Duas vezes por dia, sete dias por semana, de fevereiro a novembro, nos últimos quatro anos, dois pesquisadores em camadas-se com o thermal underwear e outerwear, com lã, flanela, luvas duplo, de casal meias, macacão acolchoado inchada e vermelha parkas, mummifying-se até que eles se parecem twin Michelin Homens. Em seguida, eles saem, trocando o calor e as conveniências modernas de uma estação de ciência (foosball, fitness center, cafeteria de 24 horas) por uma paisagem menos-100 graus Fahrenheit sem feitos, mais plana do que o Kansas e um dos lugares mais frios do planeta. Eles marchar na escuridão quase um quilômetro, em um planalto da neve e do gelo, até que eles discernir, contra o pano de fundo de estrelas mais do que qualquer mão-no-bolso quintal observador já viu, a silhueta do gigante disco do Telescópio do Pólo Sul, onde juntam-se a um esforço global para resolver, possivelmente, o maior enigma do universo: do que a maior parte é feita.durante milhares de anos, a nossa espécie estudou o céu nocturno e perguntou-se se havia mais alguma coisa. No ano passado, celebrámos o 400º aniversário da resposta do Galileo: Sim. Galileu treinou um novo instrumento, o telescópio, nos céus e viu objetos que nenhuma outra pessoa já tinha visto: centenas de estrelas, montanhas na Lua, satélites de Júpiter. Desde então, encontramos mais de 400 planetas em torno de outras estrelas, 100 bilhões de estrelas em nossa galáxia, centenas de bilhões de galáxias além da nossa, até mesmo a fraca radiação que é o eco do Big Bang.os cientistas pensam que até este extravagante censo do universo pode estar tão desactualizado como o cosmos de cinco planetas que Galileu herdou dos antigos. Os astrônomos compilaram evidências de que o que sempre pensamos como o universo real—eu, você, esta revista, planetas, estrelas, galáxias, toda a matéria no Espaço—representa apenas 4% do que está realmente lá fora. O resto eles chamam, por falta de uma palavra melhor, escuro: 23 por cento é algo que eles chamam de matéria escura, e 73 por cento é algo ainda mais misterioso, que eles chamam de energia escura.”temos um inventário completo do universo”, disse Sean Carroll, um cosmólogo do Instituto de Tecnologia da Califórnia, ” e não faz sentido.”
cientistas têm algumas ideias sobre o que a matéria escura pode ser—partículas exóticas e ainda hipotéticas—mas eles dificilmente têm uma pista sobre a energia escura. Em 2003, o Conselho Nacional de pesquisa listou ” Qual é a natureza da energia escura?”como um dos problemas científicos mais prementes das próximas décadas. O chefe do comitê que escreveu o relatório, o cosmólogo da Universidade de Chicago Michael S. Turner, vai mais longe e classifica a energia escura como “o mistério mais profundo em toda a ciência.”
The effort to solve it has mobilized a generation of astronomers in a rethinking of physics and cosmology to rival and perhaps surpass the revolution Galileo inaugurated on an autumn evening in Pádua. Eles estão chegando a um acordo com uma profunda Ironia: foi a própria visão que nos cegou para quase todo o universo. E o reconhecimento dessa cegueira, por sua vez, nos inspirou a perguntar, como se pela primeira vez: o que é este cosmos a que chamamos lar?os cientistas chegaram a um consenso na década de 1970 que havia mais no universo do que parece. Em simulações computacionais de nossa galáxia, a Via Láctea, os teóricos descobriram que o centro não se sustentaria—com base no que podemos ver dela, nossa galáxia não tem massa suficiente para manter tudo no lugar. À medida que gira, deve desintegrar-se, derramando estrelas e gás em todas as direcções. Ou uma galáxia espiral como a Via Láctea viola as leis da gravidade, ou a luz que emana dela—das vastas nuvens brilhantes de gás e das miríades estrelas—é uma indicação imprecisa da massa da galáxia.mas e se uma parte da massa de uma galáxia não irradiasse luz? Se as galáxias espirais continham massa misteriosa suficiente, então elas poderiam estar obedecendo às leis da gravidade. Os astrónomos apelidaram a massa invisível de “matéria negra”.”
“ninguém nos disse que toda a matéria irradiava,” Vera Rubin, um astrônomo cujas observações de rotações galácticas forneceram evidências para a matéria escura, disse. “Presumimos que sim.”
o esforço para compreender a matéria escura definiu grande parte da astronomia para as próximas duas décadas. Os astrónomos podem não saber o que é a matéria negra, mas inferir a sua presença permitiu-lhes perseguir de uma nova forma uma pergunta eterna.: Qual é o destino do universo?eles já sabiam que o universo está se expandindo. Em 1929, o astrônomo Edwin Hubble descobriu que galáxias distantes estavam se afastando de nós e que quanto mais longe estavam, mais rápido pareciam estar recuando.esta foi uma ideia radical. Em vez da vida imóvel imponente e eternamente imutável que o universo parecia ser, na verdade estava vivo no tempo, como um filme. Rebobine o filme da expansão e o universo acabaria por atingir um estado de densidade infinita e energia—o que os astrónomos chamam de Big Bang. Mas e se avançares rapidamente? Como terminaria a história?o universo está cheio de matéria, e a matéria atrai outra matéria através da gravidade. Os astrônomos argumentaram que a atração mútua entre toda essa matéria deve estar atrasando a expansão do universo. Mas eles não sabiam qual seria o resultado final. O efeito gravitacional seria tão forte que o universo acabaria por esticar uma certa distância, parar e inverter-se, como uma bola lançada no ar? Ou seria tão pequeno que o universo escaparia ao seu alcance e nunca pararia de se expandir, como um foguetão a deixar a atmosfera da Terra? Ou será que vivemos num universo requintadamente equilibrado, no qual a gravidade garante uma taxa de expansão de cachos dourados, nem muito rápida nem muito lenta—de modo que o universo acabaria por chegar a uma paralisação virtual?
Supondo a existência de matéria escura e que a lei da gravitação é universal, duas equipes de astrofísicos—uma liderada por Saulo de Anticorpos, no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, o outro por Brian Schmidt, na Universidade Nacional da Austrália—definidos para determinar o futuro do universo. Ao longo da década de 1990, as equipes rivais analisaram de perto uma série de estrelas explodindo, ou supernovas, usando aqueles objetos distantes invulgarmente brilhantes e de curta duração para medir o crescimento do universo. Eles sabiam o quão brilhantes as supernovas deveriam aparecer em diferentes pontos do universo se a taxa de expansão fosse uniforme. Comparando o quanto mais brilhantes as supernovas realmente apareceram, os astrônomos imaginaram que poderiam determinar o quanto a expansão do universo estava diminuindo. Mas para surpresa dos astrónomos, quando olharam para metade do universo, a seis ou sete mil milhões de anos-luz de distância, descobriram que as supernovas não eram mais brilhantes—e portanto mais próximas—do que o esperado. Eram mais escuras, ou seja, mais distantes. As duas equipas concluíram que a expansão do universo não está a abrandar. Está a acelerar.a implicação dessa descoberta foi importante: significava que a força dominante na evolução do universo não é a gravidade. É…outra coisa. Ambas as equipes anunciaram suas descobertas em 1998. Turner deu ao” algo ” um apelido: energia escura. Ficou preso. Desde então, os astrônomos têm perseguido o mistério da energia escura até os confins da Terra—literalmente.
“O Pólo Sul tem mais adversas do ambiente na Terra, mas também o mais benigno”, diz William Holzapfel, uma Universidade da Califórnia, em Berkeley, astrofísico que estava no local, o pesquisador principal do Telescópio do Pólo Sul (SPT) quando eu o visitei.
Ele não estava se referindo ao tempo, que, na semana entre o Natal e o Dia de Ano Novo—início do verão no Hemisfério Sul—o Sol brilhava todo o dia, as temperaturas foram mal em menos de um dígito (e um dia, mesmo quebrou zero), e o vento estava calmo na maior parte. Holzapfel fez a caminhada da estação Polo Sul Amundsen-Scott da Fundação Nacional da ciência (a uma bola de neve do local tradicional do Polo em si, que é marcado com, sim, um polo) para o telescópio vestindo jeans e sapatos de corrida. Uma tarde, o edifício do laboratório do telescópio aqueceu tanto que a tripulação abriu uma porta.
mas de um ponto de vista astrónomo, não até o sol se pôr e ficar em baixo—Março até setembro— o Pólo Sul fica “benigno”.”são seis meses de dados ininterruptos”, diz Holzapfel. Durante as 24 horas de escuridão do outono e inverno Austrais, o telescópio opera sem parar sob condições impecáveis para a astronomia. A atmosfera é fina (O Polo está mais de 9.300 pés acima do nível do mar, 9.000 dos quais são Gelo). A atmosfera também é estável, devido à ausência dos efeitos de aquecimento e resfriamento de um sol nascente e poente; o polo tem alguns dos ventos mais calmos da terra, e quase sempre sopram da mesma direção.talvez o mais importante para o telescópio, o ar é excepcionalmente seco; tecnicamente, a Antártida é um deserto. A restrição a dois chuveiros por semana para conservar água não é um grande problema. Como um veterano polaco me disse, ” no momento em que você voltar através da alfândega em Christchurch , é quando você vai precisar de um banho.”) The SPT detects microwaves, a part of the electromagnetic spectrum that is particularly sensitive to water vapor. O ar úmido Pode absorver microondas e impedi-los de alcançar o Telescópio, e a umidade emite sua própria radiação, que pode ser mal interpretado como sinais cósmicos.
para minimizar estes problemas, astrônomos que analisam microondas e ondas submilimétricas fizeram do Polo Sul uma segunda casa. Seus instrumentos residem no setor escuro, um conjunto apertado de edifícios onde a luz e outras fontes de radiação eletromagnética são mantidos ao mínimo. (Nas proximidades estão o setor tranquilo, para pesquisa sísmica, e o setor de ar limpo, para projetos climáticos.)
astrônomos gostam de dizer que para condições de observação mais intactas, eles teriam que ir para o espaço exterior—uma proposição exponencialmente mais cara, e uma que a NASA geralmente não gosta de perseguir a menos que a ciência não pode ser facilmente feita na Terra. (A dark energy satellite has been on and off the drawing board since 1999, and last year went “back to square one”, according to one NASA Advisor.) Pelo menos na terra, se algo correr mal com um instrumento, Você não precisa requisitar um ônibus espacial para consertá-lo.os Estados Unidos têm mantido uma presença durante todo o ano no polo desde 1956, e agora o programa Antártico dos EUA da Fundação Nacional da ciência tem levado a vida até, bem, uma ciência. Até 2008, a estação foi alojada em uma cúpula geodésica cuja coroa ainda é visível acima da neve. A nova estação base assemelha-se a um pequeno navio de cruzeiro mais do que um posto avançado remoto e dorme mais de 150, todos em alojamentos privados. Através dos portholes que alinham os dois andares, você pode contemplar um horizonte tão hipnoticamente nivelado como qualquer Oceano. A nova estação repousa em elevadores que, à medida que a neve se acumula, permitem que ela seja acumulada em duas histórias completas.
A queda de neve nesta região ultra-árida pode ser mínima, mas o que sopra das bordas do continente ainda pode fazer uma bagunça, criando uma das tarefas mais mundanas para a tripulação do SPT durante o inverno. Uma vez por semana, durante os meses escuros, quando a população da estação encolhe para cerca de 50, os dois pesquisadores de TSC no local têm que subir na placa de microondas de 33 pés de largura do Telescópio e varrê-lo para fora. O telescópio recolhe dados e envia-os para os ecrãs de pesquisadores distantes. Os dois “Invernos” passam seus dias trabalhando nos dados, também, analisando-os como se estivessem em casa. Mas quando o telescópio atinge uma falha e um alarme em seus laptops soa, eles têm que descobrir qual é o problema—rápido.
“uma hora de baixa é milhares de dólares de tempo de observação perdido”, diz Keith Vanderlinde, um dos dois invernos de 2008. “Há sempre pequenas coisas. Uma ventoinha parte-se porque está tão seca lá em baixo, que toda a lubrificação desaparece. E depois o computador vai sobreaquecer e desligar – se, e de repente estamos em baixo e não fazemos ideia porquê.”Nesse ponto, o ambiente pode não parecer tão “benigno” afinal. Nenhum vôo vai de ou para o polo sul de Março a outubro( óleo de motor de um avião iria gelatinizar), então se os overs de inverno não pode consertar o que está quebrado, ele permanece quebrado-o que ainda não aconteceu.
Mais do que a maioria das ciências, a astronomia depende do senso de visão; antes que os astrônomos possam reimaginar o universo como um todo, eles primeiro têm que descobrir como perceber as partes escuras. Saber o que é a matéria negra ajudaria os cientistas a pensar sobre como a estrutura do universo se forma. Saber o que a energia escura faz ajudaria os cientistas a pensar sobre como essa estrutura evoluiu ao longo do tempo—e como ela continuará a evoluir.os cientistas têm um par de candidatos para a composição de partículas hipotéticas de matéria escura chamadas neutralinos e axiões. Para a energia escura, no entanto, o desafio é descobrir não o que é, mas como é. Em particular, os astrônomos querem saber se a energia escura muda sobre o espaço e o tempo, ou se é constante. Uma maneira de estudá-lo é medir as chamadas oscilações acústicas de bárions. Quando o universo ainda estava em sua infância, com apenas 379.000 anos de idade, ele resfriou o suficiente para que os bárions (partículas feitas de prótons e nêutrons) se separassem dos fótons (pacotes de luz). Esta separação deixou para trás uma marca—chamada de fundo cósmico de microondas-que ainda pode ser detectada hoje. Inclui ondas sonoras (“oscilações acústicas”) que percorrem o universo infantil. Os picos dessas oscilações representam regiões que eram ligeiramente mais densas do que o resto do universo. E como a matéria atrai a matéria através da gravidade, essas regiões tornaram-se ainda mais densas à medida que o universo envelhecia, unindo-se primeiro em galáxias e depois em aglomerados de galáxias. Se os astrônomos compararem as oscilações de fundo cósmicas cósmicas originais com a distribuição de galáxias em diferentes estágios da história do universo, eles podem medir a taxa de expansão do universo.outra abordagem para definir a energia escura envolve um método chamado lensing gravitacional. De acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, um feixe de luz que viaja pelo espaço parece curvar-se por causa da força gravitacional da matéria. (Na verdade, é o próprio espaço que se dobra, e a luz apenas vai junto para o passeio.) Se dois aglomerados de galáxias estiverem ao longo de uma única linha de visão, o aglomerado de primeiro plano irá atuar como uma lente que distorce a luz vinda do aglomerado de fundo. Esta distorção pode dizer aos astrônomos a massa do aglomerado principal. Por amostragem milhões de galáxias em diferentes partes do universo, os astrônomos devem ser capazes de estimar a taxa na qual as galáxias têm aglutinados em grupos ao longo do tempo, e que a taxa irá dizer-lhes o quão rápido o universo expandiu-se em diferentes pontos de sua história.
O Telescópio Do Polo Sul usa uma terceira técnica, chamada efeito Sunyaev-Zel’dovich, nomeada em homenagem a dois físicos soviéticos, que se baseia no fundo cósmico de microondas. Se um fóton deste último interage com gás quente em um aglomerado, ele experimenta um ligeiro aumento de energia. A detecção desta energia permite aos astrônomos mapear esses aglomerados e medir a influência da energia escura em seu crescimento ao longo da história do universo. Isso, pelo menos, é a esperança. “Muitas pessoas na comunidade desenvolveram o que eu acho ser um ceticismo saudável. Eles dizem:” isso é ótimo, mas nos mostre o dinheiro”, diz Holzapfel. “E acho que dentro de um ano ou dois, estaremos em posição de fazer isso.”
A equipe SPT se concentra em aglomerados de galáxias porque eles são as maiores estruturas do universo, muitas vezes consistindo de centenas de galáxias—eles são um milhão de bilhões de vezes a massa do sol. À medida que a energia escura empurra o universo para se expandir, os aglomerados de galáxias terão um tempo mais difícil de crescer. Ficarão mais distantes um do outro, e o universo ficará mais frio e solitário.
aglomerados de galáxias “são como canários em uma mina de carvão em termos de formação de estrutura”, diz Holzapfel. Se a densidade da matéria escura ou as propriedades da energia escura mudassem, a abundância de aglomerados “seria a primeira coisa a ser alterada.”O telescópio do Polo Sul deve ser capaz de rastrear aglomerados de galáxias ao longo do tempo. “Você pode dizer,’ em tantos bilhões de anos atrás, quantos grupos estavam lá,e quantos existem agora?'”diz Holzapfel. “E depois compará-los com as tuas previsões.”
no entanto, todos estes métodos vêm com uma advertência. Eles assumem que nós entendemos suficientemente a gravidade, que não é apenas a força que se opõe à energia escura, mas tem sido a própria base da física nos últimos quatro séculos.vinte vezes por segundo, um laser alto nas montanhas de Sacramento do Novo México visa um pulso de luz na Lua, a 239.000 milhas de distância. O alvo do feixe é um dos três reflectores em tamanho de mala que os astronautas da Apollo colocaram na superfície lunar há quatro décadas. Os fotões do feixe saltam do espelho e voltam para o Novo México. Tempo total de viagem de ida e volta: 2,5 segundos, mais ou menos.
que “mais ou menos” faz toda a diferença. Ao cronometrar a jornada de velocidade da luz, pesquisadores do Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) podem medir a distância Terra-Lua momento a momento e mapear a órbita da Lua com precisão requintada. Como na história apócrifa de Galileu soltando bolas da Torre Inclinada de Pisa para testar a universalidade da queda livre, APOLLO trata a Terra e a Lua, como duas bolas caindo no campo gravitacional do Sol. Mario Livio, um astrofísico do Instituto de Ciências do telescópio espacial em Baltimore, chama – lhe “uma experiência Absolutamente incrível”.”Se a órbita da lua exibe mesmo o menor desvio das previsões de Einstein, os cientistas podem ter que repensar suas equações—e talvez até mesmo a existência de matéria escura e energia escura.
“So far, Einstein is holding,” says one of APOLLO’s lead observers, astronomer Russet McMillan, as her five-year project finds the halfway point.mesmo que Einstein não estivesse segurando, os pesquisadores teriam primeiro de eliminar outras possibilidades, como um erro na medida da massa da Terra, Lua ou sol, antes de admitir que a relatividade geral requer um corretivo. Mesmo assim, os astrónomos sabem que tomam a gravidade como garantida por sua própria conta e risco. Eles inferiram a existência de matéria escura devido aos seus efeitos gravitacionais nas galáxias, e a existência de energia escura devido aos seus efeitos anti-gravitacionais na expansão do universo. E se a suposição subjacente a estas duas inferências—que sabemos como a gravidade funciona—estiver errada? Pode uma teoria do universo ainda mais bizarra do que uma posição de matéria escura e energia escura explicar a evidência? Para descobrir, os cientistas estão a testar a gravidade não só através do universo, mas através da tabletop. Até recentemente, os físicos não tinham medido a gravidade a níveis extremamente próximos.surpreendente, não é?”diz Eric Adelberger, o coordenador de várias experiências gravíticas que ocorrem em um laboratório na Universidade de Washington, Seattle. “Mas não seria espantoso se tentássemos fazer isso”, se tentássemos testar a gravidade a distâncias mais curtas do que um milímetro. Testar a gravidade não é simplesmente uma questão de colocar dois objetos próximos um do outro e medir a atração entre eles. Todo o tipo de coisas podem estar a exercer uma influência gravitacional.”há metal aqui”, diz Adelberger, apontando para um instrumento próximo. “Há uma encosta aqui”, a acenar em direcção a um ponto que passa pela parede de betão que circunda o laboratório. “Há um lago ali.”Há também o nível de água subterrânea no solo, que muda sempre que chove. Depois há a rotação da Terra, a posição do sol, a matéria escura no coração da nossa galáxia.
na última década, a equipe de Seattle mediu a atração gravitacional entre dois objetos a distâncias menores e menores, até 56 mícrons (ou 1/500 de uma polegada), apenas para garantir que as equações de Einstein para a gravidade se mantenham verdadeiras nas distâncias mais curtas, também. Até agora, têm.mas até Einstein reconheceu que a sua teoria da relatividade geral não explicava inteiramente o universo. Ele passou os últimos 30 anos de sua vida tentando conciliar sua física do muito grande com a física da muito pequena mecânica quântica. Ele falhou.os teóricos surgiram com todos os tipos de possibilidades numa tentativa de conciliar a relatividade geral com a mecânica quântica: universos paralelos, universos de colisão, universos de bolha, universos com dimensões extras, universos que eternamente se reproduzem, universos que saltam do Big Bang para o Big Crunch para o Big Bang.Adam Riess, um astrônomo que colaborou com Brian Schmidt na descoberta da energia escura, diz que ele olha todos os dias em um site da Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) onde os cientistas postam suas análises para ver quais novas ideias estão lá fora. “A maioria deles são muito esquisitos”, diz ele. “Mas é possível que alguém saia com uma teoria profunda.”
para todos os seus avanços, a astronomia acaba por ter trabalhado sob uma suposição incorreta, se razoável: o que você vê é o que você recebe. Agora os astrônomos têm que se adaptar à idéia de que o universo não é o material de nós—no grande esquema das Coisas, nossa espécie e nosso planeta e nossa galáxia e tudo o que já vimos são, como o físico teórico Lawrence Krauss da Universidade do Estado do Arizona disse, “um pouco de poluição.”
no entanto cosmólogos tendem a não ser desencorajados. “Os problemas realmente difíceis são ótimos”, diz Michael Turner, ” porque sabemos que eles vão precisar de uma ideia nova e louca.”Como Andreas Albrecht, um cosmólogo da Universidade da Califórnia em Davis, disse em uma recente conferência sobre energia escura: “Se você colocar a linha do tempo da história da ciência antes de mim e eu puder escolher qualquer hora e campo, é aqui que eu gostaria de estar.Richard Panek escreveu sobre Einstein para o Smithsonian em 2005. Seu livro sobre matéria escura e energia escura aparecerá em 2011.
