Rubin indicaram que também havia anomalias de massa dentro das galáxias. As estrelas dos halos externos se moviam a uma velocidade superior à esperada para a presença de massa nestas áreas.

- De uma galáxia a outra, e de aglomerado em aglomerado, a discrepância de massa entre a calculada dos objetos visíveis e a estimada a partir da gravidade total variava de um pequeno fator até um fator de centenas. A esta "massa faltante" se chamou de "matéria escura". Mas sua existência permanece um mistério. Talvez ela nem exista, não havendo nada de anormal com a matéria, e seja apenas uma incompreensão das leis da gravidade em escala ainda maiores.

- Céticos convictos podem comparar a matéria escura com o hipotético e hoje finado éter, sugerido no Século XIX como o meio sem peso e transparente que permeava o vácuo espacial para viabilizar que a luz se propagasse como uma onda. Na época, as propriedades de onda do som e da luz já eram bem conhecidas, mas não havia a compreensão de como ondas se propagariam no vazio em vácuo do espaço. Assim, supôs-se que havia uma substância misteriosa no espaço que viabilizava a propagação das ondas de luz. Posteriormente, o entendimento da propagação das ondas de luz provaria que o éter não existia no espaço. A luz, diferentemente do som, pode se propagar sem um meio que a carregue, porque se trata de pacotes de energia autopropagados.

- A única certeza que se tem é que há uma força gravitacional que pode ser medida sendo gerada pela massa de algo que não pode ser visto, porque não interage com a luz.

- Neutrinos, por exemplo, foram primeiro previstos, e só posteriormente tiveram sua existência comprovada, embora interajam de forma extremamente fraca com a matéria comum. Um fluxo copioso de neutrinos deixa o Sol e passa pela Terra como se ela não existisse, sem nenhuma interação com os átomos. Mas ainda assim, eles podem ser detidos em condições especiais.

- A matéria escura parece não interagir pela força nuclear forte, então não pode produzir núcleos. Não foi identificada interagindo com a força nuclear fraca, algo que mesmo os esquivos neutrinos fazem. Não parece interagir com a força eletromagnética, então não produz moléculas nem se concentra. Nem absorve, emite, reflete ou deflete luz. Mas exerce gravidade, à qual a matéria comum reage. Mas é só, não a encontramos fazendo mais nada.

- O universo exerce uma pressão misteriosa que supostamente derivaria do vácuo espacial, e que age em oposição à gravidade cósmica, forçando a sua expansão.

- Em 1988, observações de supernovas em galáxias distantes comprovaram que havia a ação de uma força gravitacional negativa, exatamente como era previsto pela constante “lambda” de Einstein, que acabou sendo ressuscitada, e batizada de energia escura. A maior burrada de Einstein teria sido declarar que lambda havia sido sua maior burrada.

- Ninguém sabe o que é a energia escura. O mais perto que já se chegou de seu entendimento, foi a suposição de que ela seria um efeito quântico: o vácuo espacial, em vez de estar vazio, fervilharia de partículas e suas equivalentes de antimatéria, que existem por períodos de tempo ínfimos, mas suficientes para exercerem forças como produto de sua breve interação com a matéria.

- A matéria comum é aquilo que gera tudo no universo. Ela tem gravidade e interage com a luz. A matéria escura seria uma substância misteriosa que tem gravidade, mas que não interage com a luz de nenhuma forma conhecida. Já a energia escura seria uma pressão misteriosa no vácuo do espaço que atua na direção oposta à da gravidade, forçando o universo a se expandir.

- Em abril de 1990, a NASA (Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço, agência dos Estados Unidos) lançou o Telescópio Espacial Hubble para além da atmosfera terrestre, um telescópio do tamanho de um ônibus. E só então, a partir das observações do Telescópio Hubble nos anos seguintes, descobriu-se que as galáxias gigantes abrigavam buracos negros em seu centro, os quais serviram como semente gravitacional ao redor da qual a matéria se amontoou.

- No poderoso Acelerador de Partículas, na Suíça, os físicos criam um punhado de antielétrons e antiprótons, elementos com carga invertida, e em temperatura e densidade adequadas conseguem uni-los em átomos de antimatéria, mas que duram por pouquíssimo tempo, já que quando entram em contato com a matéria, ambos se aniquilam e desaparecem.

- Os nêutrons, ainda que tenham carga neutra, nem positiva nem negativa, também tem o antinêutron. Um nêutron é formado por três partículas de quarks, as quais têm cargas -1/3, -1/3 e +2,3. Desta forma, os quarks de antinêutrons têm cargas +1/3, +1/3 e -2,3. Ambos, portanto, nêutrons e antinêutrons, têm carga líquida igual a zero.

- Quando entram em contato e se aniquilam, o choque entre matéria e antimatéria gera raios gama, uma espécie de radiação que deve ser evitada, cuja única proteção eficaz para um ser vivo é através de barreiras magnéticas especiais.

- Os 4 elementos quimicamente ativos mais comuns no universo - hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio - são os quatro elementos mais comuns da vida na Terra, onde o carbono é a base da bioquímica.

- O hidrogênio é responsável por mais de 2/3 de todos os átomos no corpo humano, e por mais de 90% de todos os átomos no cosmos.

- A matéria dentro de cada criatura viva na Terra consiste principalmente de 4 elementos químicos: hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio. Todos os outros elementos químicos juntos contribuem por menos de 1% da vida. Todos estes 4 elementos aparecem na lista de 6 elementos mais abundantes no universo, sendo que os 2 outros elementos desta lista, o hélio e o neônio, têm a característica comum de que quase nunca combinam com outros elementos químicos. Logo, a vida sobre a Terra consiste nos ingredientes mais abundantes e quimicamente ativos do universo.

- Os quatro compostos químicos mais comuns no planeta Terra são: oxigênio, ferro, silício e magnésio. Destes 4, só um aparece na lista dos mais abundantes nos seres vivos, o oxigênio.

- Nos oceanos da Terra, os elementos mais abundantes são o oxigênio e o hidrogênio, e os elementos químicos mais comuns dissolvidos na água marinha são cloro, sódio, enxofre, cálcio e potássio.

- Cada átomo de carbono pode se ligar com um, dois, três ou quatro outros átomos, o que o torna um elemento crucial na estrutura de todas as formas de vida na Terra. Em contraste, cada átomo de hidrogênio só se liga a um átomo, e cada átomo de oxigênio só se liga a um ou dois átomos. Assim, são os átomos de carbono aqueles que dão a estrutura para todas as moléculas, como proteínas e açúcares. E o carbono se liga a outros átomos de forma bastante fraca, de forma que as ligações químicas se rompem com relativa facilidade, permitindo que as moléculas baseadas em carbono formem novos tipos quando colidem ou interagem com outras, uma parte essencial da atividade metabólica de qualquer forma de vida.

- O irídio é a evidência concreta mais famosa do mundo. Uma fina camada dele pode ser encontrada no subsolo por todo o planeta Terra no famoso limite Cretáceo-Paleógeno dos estratos geológicos, datando de aproximadamente 65 milhões de anos atrás. No mesmo período no qual se sabe que todos os seres vivos maiores que uma maleta foram extintos, incluindo os lendários dinossauros, cujos ossos fósseis só são encontrados abaixo desta camada geológica do subsolo. O irídio é raro na superfície da Terra, mas bastante comum em asteroides metálicos maiores do que 9 quilômetros.

- Quaisquer que tenham sido os eventos na Terra que fizeram a matéria inanimada adquirir vida, eles ocorreram há bilhões de anos e não deixaram vestígios definitivos, pois suas evidências foram derretidas na crosta terrestre pelo calor daí emanado.

- Para tempos mais remotos do que 4 bilhões de anos, não há registro fóssil e geológico da história da Terra que haja sobrevivido.

- Estima-se que a vida na Terra tenha surgido nos primeiros 600 milhões de anos de existência após a formação do Sol e dos planetas, ou seja, entre 4,6 e 4,0 bilhões de anos atrás.

- Na superfície da Terra, há muito poucas rochas com mais de 2 bilhões de anos, e nenhuma com mais de 3,8 bilhões.

- Há evidências nas rochas de que o volume de oxigênio na Terra subiu substancialmente há pouco mais de 3 bilhões de anos, muito provavelmente liberados por organismos diminutos nos mares, como produto de fotossíntese, organismos diminutos estes que devem ter passado por uma fase de intensa multiplicação neste período.

- Registros fósseis provam que há 252 milhões de anos houve um evento de extinção em massa, a extinção do Permiano-Triássico, que exterminou 90% das espécies de vida marinha, e 70% de todas as espécies vertebradas que existiam nesta época. Há 65 milhões de anos, outra extinção em massa ocorreu, a extinção do Cretáceo-Terciário, que matou todos os dinossauros não aviários.

- Além de cristais e rochas, não há muito mais no cosmos que surja naturalmente com ângulos agudos, enquanto a lista de coisas redondas é praticamente interminável. As esferas são favorecidas pela ação de simples leis da física. A energia e a gravidade conspiram para transformar objetos em esferas.

- Cobrindo todo o espectro eletromagnético, em ordem crescente de energia e frequência há: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, as 7 cores do arco-íris, ultravioleta, raios-X e raios gama. O físico alemão Heinrich Hertz foi quem provou que a única diferença verdadeira entre os vários tipos de luz, sejam as visíveis ou as invisíveis ao olho humano, é a frequência de ondas em cada faixa.

- A Lua tem cerca de um tricentésimo do diâmetro do Sol, mais este está um tricentésimo mais distante da Terra, tornando a Lua e o Sol praticamente do mesmo tamanho no céu terrestre, uma coincidência não partilhada por nenhuma outra combinação de planeta e satélite no Sistema Solar, permitido eclipses únicos.

- O planeta Júpiter, com seu poderoso campo gravitacional, tira do caminho muitos cometas que do contrário causariam o caos no interior do Sistema Solar, sendo um escudo protetor sem o qual a vida teria tido muito mais dificuldade de se tornar complexa no planeta Terra.

- Só foi possível ampliar o conhecimento científico da humanidade graças ao luxo do tempo não investido na simples sobrevivência e na luta por subsistência. Condições dadas por uma sociedade na qual o esforço intelectual pôde levar o homem às fronteiras das descobertas e sob condições para a sua disseminação.

- Ao recompensar um cientista que detecta os erros dos outros, uma tarefa que a natureza humana faz com muito mais facilidade do que discernir seus próprios erros, criou-se um sistema de autocorreção, um mecanismo de busca coletiva, no qual as leis de hoje se revelam no futuro apenas uma parte de uma verdade maior.

- O grande desafio científico no início do Século XXI era entender como a mecânica quântica, que descreve o comportamento de moléculas, átomos e partículas que se formam, ajusta-se à Teoria da Relatividade Geral, que descreve como quantidades extremamente grandes de matéria e espaço afetam umas às outras.

- Orbitando a 36 mil quilômetros acima da superfície da Terra, a 1/10 da distância da Lua, estão oa satélites de comunicação que levam notícias e imagens ao redor da Terra.