O texto a seguir é uma obra Prof. Oscar Matsuura, pesquisador e professor aposentado do Depto. de Astronomia da USP, sobre o trânsito de Mercúrio.

O PRÓXIMO TRÂNSITO DE MERCÚRIO

Oscar T. Matsuura

Professor Associado aposentado do IAG/USP

Pesquisador Colaborador do MAST/MCTIC

Será no dia 11/11/2019. Uma diminuta mancha escura cruzará quase diametralmente o brilhante disco solar. Quase diametralmente porque Mercúrio passará a apenas 1,3’ do centro do disco solar. O diâmetro da mancha escura será de apenas 0,17’, enquanto o do disco solar será de 32,2’. A trajetória será de SE para NO, desviando-se da direção L-O cerca de 17º. 

O trânsito começa quando Mercúrio ingressa no disco solar. Nesse instante, tecnicamente chamado I Contato, o bordo do pequenino disco de Mercúrio toca o bordo externo do disco solar. Cerca de 1,5 minuto depois, o bordo de Mercúrio tocará o bordo interno do disco solar (II Contato). A travessia de Mercúrio por todo o disco solar durará cerca de 5,5 horas. Então, no III Contato o bordo de Mercúrio tocará o bordo interno do disco solar e, cerca de 1,5 minuto depois, no IV Contato, o bordo de Mercúrio tocará o bordo externo do disco solar encerrando o trânsito. 

Em relação a esse trânsito, nós brasileiros de todos os cantos do país podemos nos considerar privilegiados! É que o trânsito ocorrerá quando estaremos na parte do globo voltada para o Sol, assim poderemos observar o trânsito. Além disso, segundo os cálculos, o auge do trânsito (quando Mercúrio passará mais perto do centro do disco solar) ocorrerá às 12h 19m 48s no fuso de Brasília, horário esse bem próximo do meio-dia local, quando o Sol em seu movimento diurno encontra-se mais alto no céu. Isso significa também que o início (I Contato) e o fim do trânsito (IV Contato) ocorrerão com o Sol bem elevado em relação aos horizontes L e O, respectivamente, oferecendo as mais favoráveis condições de observação de todo o trânsito, excluindo-se obviamente os fatores meteorológicos.

As condições são privilegiadas também em termos de latitude, pois favorecem o Hemisfério Sul. Assim, em torno do Brasil toda a América do Sul compartilhará também dessas condições. Já, mais a O (p. ex., parte ocidental dos Estados Unidos) se poderá observar só a parte final do trânsito e, mais a L (África, p. ex.), só a parte inicial.

Num texto como este, é meu dever chamar a atenção do leitor para que todo o cuidado seja tomado com os olhos, nunca se olhando diretamente para o Sol (muito menos com algum instrumento), mesmo que brevemente. As lesões que isso pode causar na retina podem ser irreversíveis e causar até cegueira. Adultos devem estar atentos com as crianças sob sua responsabilidade. Sem a assistência direta de um astrônomo experiente, o mais seguro é observar o trânsito projetado num anteparo ou imagens de vídeo transmitidas. 

Como ocorre um trânsito?

Estamos o tempo todo num ponto da superfície da Terra, mas o tempo todo a Terra, ao mesmo tempo que gira, orbita ao redor do Sol. Assim, só dois planetas podem se intrometer na nossa linha de visada ao Sol (reta que une a Terra ao Sol): são os planetas interiores do Sistema Solar, Mercúrio e Vênus. Planetas interiores são aqueles cujas órbitas são internas à órbita da Terra. Portanto, assim como há trânsitos de Mercúrio, também há os de Vênus. Mas isso só faz sentido se esses dois planetas orbitam ao redor do Sol, se não exatamente, ao menos aproximadamente no mesmo plano da órbita da Terra. Discutamos melhor isso. 

Segundo a 1ª Lei de Kepler (ver adiante), as órbitas planetárias são curvas fechadas e planas: elipses. Portanto a órbita de cada planeta (com o centro do Sol) pode se acomodar inteiramente num plano. Particularmente a órbita que a Terra percorre ao redor do Sol define um plano no espaço chamado plano da eclíptica. 

Para a Terra dar uma volta completa ao redor do Sol, não basta 1 ano trópico (o ano do nosso calendário), mas são necessários uns 20 minutos a mais. Esse ano chama-se ano sideral. A trajetória anual que o Sol descreve na esfera celeste em relação às constelações de fundo, “dá visibilidade” à intersecção do plano da eclíptica acima mencionado, com a esfera celeste e é chamada eclíptica. Fica fácil entender isso se considerarmos que a eclíptica é “traçada” na esfera celeste pelo Sol, que se encontra na extremidade distante da linha de visada. A extremidade próxima encontra-se no centro da Terra, que orbita ao redor do Sol. Essa trajetória anual é adjetivada “aparente” pelos astrônomos porque, na verdade, não se trata de um movimento real do Sol, mas de um efeito resultante do movimento orbital da Terra ao redor do Sol. 

A órbita da Terra, como acabamos de ver, jaz exatamente no plano da eclíptica. As órbitas dos demais planetas também constituem planos, mas eles não jazem exatamente no plano da eclíptica, senão aproximadamente. Isso tem uma explicação física. O Sol não se formou isoladamente há 4,6 bilhões de anos, mas concomitantemente com todo o Sistema Solar. Isso resultou do colapso gravitacional de uma nuvem de gás e poeira que deu origem à Nebulosa Solar Primitiva. Como essa Nebulosa tinha uma rotação original, à medida que ela se contraía gravitacionalmente, sua rotação se acelerava. Exemplo clássico dessa Lei de Conservação do Momento Angular é a dançarina que rodopia mais depressa quando encolhe os braços. Na parte central da Nebulosa, o Sol acumulava a maior parte da massa, enquanto um bojo equatorial e, mais tarde, um disco equatorial também se formou. Foi nesse disco que os planetas e também os seus satélites se formaram e nele permanecem até hoje, mesmo passados bilhões de anos. Forças e eventos desagregadores têm ocorrido, mas eles causaram apenas perturbações, sem desfigurar a estabilidade geral.

Os planos orbitais de Mercúrio e de Vênus fazem, respectivamente, um ângulo de 7º e de 3,4º em relação ao plano da eclíptica (o desvio de 7º de Mercúrio é o maior de todos os planetas). Ora, aprendemos em Geometria que a intersecção ou o cruzamento entre dois planos determina uma reta. Entre planos orbitais essa reta é chamada linha dos nodos. Assim, enquanto a Terra orbita ao redor do Sol, duas vezes por ano ela cruza a linha dos nodos de Mercúrio, ou de Vênus, em dois pontos da órbita diametralmente opostos. Nesses cruzamentos é certo que o Sol estará na linha de visada, mas não Mercúrio ou Vênus. Para que Mercúrio ou Vênus também esteja, e assim ocorra um trânsito, uma segunda condição é necessária: Mercúrio ou Vênus deve estar numa configuração chamada conjunção inferior. 

Que é conjunção inferior? Imaginemos que o plano do papel seja o plano das órbitas planetárias. Imaginemos o Sol e duas órbitas concêntricas a ele, a menor sendo de um planeta interior (Mercúrio ou Vênus) e a maior, da Terra. Para simplificar, fixemos a Terra num ponto qualquer de sua órbita. Tracemos uma reta unindo a Terra ao Sol. A reta interceptará a órbita do planeta interior em dois pontos, um mais próximo da Terra e aquém do Sol, outro mais distante da Terra e além do Sol. Neste último ponto o planeta estará em conjunção superior, enquanto que no anterior ele estará em conjunção inferior. 

A Terra cruza a linha dos nodos de Mercúrio ou Vênus duas vezes por ano e o intervalo de tempo é praticamente um semestre. Nos próximos cem anos os trânsitos de Mercúrio ocorrerão entre 7 e 12 de maio ou entre 7 e 15 de novembro. Essas são as duas épocas do ano em que a Terra cruza a linha dos nodos de Mercúrio. A margem de tolerância de vários dias reflete o fato de que o alinhamento entre a Terra, Mercúrio e o Sol não precisa ser exato. Desvios dentro de um limite não impedem que o trânsito seja observado porque os astros envolvidos não são pontos, mas discos com extensão finita. 

Mas conjunções inferiores de Mercúrio ocorrem 3 ou 4 vezes por ano. Mesmo assim os trânsitos de Mercúrio ocorrem apenas 13 ou 14 vezes por século! Os trânsitos de novembro se repetem em intervalos de 7, 13 ou 33 anos, enquanto que os de maio só em intervalos de 13 ou 33 anos. A probabilidade de um trânsito de maio é menor que a de novembro porque, em maio, Mercúrio se encontra numa parte da órbita em que sua velocidade orbital é menor, o que diminui a chance de o planeta cruzar o trecho orbital em que o trânsito pode ocorrer. A variação da velocidade orbital de Mercúrio é pronunciada, consequência da 2ª Lei de Kepler, pois esse planeta tem a mais excêntrica das órbitas. O último trânsito de novembro foi em 8 de novembro de 2006, há 13 anos, e o próximo será em 13 de novembro de 2032 daqui 13 anos. O último de maio foi no dia 9 de maio de 2016 e o próximo no dia 7 de maio de 2049, daqui 33 anos. 

Os trânsitos de Vênus são ainda mais raros porque o seu período orbital é maior. Na média ocorrem apenas 2 por século. Eles ocorrem aos pares, com separação de 8 anos, mas os pares estão separados alternadamente por 122 e 125 anos. O próximo trânsito de Vênus ocorrerá somente em 11 de dezembro de 2117.

Arquitetura do Sistema Solar

O famoso astrônomo Johannes Kepler (1571-1630) nasceu numa cidadezinha perto de Stuttgart. Piedoso de índole (estudando Astronomia achava que cumpria o dever de entender e enaltecer as obras do Criador), ingressou na Universidade de Tubinga, reduto da ortodoxia luterana, pretendendo tornar-se pastor. Convencido de que o plano divino do Universo era matemático, empenhou-se no estudo da Matemática para ter a chave da Mente Divina. Em Tubinga Kepler teve a sorte de ter Michael Mästlin (1550-1631) como seu mestre de Astronomia. O ensino tradicional do Sistema Geocêntrico, compatível com a Filosofia de Aristóteles, fazia parte da Astronomia ortodoxa. Mas Mästlin percebeu o talento e interesse de Kepler e ensinou a ele o Sistema Heliocêntrico de Copérnico, um avanço recente publicado em 1543. Apesar de ter sido considerada herética pelo próprio Lutero, pois conflitava com passagens bíblicas, Kepler no seu íntimo logo aderiu a essa teoria por achar que ela correspondia à realidade física. Isso, somado a outras posições tomadas por ele em boa fé, mas que conflitavam com a ortodoxia luterana, levaram seus mestres a aconselharem que desistisse da carreira de pastor e se tornasse  professor de Matemática em Graz, atual Áustria. Mas, com o tempo, a intolerância contra ele só aumentou, embora mantivesse sua piedade. Em 1612 acabou sendo excomungado!

Na Astronomia, a questão colocada por ele dizia respeito ao tamanho das órbitas dos planetas. Na época eram 6 os planetas conhecidos (Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter e Saturno). Kepler associou Saturno à esfera mais externa e os demais planetas a 5 sólidos regulares de Euclides. Na esfera de Saturno ele inscreveu um cubo, mas no interior desse cubo estava inscrito uma segunda esfera (órbita de Júpiter) e assim sucessivamente para os demais sólidos. Kepler conseguiu concordância razoável com os tamanhos relativos das órbitas deduzidos por Copérnico. Esse estudo foi desenvolvido enquanto Kepler lecionava em Graz e os resultados foram publicados em Mysterium Cosmographicum (O Segredo do Cosmo) em 1596. Nessa obra Kepler advogou o heliocentrismo, apontando que essa teoria tinha um poder explanatório maior que o geocentrismo.

Ilustração original das órbitas planetárias de Mysterium Cosmographicum (1596). Fonte: https://videnskab.dk/miljo-naturvidenskab/store-opdagelser-johannes-keplers-planetlove

Kepler enviou um exemplar de Mysterium Cosmographicum para Tycho Brahe (1546-1601), o astrônomo dinamarquês de origem nobre que, com generoso patrocínio do rei Frederico II, construiu o famoso observatório Uraniborg, o equipou com os instrumentos astronômicos mais precisos da época, realizou a observação do Cometa de 1577 derrubando a concepção aristotélica de que os cometas eram corpos da atmosfera terrestre, fez observações sistemáticas e precisas de Marte por cerca de 20 anos, cuja importância mostrarei adiante. Antes, Brahe tinha observado a Supernova de 1572 na constelação de Cassiopeia, que derrubou outra concepção aristotélica equivocada, a de que o céu era imutável. Mas quando Kepler enviou o livro, Brahe já tinha perdido o patrocínio de Frederico II, que falecera, e trabalhava em Praga, a convite do Sacro Imperador Romano, Rodolfo II. Brahe havia escrito para Mästlin à procura de um assistente matemático, e Kepler foi indicado.

Por causa da recatolização imposta autoritariamente na Áustria, Kepler que continuava sendo luterano convicto, seguiu em 1600 para Praga no intuito de lá trabalhar com Brahe. Mas este não era de trato fácil e esse encontro não resultou produtivo. Kepler voltou para Graz, mas aí a Contra-Reforma passou a exigir que Kepler se convertesse ao catolicismo. Ele, então, decidiu mudar-se para Praga. Ocorrendo a morte de Brahe em 1601, Rodolfo II o convidou para ser seu matemático e astrólogo. Contornando obstáculos impostos pelos herdeiros de Brahe, Kepler conseguiu ter o desejado acesso às observações sistemáticas de Marte feitas sob a supervisão de Brahe em Uraniborg. 

Lei de Kepler e primeiros trânsitos observados

Analisando essas observações, fazendo pacientemente cálculos tediosos por vários anos (não havia computadores), Kepler chegou a uma conclusão revolucionária. Derrubou o velho mito de que as órbitas dos astros tinham que ser circulares porque tinham que ter a forma geométrica perfeita. O desajuste da órbita observada de Marte ao círculo era da ordem de 8’, mas Kepler tinha a certeza de que os erros observacionais de Brahe eram bem menores (cerca de 3’). Assim, confiante, ele enunciou em 1605 sua 1ª Lei, de que a órbita dos planetas eram elipses. 

O modelo heliocêntrico previa a ocorrência de trânsitos com menos ambiguidade que o modelo geocêntrico. Em 1607, em meio a seus estudos, Kepler achou que um trânsito de Mercúrio poderia ocorrer no dia 29 de maio. Como não confiava plenamente nos cálculos apressados que tinha feito, começou a fazer observações desde o dia anterior. Improvisou uma câmara escura (em que a luz não é captada por uma lente, mas por um simples orifício) no porão da casa. Chegou a publicar depois que tinha observado Mercúrio em trânsito no disco solar, mas, de fato, como veio a saber depois, tinha observado uma mancha solar. Manchas solares aparecem na superfície do Sol como formações escuras, pois são mais frias que o restante da superfície solar. Hoje sabemos que elas concentram intensos campos magnéticos, sede de ocorrência de explosões solares, fenômenos súbitos e violentos de emissão de radiação e matéria para o meio interplanetário. A previsão do trânsito estava equivocada e, mesmo que estivesse correta, apenas com a câmara escura Kepler não teria podido observar Mercúrio por ser diminuto demais. Algum componente óptico, no mínimo uma lente, seria necessária. Mas não era só Kepler, ninguém então sabia com que tamanho angular Mercúrio apareceria. O tamanho dos planetas era uma questão muito debatida, mas com base apenas em especulações. Para confundir mais a discussão, o conhecimento sobre a atuação da luz na formação das imagens no nosso olho ainda era rudimentar. Também nessa época, em 1609, Galileu introduziu o uso da luneta na observação astronômica e, em 1611, observou as manchas solares pela primeira vez através de uma luneta. Tudo isso mostra o incrível dinamismo dos estudos astronômicos nesses anos. Mesmo sabendo depois do equívoco cometido, Kepler se deu por muito satisfeito por ter sido, sem querer, o primeiro a ter visto uma mancha solar sem o uso da luneta.

Kepler continuou trabalhando em Praga, mas a situação aí piorou. Em 1611 a cidade virou campo de batalha e nela ocorreu um surto de epidemia. Kepler perdeu um dos filhos e a esposa. A tolerância com os protestantes diminuiu na cidade. Em 1612 Kepler decidiu voltar para a Áustria, desta vez para Linz, onde em 1619 publicou, dentre seus novos estudos, sua 3ª Lei, que seria importantíssima, mais tarde, para a utilidade das observações de trânsitos. Nessa etapa da vida, Kepler sofreu estresse adicional para defender sua mãe, acusada de bruxaria. Em 1626 Linz foi sitiada e Kepler seguiu para Ulm na Alemanha, perto de Stuttgart. Aí ele publicou em 1627 as famosas Tabelas Rudolfinas (catálogo estelar e tabelas planetárias), obra dedicada a Rodolfo II, iniciada com Brahe, a quem, no leito de morte, prometeu finalizar. Nessa obra Kepler incluiu a predição do trânsito de Mercúrio de 7 de novembro de 1631, visível na Europa, e o de Vênus um mês depois, em 7 de dezembro de 1631. Este não seria visível da Europa, mas em função das incertezas no cálculo, Kepler recomendou que também se tentasse observar. A observação do trânsito de Mercúrio deveria ser tentada desde o dia 6 até o dia 8. Mas o tamanho com que Mercúrio apareceria ainda permanecia desconhecido. 

Para receber os pagamentos atrasados pela publicação das Tabelas Rudolfinas, Kepler viajou para Regensburg onde adoeceu e acabou morrendo em 15 de novembro de 1630, antes de poder observar os trânsitos que anunciara. Foi sepultado na igreja local que foi destruída na Guerra dos Trinta Anos, portanto nada sobrou de seus restos mortais. 

No dia do trânsito de Mercúrio, 7 de novembro de 1631, houve mau tempo em geral na Europa, mas pelo menos três observadores que utilizaram o telescópio tiveram sucesso. A primazia dessa observação foi atribuída ao padre Pierre Gassendi (1592-1655) que estava em Paris e pôde fazer observações intermitentes, aproveitando pequenos intervalos de céu aberto. Pela primeira vez se mediu o diâmetro angular de Mercúrio: dificilmente excedia 20”, o que surpreendeu Gassendi que esperava um diâmetro dez vezes maior, da ordem de 1/10 do diâmetro do Sol. Podemos perguntar: por que essa expectativa estava tão errada? Tanto heliocentristas quanto geocentristas imaginavam para a órbita de Saturno um tamanho cerca de 10 mil vezes menor do que o real. Isso fazia supor que todos os planetas estivessem mais perto e que, portanto, deveriam aparecer angularmente maiores. Não foi fácil para Gassendi convencer os mais céticos, que aquele pequeno objeto era Mercúrio. Um argumento a favor foi o movimento de Mercúrio no disco solar. As manchas também se movem devido à rotação do Sol, mas a velocidade é incomparavelmente menor que a de Mercúrio. 

Na Europa tentou-se observar o seguinte trânsito de Vênus, de 7 de dezembro de 1631, mas o tempo não ajudou e, quando o céu abria, não foi notada nenhuma mancha escura. Na verdade, na Europa ocidental o trânsito já tinha ocorrido na noite de 6 para 7 e, em Paris, o trânsito já tinha terminado quando o Sol nasceu.

O seguinte trânsito de Vênus em 1639, não foi predito por Kepler porque ele ainda não sabia que esses trânsitos ocorrem aos pares com separação de 8 anos. Melhorando os cálculos de Kepler, o pastor inglês Jeremiah Horrocks (1618-1641) previu o trânsito de 4 de dezembro de 1639 que ele e seu colega da Universidade de Cambridge, William Cabtree (1610-1644) observaram. De sua aldeia ao norte de Liverpool, Horrocks conseguiu observar o início do trânsito, mas logo depois o Sol se pôs. Mesmo assim conseguiu determinar o tamanho angular de Vênus que seria umas 8 vezes maior que o de Mercúrio. Cabtree também observou de sua casa perto de Manchester, mas, sucumbindo à forte emoção, esqueceu-se de fazer qualquer anotação útil. Mas, até aí, ninguém ainda tinha tido a ideia de usar trânsitos para determinar a distância da Terra ao Sol.

Trânsitos e a Unidade Astronômica

A 3ª Lei de Kepler, enunciada em 1609, relaciona matematicamente o período orbital de um planeta com sua distância média ao Sol. Esse é um enunciado de grande utilidade porque o período orbital pode ser medido através de observações feitas da Terra. Conhecendo os períodos orbitais dos planetas do Sistema Solar, essa Lei permite calcular a distância relativa desses planetas ao Sol. Podemos saber quantas vezes um planeta está mais perto do Sol, ou mais longe do que outro. Porém, sabendo a distância absoluta de apenas um planeta, podemos saber a distância absoluta de todos os outros. Como obter uma distância absoluta?

Em princípio, a observação simultânea de um astro feita de duas localidades da superfície da Terra pode fornecer a distância desse astro até a Terra. O método tradicional faz uso do conceito de paralaxe. Esse conceito é simples: apontando o indicador para cima, estique o braço para a frente. Veja esse dedo, alternadamente, só com o olho direito e só com o olho esquerdo. Note que, em relação ao fundo, o dedo se desloca alternadamente para o lado do olho fechado. Neste caso, a linha de base de observação é formada pelos dois olhos, cuja separação é de poucos centímetros. Esse conceito pode ser transportado para distâncias maiores, p. ex., observando de dois lugares separados algumas dezenas de metros (linha de base maior), uma árvore no meio de uma praça. Relativamente à paisagem de fundo, a árvore mudará de direção. Essa mudança aparente da direção de um objeto, quando visto de lugares diferentes, é chamada paralaxe. Esse conceito é usado na Astronomia até mesmo para a determinação da distância de estrelas mais próximas. 

A Lua, por ser o astro permanente mais próximo à Terra, tem uma paralaxe da ordem de 1º. Trata-se de uma paralaxe “enorme” pois, mesmo com equipamentos simples, pode ser facilmente medida. Hiparco de Niceia (190 a.C. – 120 a.C.) a mediu no século 2 a.C. O ângulo de deslocamento aparente da Lua, de cerca de 1º em relação às estrelas de fundo, é o que se obteria se a Lua fosse fotografada simultaneamente de dois pontos da superfície da Terra separados 6.370 km (raio da Terra) numa linha de base transversal à linha de visada. É fácil ver que a distância da Lua à Terra resulta de uma conta simples que soluciona um triângulo plano cujos elementos são conhecidos. 

Poderíamos pensar em utilizar o mesmo método para determinar a distância do Sol. Teríamos que determinar a paralaxe do Sol. Mas essa já não é uma tarefa trivial. A mesma linha de base equivalente ao raio da Terra torna-se muito pequena relativamente à nova distância entre a Terra e o Sol. Com os conhecimentos atuais, sabemos que a paralaxe do Sol, definida como foi para a Lua, seria de apenas 8,8”, ângulo esse muito pequeno para ser medido com boa precisão, mais ainda tratando-se do Sol. Para começo de conversa, a observação não é noturna, mas diurna quando a atmosfera encontra-se mais turbulenta e instável. Além do brilho excessivo do disco solar, a determinação do centro do disco é dificultada pela  agitação caótica da borda. Por isso, ninguém que tentou esse método teve sucesso, e outros métodos tiveram que ser concebidos. 

O inglês Edmond Halley (1656-1742), ligado ao famoso cometa cujo retorno periódico às proximidades do Sol ele foi o primeiro a predizer, numa expedição científica à ilha de Santa Helena, no Atlântico Sul, lá fez importantes observações astronômicas, inclusive do trânsito de Mercúrio de 7 de novembro de 1677. Isso o levou a sugerir em 1691 que a duração total de trânsitos de Vênus, que podem ser melhor observados que os de Mercúrio, e que ocorreriam em 1761 e 1769, fosse medida de diferentes lugares da Terra com precisão de 1 s. Sabendo-se a distância entre as órbitas de Vênus e da Terra, já se tinha uma distância absoluta para a aplicação da 3ª Lei de Kepler. Numa época em que ainda não havia relógios de precisão, medir independentemente a duração total de um trânsito de Vênus em dois lugares diferentes era mais fácil do que determinar o horário dos contatos em lugares diferentes. A bem da verdade, o matemático e astrônomo escocês James Gregory (1638-1675), inventor do telescópio refletor gregoriano, já tinha feito, independentemente, sugestão equivalente em 1663.  

Mas, em 1672, 5 anos antes da observação de Halley do trânsito de Mercúrio em Santa Helena, Giovanni-Domenico Cassini (1625-1712), primeiro diretor do Observatório de Paris, e Jean Picard (1620-1682) em Paris e Jean Richer (1630-1696) em Caiena, Guiana Francesa, usaram uma outra estratégia para determinar a distância absoluta de Marte à Terra numa configuração planetária especial. Eles tiraram vantagem de uma oposição de Marte (planeta exterior). Quando alinhado com a Terra e o Sol, esse planeta pode ficar bem afastado ou bem próximo da Terra. Neste último caso temos uma oposição, o que favorece a medição da paralaxe. Estando nessa configuração, Marte foi observado simultaneamente de Paris e de Caiena. Usando essa paralaxe e a 3ª Lei de Kepler, pela primeira vez a Unidade Astronômica –  distância média do Sol à Terra, isto é, a média aritmética entre as distâncias máxima e mínima entre o Sol e a Terra – teve uma dedução confiável, embora ainda 7% inferior ao valor atual. A calibração absoluta do Sistema Solar é feita com a Unidade Astronômica, cuja abreviação legal estipulada pelo Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) é “ua”. Em números redondos, 1 ua = 150 milhões km. 

Os trânsitos de Vênus de 1761 e 1769 alertados por Halley, foram objeto de uma ampla cooperação internacional, considerada a primeira na História da Astronomia. Os locais para os quais as expedições de diferentes países se deslocaram eram muitas vezes inóspitos, sem nenhuma infraestrutura, implicaram viagens longas e desconfortáveis com doenças, invernos rigorosos e conflitos políticos, inclusive entre os países dos próprios astrônomos expedicionários, como a Guerra dos Sete Anos. A observação do trânsito de Vênus trouxe uma surpresa técnica desagradável, o problema inesperado da gota negra, um efeito óptico quando os bordos de Vênus e do Sol se tocam e parecem se fundir, o que dificulta a determinação precisa dos instantes de contato. Mas, mesmo assim esses trânsitos forneceram valores mais confiáveis da ua, desta vez cerca de 2% acima do valor atual. Os resultados foram melhorados ainda mais com as novas medições nos trânsitos de 1874 e 1882. Para este último, o Imperial Observatório do Rio de Janeiro, atual Observatório Nacional enviou expedições para três localidades distintas: Olinda, PE, Punta Arenas na Patagônia chilena e Ilha São Tomás nas Antilhas. 

Posteriormente as medições se tornaram ainda mais precisas com o uso da fotografia e com a observação de asteroides que se aproximam da Terra e, mais recentemente, com o uso de radares e de sinais de rádio. A União Astronômica Internacional adotou 1 ua = 149.597.870,700 km. Notar o último algarismo significativo! De fato, a incerteza atual é da ordem de apenas alguns metros! 

Comentários finais

A precisão da ua é importante não só para o conhecimento correto de distâncias no âmbito do Sistema Solar, como também para o conhecimento de distâncias estelares, pelo menos das mais próximas, cujas distâncias são determinadas pelo método da paralaxe tendo por linha de base o diâmetro da órbita da Terra (2 ua). A mesma estrela é observada uma vez e, novamente, seis meses depois quando a Terra se encontra no ponto diametralmente oposto da órbita. Esse método deixa de ser aplicável para estrelas e galáxias mais distantes. Então, novos métodos tornam-se necessários, mas mesmo esses dependem das distâncias mais próximas determinadas com a paralaxe. É nesse sentido que se diz que usamos uma “escada cósmica” para galgar, desde os astros mais próximos até os astros mais distantes do Universo. 

Até o final do século passado só se observava trânsitos de planetas do Sistema Solar. Hoje, com telescópios mais sofisticados e poderosos, são observados trânsitos de planetas na frente de outras estrelas, o que constitui, pelo menos neste momento, o método de observação mais produtivo para a descoberta de novos exoplanetas.

Diagrama do Trânsito de Mercúrio

diagrama elaborado pelo Irineu Gomes Varella que  ilustrar o texto.

O texto a seguir é uma obra Prof. Oscar Matsuura, pesquisador e professor aposentado do Depto. de Astronomia da USP, sobre matéria escuro.

MATÉRIA ESCURA, DE MAIS OU DE MENOS

Oscar T. Matsuura

Professor Associado aposentado do IAG/USP

Pesquisador Colaborador do MAST/MCTIC

Introdução

Um estudo veiculado em março passado confirmava um resultado anunciado antes, defendendo a existência de uma galáxia sem matéria escura. O anúncio soava esdrúxulo porque, de acordo com o conhecimento vigente, todas as galáxias devem conter matéria escura. Logo, tal tipo de galáxia nem devia existir!

Na verdade, este assunto continua controverso. Mas, então, posso ser criticado por estar apresentando uma questão em aberto, que não constitui ainda um conhecimento astronômico consolidado. Porém, faço isso intencionalmente porque é importante que o público seja informado, não só sobre conhecimentos consolidados, mas também sobre os bastidores da construção do conhecimento científico, onde ficam perceptíveis os fatores humanos e sociológicos que interferem na ciência. Embora pretendamos que a ciência seja 100% objetiva, racional e universal, devemos saber que, sendo uma elaboração humana, isso será sempre um sonho impossível.

Matéria escura

Um primeiro esclarecimento se faz necessário. O que é matéria escura? Francamente, nenhum astrônomo sabe no quê ela consiste. Apenas se afirma que é um componente do Universo categorizável como matéria. Portanto, não se trata de energia. O adjetivo “escura” denota que é algo que não se mostra aos nossos sentidos, nem mesmo através dos instrumentos astronômicos. A matéria escura é invisível, não deixa ser iluminada, nem reflete a luz. Radicalmente, não interage com radiação eletromagnética de nenhum comprimento de onda. Talvez pudéssemos chamá-la “matéria transparente”, mas também não seria um nome satisfatório.

Com que fundamento, então, os astrônomos falam da matéria escura? Não seria pura invenção? Não! Os astrônomos podem argumentar com evidências observacionais que esse estranho tipo de matéria realmente existe. Vamos lá! Galáxias são basicamente imensas aglomerações de estrelas. O exemplo mais próximo é a Via Láctea ou a Galáxia (com G maiúsculo) que habitamos. Para ser exato é preciso dizer que, além das estrelas, as galáxias abrigam também nuvens de gás e poeira, campos magnéticos e raios cósmicos. Por enquanto listo apenas as entidades diretamente detectáveis.

Entretanto, estudos feitos em galáxias (inclusive na nossa) revelaram que suas estrelas orbitam velozmente demais, o que segundo a Teoria da Gravitação de Newton não pode ser explicado pela atração de toda a massa visível. Faltava massa!

Galáxias, por sua vez, geralmente estão acompanhadas de outras galáxias e formam aglomerados nos quais as galáxias estão gravitacionalmente ligadas entre si. A observação das galáxias em aglomerados de galáxias também revelou que seu movimento, com base na Teoria Newton era veloz demais tendo em conta a matéria visível. De novo, faltava massa!

Diante desses fatos os astrônomos se viram compelidos a postular a existência de um agente invisível, mas que exerce atração gravitacional nas estrelas, no caso das galáxias, e nas galáxias, no caso dos aglomerados de galáxias. Esse agente foi denominado “matéria escura”, que deveria estar presente no halo das galáxias (halo é a coroa ou auréola difusa de luz) e na parte central dos aglomerados de galáxias. A matéria escura, como disse, não interage com a radiação eletromagnética, mas deve interagir gravitacionalmente com a matéria ordinária, que é a matéria constituída de prótons, nêutrons e elétrons que compõe nossos corpos, os planetas, as estrelas etc.

Na ciência, tanto quanto possível as afirmações não são feitas com base num único argumento, mas, num conjunto de argumentos independentes. É fácil entender que uma afirmação que se sustenta no contexto de uma rede de formulações teóricas, em confronto com uma rede de evidências experimentais e observacionais, ganha uma credibilidade amplificada. Seguindo esta diretriz metodológica, a postulação da matéria escura foi checada observacionalmente em diferentes contextos, tais como lentes gravitacionais, Radiação Cósmica de Fundo (RCF) em micro-ondas, colisões de galáxias etc. Senão vejamos.

As lentes gravitacionais resultam do encurvamento da trajetória da luz pela presença de massa (matéria). Esse encurvamento é um efeito previsto pela Teoria da Relatividade Geral, de Einstein. Sua comprovação foi objetivada no eclipse solar de Sobral, CE, em 29 de maio de 1919. A massa do Sol encurvaria os raios de luz das estrelas de fundo, de modo que a posição das estrelas em volta do Sol numa fotografia tirada no eclipse, seria diferente da posição dessas mesmas estrelas numa fotografia tirada fora do eclipse. O encurvamento causado por massas muito maiores do que a do Sol – por galáxias inteiras ou por aglomerados de galáxias -, é muito mais pronunciado. Pode assim produzir efeito similar ao de uma lente de telescópio, intensificando a luz de objetos muito, muito distantes, que se encontram nos rincões mais afastados do Universo observável. O encurvamento da trajetória da luz pode ser explorado pelo astrônomo para estimar a massa de galáxias ou de aglomerados de galáxias causadores da deflexão da luz. Com base nessa estimativa da massa, confirmou-se a presença de matéria escura que não se manifesta como matéria luminosa.

A RCF pode ser efetivamente observada ainda hoje em micro-ondas. Ela provém de todas as direções do céu, o que significa que não provém de algum astro específico, mas trata-se de uma radiação cósmica, isto é, que preenche todo o Universo. Segundo a Teoria do Big Bang, há 13,8 bilhões de anos o Universo teria iniciado minúsculo, extremamente denso e quente. Com a constante expansão, violentamente acelerada logo no início por uma brevíssima “inflação cósmica”, o Universo teria crescido e resfriado. Passados “apenas” 390 mil anos, a temperatura teria baixado para cerca de 3 mil K, quando elétrons que até então eram cargas elétricas que se moviam livremente, puderam ser capturados pelos prótons formando átomos de hidrogênio, o elemento majoritário do Universo. Isso causou uma alteração radical no Universo: até então a matéria era opaca à radiação mas, a partir de então, ela se tornou transparente. A radiação que estava acoplada à matéria, dela se desacoplou e pôde se propagar livremente. Ora, a RCF que hoje observamos é essa radiação, só que a temperatura que era de 3 mil K, hoje resfriou para pouco menos de 3 K com a continuidade da expansão do Universo.

A RCF é impressionantemente homogênea em todas as direções, porém, observações muito precisas revelaram ínfimas variações de temperatura. Estas espelham as variações na distribuição da matéria que ficaram registradas na RCF, quando esta se desacoplou da matéria. Em simulações feitas com poderosos computadores, minúsculas flutuações de natureza quântica presentes no Universo primordial foram se amplificando e deram origem às diminutas variações de temperatura da RCF mencionadas acima, como também às atuais estruturas cósmicas formadas por galáxias, aglomerados de galáxias, superaglomerados de galáxias formando estruturas ainda maiores, semelhantes a um sistema de teias onde as galáxias, aglomerados e superaglomerados tendem a ocupar os entrelaçamentos das teias.

Mas, segundo as simulações e evitando entrar agora em maiores detalhes, o padrão observado na RCF das variações de temperatura em função do tamanho, não está de acordo com a atual estrutura do Universo, a não ser que, além da matéria ordinária se leve em conta também a matéria escura.

Nas colisões de galáxias ocorrem efeitos de maré, em que as galáxias sofrem deformações que, por sua vez, produzem efeitos espetaculares como a formação explosiva de estrelas em consequência da violenta compressão de gigantescas nuvens de gás e poeira que são a matéria prima para a produção de novas estrelas. O estudo de galáxias em colisão também evidencia a presença adicional de matéria escura.

Estimativamente o Universo é composto de 27% de matéria escura e 5% de matéria ordinária de modo que, há no Universo 27/5 = 5,4 vezes mais matéria escura do que matéria ordinária. Uma vez constatada a existência de matéria escura com essa alta abundância, ela não poderia ser ignorada na descrição do Universo e, de fato, ela foi incorporada na Cosmologia juntamente com a “energia escura”, outra componente sobre a qual nada direi agora para não distrair sua atenção.

A matéria escura, jamais vista diretamente, através de sua ação gravitacional seria como uma semente que determina o início da formação das galáxias com a matéria ordinária, esculpe suas formas e determina seus movimentos. Sublinho que a matéria escura mostra acoplamento com a matéria ordinária a partir de distâncias da ordem do tamanho das galáxias ou maiores, mas não em escalas menores. Por isso mesmo, a distribuição da matéria escura no Universo se mostra bastante heterogênea. Ela está acumulada em maior abundância na parte central dos aglomerados de galáxias e no halo e região central de galáxias. Aqui no Sistema Solar, sua presença é ínfima. O ar que respiramos é cerca de 1 sextilhão de vezes mais denso.

Equipe Dragonfly (Libélula)

Vimos que a razão entre matéria escura e matéria ordinária é 5,4. Essa é supostamente a razão inicial em todas as galáxias. É difícil estimar essa razão nas galáxias atuais porque a massa correspondente às estrelas (que podem ser efetivamente observadas), chamada “massa luminosa” não inclui a massa de matéria ordinária não luminosa que está presente nos planetas, nas estrelas de brilho fraco (que são as mais abundantes!), em anãs brancas, estrelas de nêutrons, buracos negros etc. Estimativamente essa razão é aproximadamente 20 em galáxias como a nossa, mas cresce para algumas centenas em galáxias menores (galáxias anãs). Isso porque, enquanto nas galáxias mais massivas a intensa gravidade “preserva” a razão inicial, em galáxias menores, forças exercidas seletivamente pela radiação (sim, pelos fótons!) só na matéria ordinária, podem expulsá-la da galáxia elevando o valor da razão.

A investigação sobre o comportamento dessa razão tornou-se desafiadora com a observação das galáxias chamadas “ultra-difusas”. Um exemplo isolado de galáxia ultra-difusa já era conhecido desde meados da década de 1980, mas só nos últimos anos começaram a ser descobertos novos exemplares que, por sua bizarrice no que tange exatamente à razão acima citada, suscitaram interesse. Hoje já somam quase mil. As galáxias ultra-difusas compõem uma classe de galáxias de luminosidade extremamente baixa, o que sinaliza escassez de estrelas, que seria consequência da escassez de gás que, como sabemos, é a matéria-prima para a formação de novas estrelas. Disso resulta também que essas galáxias contêm quase que exclusivamente, só estrelas velhas.

Com base na Teoria da Evolução Estelar, conhecemos várias características observáveis que denunciam a velhice de estrelas, tais como o baixo teor de elementos pesados. Estrelas velhas são compostas de matéria prima primordial, formada majoritariamente de hidrogênio e hélio (elementos leves) gerado nos primeiros minutos do Universo. Elas encontram-se geralmente em aglomerados globulares de estrelas (conjuntos esféricos de estrelas gravitacionalmente ligadas) que orbitam no halo de galáxias. Já estrelas jovens nascem de nuvens de gás e poeira enriquecidos mais recentemente de elementos pesados ejetados na explosão de supernovas, depois que esses elementos foram sintetizados no interior das estrelas por reações nucleares em escala de tempo da ordem de 10 bilhões de anos. Essa é a idade típica de estrelas velhas. Além disso, de um modo geral, estrelas jovens encontram-se perto dos locais de formação de estrelas, no disco galático, não no halo.

Muitas galáxias ultra-difusas foram encontradas pela equipe chamada Dragonfly Team, formada por uma dezena de professores de Astronomia e estudantes de universidades e institutos do Canadá, Estados Unidos, Alemanha e Inglaterra. Eles utilizam um telescópio de desenho bastante engenhoso chamado Dragonfly Telephoto Array, que consiste num conjunto de teleobjetivas justapostas, cada uma com seu respectivo chip CCD. Assim o conjunto é capaz de obter imagens eletrônicas de um extenso campo visual. O projeto tira vantagem do custo módico, como também da alta qualidade do recobrimento anti-reflexo aplicado na superfície das lentes, que reduz a luz parasita e permite obter, mesmo em solo, boas imagens na luz visível, de galáxias com brilho superficial extremamente fraco. O conjunto que na configuração final tem 48 teleobjetivas coleta luz como se fosse um telescópio refrator de 1 m. Esse instrumento está instalado num sítio recomendado para observações astronômicas chamado New Mexico Skies, numa região montanhosa a cerca de 160 km de El Paso, no Texas. A instalação é de propriedade particular e seus proprietários oferecem, além do local para acomodar e operar o instrumento, alojamento, oficina com serviços de mecânica, eletrônica etc. O telescópio pode ser operado remotamente pelos observadores.

Vista de uma parte do Dragonfly Telephoto Array. Fonte: https://www.dragonflytelescope.org/gallery.html

Muita matéria escura

Usando esse instrumento, a equipe descobriu na constelação da Cabeleira de Berenice a galáxia ultra-difusa que foi denominada Dragonfly 44. Nela chamou a atenção a escassez de estrelas. Para determinar a massa total dessa galáxia (matéria luminosa mais matéria escura), eles usaram o espectroscópio do Telescópio Keck II em Mauna Kea, Havaí. Ora, o espectroscópio é para o astrônomo uma espécie de velocímetro. Analisando com ele a luz de uma estrela, podemos saber a velocidade com que ela está se aproximando ou se afastando de nós. Trata-se de uma aplicação do efeito Doppler. Assim o espectroscópio atua como um velocímetro que mede a “velocidade radial” da estrela. Velocidade radial é a componente vetorial da velocidade ao longo da nossa linha de visada, portanto a velocidade é radial em relação a nós, observadores. O instrumento usado pelos astrônomos media a velocidade radial, não de apenas uma estrela individual, mas simultaneamente de todas as estrelas da galáxia. Como são muitas estrelas e cada uma tem o seu movimento de aproximação, ou de afastamento em relação ao observador, a medição coletiva da velocidade radial se apresenta na forma de uma dispersão estatística de velocidades em torno de uma velocidade média, dispersão essa que pode ser quantificada. No caso ela foi ±47 km/s, uma dispersão bastante alta que indicava que as estrelas orbitavam muito velozmente.

Para galáxias (assim como aglomerados globulares), sistemas com inúmeras estrelas gravitacionalmente ligadas, pode-se aplicar um teorema de base estatística que relaciona a dispersão coletiva da velocidade das estrelas com a massa total desses sistemas. Para a análise requer-se ainda o conhecimento do tamanho do sistema. Com esses dados, a massa total da galáxia foi determinada e o valor obtido surpreendeu os astrônomos, pois era muito grande, muito, muito maior que a massa de todas as estrelas visíveis. Ela foi estimada em 1 trilhão de sóis – aproximadamente a massa da nossa Galáxia. No entanto apenas 0,01% de toda essa massa se apresentava na forma de estrelas visíveis. Os restantes 99,99% ou virtualmente quase tudo era matéria escura. Aquela razão era enorme, >> 600! Esse resultado trazido a público em 2016 foi impactante e colocou desafios para explicar como essa galáxia teria se formado. Tendo essencialmente o tamanho e a massa de uma galáxia ordinária, Dragonfly 44 teria falhado na sua formação?

Ainda em Mauna Kea eles usaram também o Telescópio Gemini Norte para obter imagens dessa galáxia e viram que ela é circundada, como a nossa, por um halo abrigando aglomerados globulares de estrelas. Eram cerca de 100 aglomerados globulares, mais ou menos na mesma quantidade que na nossa Galáxia e em outras galáxias ordinárias. Praticamente as poucas estrelas dessa galáxia estavam nesses aglomerados, o que é estranho, mas sugere uma narrativa alternativa à falha na formação: num episódio mais recente de colisão com outra galáxia massiva, estrelas e/ou gás poderiam ter sido arrancados por forças de maré. Mais do que enriquecida de matéria escura, essa galáxia pode ter sido despojada de matéria ordinária!

Sem matéria escura

Prosseguindo na observação e estudo de galáxias ultra-difusas, em março de 2018 o mesmo grupo anunciou a descoberta na constelação da Baleia, da galáxia NGC 1052-DF2 (doravante DF2 onde DF vem de Dragonfly). A extrema escassez de estrelas se confirmou numa imagem do Telescópio Hubble, pois era possível enxergar, através da galáxia, estrelas bem mais distantes que estavam atrás. Mas DF2 era uma galáxia ultra-difusa peculiar, de tipo oposto a Dragonfly 44: desta vez a galáxia tinha muito pouco ou nenhuma matéria escura! Usando uma analogia, assim como não pode haver uma xícara de café sem xícara, também não poderia haver uma galáxia sem matéria escura já que, na formação da galáxia, a matéria escura faria as vezes da xícara, e a galáxia, a partir do gás de matéria ordinária se acumularia nela sob a ação da gravidade. Segundo essa analogia, DF2 seria o impossível café sem a xícara!

A determinação da distância da galáxia é uma tarefa crítica e que exige dos astrônomos muito critério. A equipe Dragonfly utilizou a flutuação do brilho “superficial” da galáxia como indicador da distância. Em cada píxel da imagem digital era medida a flutuação estatística do brilho, que depende da densidade de estrelas na galáxia e da distribuição de luminosidade entre as estrelas. Com o aumento da distância a flutuação decresce ou, em outras palavras, a distribuição do brilho torna-se mais homogênea. Esse método requer uma boa calibração. A equipe obteve a distância de 65 milhões a.l. (a.l.: ano-luz é a distância percorrida pela luz em um ano = 9,46 trilhões km).

Essa estranha galáxia fazia parte de um conjunto no qual a grande galáxia elíptica NGC 1052 era dominante em termos de massa. Em imagens anteriores DF2 já tinha sido vista, mas aparecia apenas como um conjunto de pontos. Foi usando o Dragonfly Telephoto Array que ela apareceu com brilho tênue, mas como uma enorme bolha; e os pontos vistos antes apareceram como aglomerados globulares, porém maiores e contendo mais estrelas que os de nossa Galáxia com luminosidade equivalente. Medindo a velocidade orbital de uma dezena desses aglomerados, que se mostrou extraordinariamente baixa, determinou-se a massa total de DF2 que surpreendentemente resultou ser equivalente à massa total das estrelas visíveis, o que dispensava qualquer acréscimo de matéria escura. Portanto essa era uma galáxia sem matéria escura!

Milhares de outras galáxias ultra-difusas foram estudadas mas, na época, só DF2 mostrou escassez de matéria escura. Como ela teria se formado? Foi sugerido que seria o produto de uma recente colisão sofrida pela vizinha e dominante galáxia elíptica NGC 1052. De fato, essa galáxia apresenta sinais dessa colisão.

A inesperada notícia foi saudada por muitos que se sentiram estimulados pressentindo que premissas básicas sobre a matéria escura precisariam ser revistas. Mas suscitou também ceticismo naqueles que acharam bizarra demais a ideia de galáxias sem matéria escura. Para alguns críticos, o tamanho e o brilho alegados pela equipe Dragonfly eram muito grandes e fugiam do padrão usual, o que levantou suspeitas na determinação da distância. Eles questionaram este ponto e, considerando que a distância estava tendenciosamente aumentada pela combinação de vários fatores, eles utilizaram outros métodos e obtiveram uma distância menor, de 42 milhões a.l. Assim a massa total caía para a metade e a massa das estrelas para ¼ dos valores inicialmente calculados, e a galáxia passava a ter matéria escura em quantidade que podia ser considerada normal.

Confirmação?

Em meio a essa controvérsia, a equipe Dragonfly voltou anunciando a descoberta de uma segunda galáxia, também da categoria das ultra-difusas sem matéria escura. Com isso DF2 deixou de ser algo único e excepcional, o que aumentou a crença na existência de tais objetos.

A nova galáxia, NGC 1052 DF4 encontra-se na mesma região do céu, tem aproximadamente o mesmo tamanho e massa de DF2. Também tinha aglomerados globulares orbitando no halo e, analisando o movimento de 7 dos mesmos, concluiu-se de novo que a velocidade era significativamente baixa e compatível com uma galáxia cuja massa total era apenas a das estrelas visíveis, sendo desnecessário postular adicional matéria escura. Os críticos continuaram objetando que a velocidade dos aglomerados globulares não teria sido determinada corretamente e/ou que a amostra era muito pequena para se tirar conclusões seguras.

Mais tarde os astrônomos da Dragonfly utilizaram um novo imageador do Telescópio Keck II para reobservar DF2. O instrumento se mostrou capaz de detectar objetos de brilho débil com alta resolução especial. Desta vez nem mesmo foi necessário medir o movimento dos aglomerados para determinar a massa da galáxia. Eles analisaram espectroscopicamente a luz de 10 milhões de estrelas. Obtiveram uma dispersão de velocidades estelares que se reconfirmou pequena, sintoma de pouca massa e ausência de matéria escura. Esse mesmo resultado foi confirmado nas observações do Very Large Telescope (avançadíssimo sistema de 4 telescópios de 8,2 m de diâmetro que podem ser operados conjunta ou separadamente) do Observatório Austral Europeu (ESO) instalado no deserto do Atacama, no Chile.

Mesmo assim as críticas continuaram e a equipe Dragonfly reestudou DF4 utilizando desta vez novas imagens do Telescópio Hubble. A distância foi determinada com um outro método, baseado na hipótese da luminosidade constante no infravermelho, das estrelas gigantes vermelhas. Relembrando o exemplo das lâmpadas domésticas que usei anteriormente, era como se todas as estrelas gigantes vermelhas fossem lâmpadas iguais, digamos apenas para fixar um valor, de 120 W. Então essas estrelas podem ser utilizadas como “indicadores de distância” porque, se a luminosidade delas é constante, o brilho medido na Terra por um observador diminuirá segundo o inverso do quadrado da distância (o brilho da lâmpada de 120 W também decresce assim). Aí está, portanto, como se pode determinar a distância da galáxia. Usando esse método os observadores confirmaram a distância determinada anteriormente para DF4, que era a mesma determinada também para DF2.

Comentários finais

Além de continuar buscando o desfecho deste debate, os astrônomos também especulam imaginando cenários que possam dar origem a galáxias sem matéria escura ou só de matéria escura. A questão central é: como se pode desacoplar a matéria escura da matéria ordinária em escalas galáticas ou maiores? Isso parece possível no cenário de colisão de galáxias envolvendo efeitos de maré e posterior formação explosiva de estrelas. No ambiente de intensa formação estelar entra em ação a pressão da radiação que atua seletivamente só na matéria ordinária, mas não na matéria escura, e na direção oposta à da gravidade estelar. Isso teria um papel crucial na segregação da matéria ordinária em relação à matéria escura. O posterior recolapso da matéria segregada poderia originar, tanto galáxias formadas quase que exclusivamente de matéria escura, como Dragonfly 44, quanto a galáxias formadas quase que exclusivamente de matéria ordinária, como DF2 e DF4. Mas só com muita observação e estudo essa ideia poderá ser confirmada ou descartada.

Busca em laboratório

Enquanto os astrônomos investigam a matéria escura olhando o céu, físicos experimentais da área de Física de Partículas a procuram em laboratórios aqui na Terra. Os físicos teóricos dessa mesma área já propuseram várias partículas candidatas a matéria escura que já estão sendo estudadas. Eis as candidatas mais citadas: áxions, neutrinos “estéreis” e WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Outra alternativa radicalmente diferente porque dispensa matéria escura, é a postulação de uma modificação nas leis clássicas da Gravitação de Newton no contexto de grandes distâncias cósmicas.

Muitos experimentos para investigar as possíveis peças fundamentais da matéria escura, requerem detectores que operem protegidos no subsolo, onde a radiação que atinge a superfície seja impedida de penetrar. Como os detectores são super-sensíveis, mesmo no subsolo eles ainda precisam ser protegidos, ora por tanques de água ou outro líquido, ora por algum tipo de plástico, mas o bloqueio de raios gama (os mais energéticos do espectro eletromagnético) requer cobre ou chumbo. Aqui é que o chumbo do carregamento de velhos naufrágios desperta grande interesse não só porque, passados alguns séculos, o chumbo radioativo já teve tempo para ter decaído no chumbo estável no fundo do mar, como também porque esse chumbo ficou protegido da radiação cósmica que poderia torná-lo radioativo. Mas isso traz um conflito de interesse entre arqueólogos que defendem relíquias históricas e os cientistas da Física de Partículas. Como sair do dilema entre a preservação de um potencial valor arqueológico e a detecção da matéria escura?

O texto a seguir é uma obra do Prof. Oscar Matsuura, pesquisador e professor aposentado do Depto. de Astronomia da USP, sobre James Peebles um dos cientistas laureados com o prêmio Nobel de Física de 2019.

PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA DE 2019

Parte 1. James Peebles

Oscar T. Matsuura

Professor Associado aposentado do IAG/USP

Pesquisador Colaborador do MAST/MCTIC

O Nobel de Física deste ano (2019) foi concedido a três cientistas: James Peebles, da Universidade de Princeton “pelas descobertas teóricas em Cosmologia Física” e Michel Mayor e Didier Queloz, ambos da Universidade de Genebra, na Suíça, “pela descoberta de um exoplaneta orbitando uma estrela do tipo solar”. Peebles, de quem falarei hoje, ficou com a metade do Prêmio, cujo total equivale a cerca de US$900,000.00.

James Peebles (1935-) é canadense. Graduou-se em Física pela Universidade de Manitoba, na região longitudinalmente central de seu país natal. Com 25 anos seguiu para a Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, onde se doutorou em Física em 1962. Desde então ele permaneceu na mesma Universidade. Hoje, com 84 anos, é Professor Emérito Albert Einstein de Ciência daquela Universidade. Como ele ganhou o Prêmio Nobel por conta dos estudos e trabalhos que desenvolveu durante toda a vida nessa Universidade, achei oportuno falar um pouco sobre ela, com o intuito de contextualizar o ambiente institucional do trabalho acadêmico de um ganhador do Nobel de Física.

Universidade de Princeton

Essa Universidade fica em Nova Jersey, estado americano acessível da ilha de Manhattan, atravessando-se o rio Hudson. Fundada em 1746, é uma instituição privada, das primeiras de ensino superior nos Estados Unidos a ser credenciada oficialmente. Dentre muitos outros cientistas, lá também se doutorou o famoso físico Richard Feynman (Nobel de Física de 1965) e o também famoso, mas injustiçado cientista inglês da computação, Alan Turing, além vários artistas, políticos, economistas e escritores famosos. Também o produtivo físico teórico americano John Archibald Wheeler (1911-2008) lá desenvolveu uma importante parte da carreira acadêmica (1938-1976) e atuou na chamada Idade de Ouro da Relatividade Geral (1960-1975), quando inventou a expressão, hoje popular, “buraco negro”. Essa Idade de Ouro caracterizou a aceitação da Relatividade Geral, antes vista mais como objeto de curiosidade, como tema da Física Teórica. Wheeler orientou 46 doutores, dentre eles o já citado Feynman e o físico brasileiro carioca Jayme Tyomno (1920-2011). Também ninguém menos que Albert Einstein lá viveu de 1933 a 1955 como membro do Instituto de Estudos Avançados daquela Universidade.

Robert Dicke

Robert Dicke. Fonte: https://nevalalee.wordpress.com/tag/robert-h-dicke/

Peebles chegou em Princeton em 1960, quando lá o físico norte-americano Robert Dicke (1916-1997) liderava um ativo grupo de pesquisa. Pela influência fundamental que Dicke teve na exitosa carreira acadêmica de Peebles, farei aqui uma breve digressão sobre Dicke. Ele tinha se graduado em Física na Universidade de Princeton em 1939. Depois obteve o doutorado em Física Nuclear em outra universidade. Durante a II Guerra Mundial trabalhou no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) no desenvolvimento do radar, visando à sua utilização militar. Na mesma época ele projetou o chamado “radiômetro de Dicke”, um rádio-receptor de micro-ondas. Ora, objetos sólidos aquecidos emitem radiação eletromagnética. Quanto mais aquecidos, menores são os comprimentos de onda emitidos. Isso faz parte da Física, no capítulo dedicado ao estudo dos chamados “corpos negros”. Assim, um corpo a 5 mil K (temperatura aproximada do Sol) emite o grosso da radiação nos comprimentos de onda da luz visível. Mas o corpo humano, a cerca de apenas 300 K (27º C), emite o grosso da radiação em infravermelho. Por isso as câmaras de infravermelho são capazes de produzir imagem de pessoas, e também de animais de sangue quente, na escuridão da noite. Testando seu radiômetro no terraço do laboratório em que trabalhava, Dicke verificou que ele era capaz de medir temperaturas ainda mais baixas como 20 K (-253 C). Os radioastrônomos utilizam conceitos práticos oriundos desse radiômetro para calibrar o sinal recebido pelos radiotelescópios e, assim, quantificar a radiação emitida pelos astros.

Tendo acumulado uma diversificada experiência em Física, Dicke retornou em 1946 para Princeton, onde trabalhou até o fim de sua vida. Ele se dedicou com enorme talento criativo aos mais variados campos da Física, tanto experimentais quanto teóricos. Ele contribuiu no desenvolvimento do radar, do laser para infravermelho e do amplificador lock-in (capaz de extrair sinais extremamente fracos “submersos” em intenso ruído), na Física Atômica, na Óptica Quântica, na Astrofísica, na Gravitação e Cosmologia. Quase brincando matematicamente com constantes físicas (como a constante gravitacional G, a carga e e a massa m_e do elétron etc.), físicos da época tinham obtido números adimensionais, isto é, números puros sem dimensionalidade física como, p. ex., 5 sem associação a nenhuma grandeza física como 5 m (metros) que seria um comprimento, ou 5 s (segundos) que seria um intervalo de tempo, ou 5 g (gramas) que seria uma quantidade de matéria. Esses números adimensionais, por sua vez, eram muito grandes, da ordem de 10⁴⁰ (isto é, 1 com 40 zeros à direita). Mas esses físicos notaram que a razão, também adimensional entre o raio do Universo e o raio do elétron, ou o número total de cargas elétricas no Universo, ou a idade do Universo medida em termos do tempo para a luz percorrer o raio do elétron, também era da ordem de 10⁴⁰. Esse resultado intrigante foi denominado “coincidência dos grandes números”. Mas, admitir que isso acontecia por coincidência ou por acaso, era constrangedor para os físicos porque, no fundo, significava a incapacidade de dar uma explicação causal. O famoso físico teórico inglês, Paul Dirac (1902-1984), Prêmio Nobel de Física de 1933, obtendo 10⁴⁰ ao dividir o raio do Universo pelo raio do elétron, e o mesmo número dividindo a força elétrica entre o próton e o elétron pela força gravitacional entre essas mesmas partículas, propôs que a constante gravitacional G não seria constante, mas variaria segundo o inverso da idade do Universo. Dirac estava sugerindo que esse desafio dos grandes números envolvia a Cosmologia e que a coincidência não era coincidência, mas porque G variava com o inverso da idade do Universo. Porém, essa variação de G nunca foi confirmada.

Dicke entrou nessa discussão e propôs que as constantes físicas, que possibilitam a síntese nuclear de átomos pesados no interior das estrelas, inclusive do carbono que é essencial para a nossa própria existência, só poderiam tornar possível nossa presença no Universo se a idade do Universo fosse da ordem de 14 bilhões de anos, já que o tempo de evolução das estrelas para produzir os átomos pesados é tipicamente de 10 bilhões de anos. Portanto, a idade do Universo que nós podemos medir, não poderia ter um valor qualquer, senão um valor compatível com a nossa existência. Não poderia ser, p. ex., muito mais jovem, pois nós nem existiríamos. Ampliando esse raciocínio, ao medir as contantes físicas não encontraríamos para elas valores quaisquer, senão apenas valores compatíveis com a nossa presença no Universo. Essa foi a explicação que Dicke propôs para a coincidência dos grandes números. Essa especulação seminal de Dicke deu origem ao “Princípio Antrópico”, pelo qual as nossas observações do Universo têm que ser compatíveis com as condições que tornam possível a nossa existência como seres vivos, inteligentes e observadores do Universo. É bom que se diga que esse Princípio, embora muito interessante, também tem atraído críticas e gerado controvérsias.

De qualquer forma, Dicke foi reconhecido como um dos físicos americanos mais completos a fazer jus ao Nobel de Física por suas várias realizações, no entanto, não o recebeu. Alguns especulam que ele teria sido “punido” por ter ousado desenvolver a “Teoria da Gravitação de Brans-Dicke” (Brans é o sobrenome do parceiro), hoje praticamente abandonada, que se posicionava como teoria rival da Relatividade Geral de Einstein.

James Peebles

James Peebles, foto recente. Fonte: https://www.thompsoncitizen.net/a-look-at-canadian-born-nobel-physicist-james-peebles-1.23970041

Chegando à Universidade de Princeton, Peebles se juntou ao grupo de pesquisa de Dicke. Sob a orientação deste, obteve o doutorado em 1962. Dicke tinha acabado de elaborar a citada Teoria da Gravitação de Brans-Dicke. Embora essa teoria não viesse a se firmar, esse estudo induziu Dicke a pensar no Universo primordial. Seu grupo estava investigando as predições teóricas e as consequências observacionais do Universo primordial – desde a fase imediatamente posterior ao Big Bang até algumas centenas de milhares de anos. A teoria do Big Bang para a origem do Universo ainda não tinha aceitação universal, a despeito da evidência observacional de que as galáxias estavam se afastando umas das outras (expansão do Universo). Pois, se o Universo estava expandindo, no passado ele deveria ter sido muito menor, muito mais quente e denso.

Uma predição dessa teoria era que o Universo, logo após o Big Bang deveria se comportar como um minúsculo corpo negro. A radiação térmica (radiação eletromagnética) dessa época deveria ter se difundido por todo o Universo e deveria poder ser detectada por nós, mesmo hoje. Dicke e Peebles recalcularam de novo a predição da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que já havia sido predita em 1948 pelo físico ucraniano George Gamow (1904-1968), um dos primeiros defensores do Big Bang.

Com outros membros do grupo, Dicke também começou a montar um radiômetro de que já falamos, que leva o seu nome, a fim de detectar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e, assim, comprovar a predição. Comprovar empiricamente uma predição teórica constitui na atividade científica um dos feitos mais importantes. Mas, sucedeu que os engenheiros de telecomunicações Arno Penzias (1933-) e Robert Wilson (1936-), testando em 1964 um novo tipo de antena e receptor de micro-ondas na Bell Telephone Laboratories, também em Nova Jersey, não muito longe de Princeton, acabaram por detectar um sinal fraco, porém, persistente, que parecia vir de todas as direções do céu. Inicialmente eles suspeitaram que se tratasse de interferência de fontes terrestres, mas essa hipótese foi descartada. Constatando depois que uma parte da antena, semelhante a uma trompa, abrigava morcegos e pombos, os engenheiros suspeitaram que as fezes deixadas por essas criaturas seria a fonte do sinal. Uma limpeza foi feita, mas nem por isso o estranho sinal desapareceu. Sem conseguirem se livrar desse “ruído de fundo”, os dois engenheiros foram atrás de consultoria técnica. Onde? Junto ao grupo de Dicke!

A escolha não poderia ser mais acertada, pois esse era o grupo que estava querendo detectar exatamente aquilo que os engenheiros tinham detectado, mas não sabiam do quê se tratava. Essa radiação era a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Sua temperatura era da ordem de apenas 2,7 K e essa era a temperatura predita. Segundo a já mencionada teoria do corpo negro, o grosso da emissão eletromagnética deveria ser mesmo em micro-ondas.

Restou ao grupo de Dicke a glória menor de fazer uma segunda detecção definitivamente confirmatória da radiação cósmica de fundo. Mas a interpretação teórica da descoberta casual de Penzias e Wilson, como sendo uma consequência do Big Bang, coube integralmente ao grupo de Dicke. Isso trouxe uma corroboração de peso a favor do Big Bang e guindou os estudos do Universo primordial decorrentes dessa teoria, do terreno meramente especulativo para uma Física testável por observações, dando lugar a um novo campo de pesquisa chamado Cosmologia Física.

É curioso notar que Penzias e Wilson receberem o Prêmio Nobel de Física de 1978, mas a Dicke não foi concedida nem sequer uma participação.

Peebles, por sua vez, recebeu o Prêmio Nobel por ter desempenhado um papel crucial no nosso entendimento teórico do Universo primordial e sua evolução. O Prêmio lhe foi concedido basicamente pelas descobertas teóricas no campo da Cosmologia Física, que estuda a estrutura e a dinâmica do Universo no contexto de questões fundamentais como a sua origem, estrutura, evolução e destino final. Foi ele quem reconheceu que a radiação cósmica de fundo retém registros sutis, variações mínimas de temperatura da ordem de 1/100.000 que, quando devidamente decodificadas, revelam como o Universo evoluiu desde os primórdios até os dias atuais, como se originou e evoluiu a estrutura do Universo formando galáxias, aglomerados de galáxias e superaglomerados de galáxias a partir de condições primordiais relativamente homogêneas. Não teria cabimento explicar aqui todos os detalhes, mas aquelas pequenas variações de temperatura, onde a temperatura era menor, a densidade de matéria era maior, e vice-versa. Portanto, pouco depois do Big Bang, as variações de temperatura estavam correlacionadas com as variações de densidade da matéria. Os locais de densidade maior atuaram como sementes primordiais que continuaram acumulando mais matéria e formaram as estruturas de grande escala do Universo atual. No início da década de 1970, que assinala o advento dos computadores mais poderosos, o próprio Peebles foi pioneiro em simular a formação de estruturas cósmicas, prática que constitui hoje um ramo de pesquisa em que os cosmólogos exploram coleções de universos de diferentes formas e tamanhos para extrair deles uma compreensão física que não conseguimos obter do nosso único Universo real e observável. Sem as descobertas teóricas de Pebles, as medições de alta precisão dessa radiação feitas nos últimos 20 anos não nos teriam dito nada.

Em suma, fazendo os trabalhos teóricos na área da Cosmologia Física, Peebles realimentou a Cosmologia Observacional com novas predições cada vez mais precisas e refinadas, e obteve dela, com instrumentos mais sensíveis e sofisticados a bordo de plataformas espaciais, novas confirmações e respostas, podendo avançar repetindo esse ciclo.

Peebles também nos conduziu ao “setor escuro” do nosso Universo e foi pioneiro na formulação do “modelo cosmológico padrão” que, além da matéria ordinária dos nossos corpos, dos planetas e estrelas, e além da radiação cósmica de fundo, inclui também a matéria e a energia escuras, ambas reconhecidas atualmente como majoritárias na constituição do Universo, embora de natureza ainda desconhecida, mas cuja existência é atestada por evidência observacional. Com efeito, a matéria ordinária contribui com apenas 4% na constituição do Universo. Levando em conta a matéria escura como componente importante do Universo, Peebles avaliou em suas simulações as suas implicações na evolução da estrutura do Universo visível, já que a matéria escura, embora invisível, exerce ação gravitacional.

Por fim, Peebles demonstrou também como as observações da radiação cósmica de fundo e da distribuição das galáxias podem ser usadas para determinarmos parâmetros cosmológicos que figuram nas equações que utilizamos para descrever o Universo.

Quando a concessão do Prêmio foi anunciada, Peebles foi perguntado qual descoberta ou avanço específico teria motivado o Prêmio. Mas ele próprio respondeu que foi o trabalho de toda a sua vida, ou seja, ele estava ganhando o Prêmio pelo conjunto da obra. De fato, ele foi o arquiteto-chave na construção da Cosmologia Física que estuda as estruturas de grande escala do Universo (aglomerados e superaglomerados de galáxias), a dinâmica do Universo no contexto de questões fundamentais como a sua origem, estrutura, evolução e destino final. Para a formação de novos pesquisadores ele contribuiu com vários livros-textos que continuarão sendo importantes nos próximos anos.