Duas vezes por dia, sete dias por semana, de fevereiro a novembro nos últimos quatro anos, dois pesquisadores se depararam com roupas térmicas e roupas íntimas, com lã, flanela, luvas duplas, meias duplas, macacões acolchoados e parkas vermelhas inchadas, mumificando-se. até que eles se parecem com gêmeos Michelin Men. Então eles saem, trocando o calor e as conveniências modernas de uma estação de ciência (pebolim, academia, lanchonete 24 horas) por uma paisagem de menos de 100 graus Fahrenheit, mais plana do que o Kansas e um dos lugares mais frios do planeta. Eles se arrastam na escuridão quase uma milha, através de um planalto de neve e gelo, até discernirem, contra o pano de fundo de mais estrelas do que qualquer observador de quintal de mãos no bolso já viu, a silhueta do disco gigante do Telescópio do Pólo Sul, onde eles se juntam a um esforço global para resolver, possivelmente, o maior enigma do universo: do que mais é feito.
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Por milhares de anos, nossa espécie estudou o céu noturno e imaginou se há algo mais por aí. No ano passado, celebramos o 400º aniversário da resposta de Galileu: sim. Galileu treinou um novo instrumento, o telescópio, nos céus e viu objetos que nenhuma outra pessoa jamais vira: centenas de estrelas, montanhas na Lua, satélites de Júpiter. Desde então, encontramos mais de 400 planetas ao redor 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.
Agora os cientistas pensam que até mesmo esse recenseamento extravagante do universo pode estar tão desatualizado quanto o cosmo de cinco planetas que Galileu herdou dos antigos. Os astrônomos reuniram evidências de que o que sempre pensamos ser o universo real - eu, você, esta revista, planetas, estrelas, galáxias, toda a matéria no espaço - representa apenas 4% do que realmente está por aí. O resto eles chamam, por falta de uma palavra melhor, escura: 23% é algo que eles chamam de matéria escura e 73% é algo ainda mais misterioso, que eles chamam de energia escura.
"Temos um inventário completo do universo", disse Sean Carroll, cosmologista do Instituto de Tecnologia da Califórnia, "e não faz sentido".
Os cientistas têm algumas idéias sobre o que a matéria escura pode ser - partículas exóticas e ainda hipotéticas -, mas dificilmente têm uma pista sobre a energia escura. Em 2003, o National Research Council 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 Michael S. Turner, da Universidade de Chicago, vai além e classifica a energia sombria como "o mistério mais profundo de toda a ciência".
O esforço para resolvê-lo mobilizou uma geração de astrônomos em um repensar da física e da cosmologia para rivalizar e talvez superar a revolução que Galileu inaugurou em uma noite de outono em Pádua. Eles estão aceitando uma profunda ironia: é 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 esse cosmo que chamamos de lar?
Os cientistas chegaram a um consenso na década de 1970 de que havia mais no universo do que aparenta. Em simulações de computador de nossa galáxia, a Via Láctea, os teóricos descobriram que o centro não se sustentaria - com base no que podemos ver, nossa galáxia não tem massa suficiente para manter tudo no lugar. Ao girar, ele deve se desintegrar, espalhar estrelas e gás em todas as direções. 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 de estrelas - é uma indicação imprecisa da massa da galáxia.
Mas e se alguma porção da massa de uma galáxia não irradiasse luz? Se as galáxias espirais contivessem o suficiente de tal massa misteriosa, então elas poderiam estar obedecendo às leis da gravidade. Os astrônomos apelidaram a massa invisível de "matéria escura".
"Ninguém nunca nos disse que toda a matéria se irradiava", disse Vera Rubin, astrônomo cujas observações de rotação de galáxias forneceram evidências para a matéria escura. "Nós apenas assumimos que sim."
O esforço para entender a matéria escura definiu grande parte da astronomia para as próximas duas décadas. Os astrônomos podem não saber o que é a matéria escura, mas inferir sua presença permitiu-lhes buscar, de um novo modo, 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 elas ficavam, mais rapidamente pareciam estar retrocedendo.
Esta foi uma ideia radical. Em vez da imponente e eternamente imutável vida que o universo uma vez pareceu ser, na verdade estava viva no tempo, como um filme. Retroceda o filme da expansão e o universo eventualmente alcançaria um estado de densidade e energia infinitas - o que os astrônomos chamam de Big Bang. Mas e se você bater rápido? Como a história terminaria?
O universo está cheio de matéria e a matéria atrai a outra matéria pela gravidade. Os astrônomos argumentaram que a atração mútua entre todos os que importam deve estar diminuindo a expansão do universo. Mas eles não sabiam qual seria o resultado final. O efeito gravitacional seria tão forte que o universo acabaria por se estender por uma certa distância, parar e se inverter, como uma bola jogada no ar? Ou seria tão leve que o universo escapasse de seu alcance e nunca parasse de se expandir, como um foguete saindo da atmosfera da Terra? Ou vivemos em um universo primorosamente equilibrado, no qual a gravidade garante uma taxa de expansão de Cachinhos Dourados nem muito rápida nem muito lenta - então o universo acabaria chegando a um impasse virtual?
Assumindo a existência da matéria escura e que a lei da gravitação é universal, duas equipes de astrofísicos - uma liderada por Saul Perlmutter, no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, a outra por Brian Schmidt, da Universidade Nacional Australiana - decidiram 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 excepcionalmente brilhantes e de curta duração para avaliar o crescimento do universo. Eles sabiam o quanto as supernovas deveriam aparecer em diferentes pontos do universo se a taxa de expansão fosse uniforme. Ao comparar o quanto mais brilhante as supernovas realmente apareceram, os astrônomos imaginaram que poderiam determinar o quanto a expansão do universo estava diminuindo. Mas, para surpresa dos astrônomos, quando chegaram à metade do universo, a seis ou sete bilhões de anos-luz de distância, descobriram que as supernovas não eram mais brilhantes - e, portanto, mais próximas - do que o esperado. Eles estavam mais apagados - isto é, mais distantes. As duas equipes concluíram que a expansão do universo não está diminuindo. Está acelerando.
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 apelido “algo”: energia escura. Ficou preso. Desde então, os astrônomos perseguiram o mistério da energia escura até os confins da Terra - literalmente.
"O Pólo Sul tem o ambiente mais hostil da Terra, mas também o mais benigno", diz William Holzapfel, astrofísico da Universidade da Califórnia em Berkeley, que foi o pesquisador líder no telescópio South Pole (SPT) quando visitei.
Ele não estava se referindo ao clima, embora na semana entre o Natal e o Ano Novo - início do verão no Hemisfério Sul - o Sol brilhasse o tempo todo, as temperaturas estavam apenas nos dígitos menos negativos (e um dia até quebrou zero ), e o vento estava mais calmo. Holzapfel fez a caminhada da Estação Amundsen-Scott do Pólo Sul da Fundação Nacional de Ciência (um lance de bola de neve do local tradicional do próprio pólo, marcado com um poste, sim) até o telescópio usando jeans e tênis. Uma tarde, o prédio do laboratório do telescópio ficou tão quente que a tripulação abriu uma porta.
Mas, do ponto de vista de um astrônomo, não até o Sol se pôr e ficar parado - de março a setembro - o Pólo Sul ficar “benigno”.
"São seis meses de dados ininterruptos", diz Holzapfel. Durante a escuridão de 24 horas do outono e inverno austral, o telescópio opera sem escalas sob condições impecáveis para a astronomia. A atmosfera é fina (o pólo está a 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 pólo tem alguns dos ventos mais calmos da Terra e quase sempre sopram na mesma direção.
Talvez o mais importante para o telescópio, o ar é excepcionalmente seco; Tecnicamente, a Antártida é um deserto. (Mãos rachadas podem levar semanas para cicatrizar, e transpiração não é realmente uma questão de higiene, então a restrição a dois chuveiros por semana para conservar água não é um grande problema. Como um veterano da pole me disse: “No momento que você for de volta pela alfândega em Christchurch [Nova Zelândia], é quando você vai precisar de um banho. ”) O SPT detecta microondas, uma parte do espectro eletromagnético que é particularmente sensível ao vapor de água. O ar úmido pode absorver as microondas e impedir que elas atinjam o telescópio, e a umidade emite sua própria radiação, que pode ser interpretada erroneamente como sinais cósmicos.
Para minimizar esses problemas, astrônomos que analisam microondas e ondas submilimétricas fizeram do Pólo Sul um segundo lar. Seus instrumentos residem no Setor Sombrio, um conjunto apertado de prédios onde a luz e outras fontes de radiação eletromagnética são mantidas a um mínimo. (Perto estão o setor silencioso, para pesquisa em sismologia, e o setor de ar limpo, para projetos climáticos.)
Os astrônomos gostam de dizer que para condições de observação mais imaculadas, eles teriam que ir para o espaço sideral - uma proposta exponencialmente mais cara, e que a NASA geralmente não gosta de perseguir a menos que a ciência não possa ser facilmente feita na Terra. (Um satélite de energia escura entra e sai da prancheta desde 1999, e no ano passado foi "de volta à estaca zero", segundo um conselheiro da NASA.) Pelo menos na Terra, se algo der errado com um instrumento, você não Não precisa comandar um ônibus espacial para consertá-lo.
Os Estados Unidos mantêm uma presença anual no polo desde 1956, e até agora o Programa Antártico dos EUA, da National Science Foundation, conseguiu uma vida lá, bem, uma ciência. Até 2008, a estação estava alojada em uma cúpula geodésica cuja coroa ainda é visível acima da neve. A nova estação base se assemelha a um pequeno navio de cruzeiro mais do que um posto remoto e dorme mais de 150, todos em bairros privados. Através das portinholas que revestem os dois andares, você pode contemplar um horizonte tão hipnótico quanto o de qualquer oceano. A nova estação repousa em elevadores que, à medida que a neve se acumula, permitem que sejam levantadas 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 no inverno. Uma vez por semana, durante os meses escuros, quando a população da estação diminui para cerca de 50, os dois pesquisadores do SPT precisam subir no prato de microondas de 33 pés do telescópio e limpá-lo. O telescópio coleta dados e os envia para os desktops de pesquisadores distantes. Os dois “invernos” passam os 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 inatividade é milhares de dólares perdidos em tempo de observação", diz Keith Vanderlinde, um dos dois invertidos de 2008. “Sempre há pequenas coisas. Um ventilador quebrará porque está muito seco lá embaixo, toda a lubrificação vai embora. E então o computador vai superaquecer e se desligar, e de repente estamos em baixo e não temos idéia do porquê. ”Nesse ponto, o ambiente pode não parecer tão“ benigno ”depois de tudo. Nenhum vôo vai de ou para o Pólo Sul de março a outubro (o óleo do motor de um avião gelatiniza), então se o inverno não consertar o que está quebrado, ele continua quebrado - o que ainda não aconteceu.
Mais do que a maioria das ciências, a astronomia depende do sentido da 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 matéria escura 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 com o tempo - e como ela continuará a evoluir.
Os cientistas têm alguns candidatos para a composição da matéria escura - partículas hipotéticas chamadas neutralinos e axions. 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 no espaço e no tempo, ou se é constante. Uma maneira de estudá-lo é medir as chamadas oscilações acústicas dos bárions. Quando o universo ainda estava em sua infância, com apenas 379.000 anos de idade, ele resfriava o suficiente para que os barions (partículas feitas de prótons e nêutrons) se separassem dos fótons (pacotes de luz). Essa separação deixou 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 ligeiramente mais densas que o resto do universo. E como a matéria atrai a matéria pela gravidade, essas regiões ficaram ainda mais densas à medida que o universo envelheceu, fundindo-se primeiro em galáxias e depois em aglomerados de galáxias. Se os astrônomos compararem as oscilações cósmicas originais de fundo de microondas com a distribuição de galáxias em diferentes estágios da história do universo, eles poderão medir a taxa de expansão do universo.
Outra abordagem para definir a energia escura envolve um método chamado lente gravitacional. De acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, um feixe de luz viajando pelo espaço parece se dobrar por causa da atração gravitacional da matéria. (Na verdade, é o próprio espaço que se dobra e a luz apenas segue adiante.) Se dois aglomerados de galáxias estiverem ao longo de uma única linha de visão, o aglomerado de primeiro plano atuará como uma lente que distorce a luz proveniente do cluster de segundo plano. Essa distorção pode dizer aos astrônomos a massa do aglomerado de primeiro plano. Por amostragem de milhões de galáxias em diferentes partes do universo, os astrônomos devem ser capazes de estimar a taxa em que as galáxias se aglomeraram ao longo do tempo, e essa taxa, por sua vez, lhes dirá quão rápido o universo se expandiu em diferentes pontos de sua história.
O Telescópio do Pólo Sul usa uma terceira técnica, chamada de efeito Sunyaev-Zel'dovich, nomeada por dois físicos soviéticos, que se baseia no fundo cósmico de microondas. Se um fóton deste último interagir com gás quente em um cluster, ele experimentará um leve aumento de energia. A detecção dessa energia permite que os astrônomos mapeiem esses aglomerados e medem 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 que é um ceticismo saudável. Eles dizem: "Isso é ótimo, mas mostre-nos o dinheiro", diz Holzapfel. "E acho que dentro de um ou dois anos estaremos em posição de poder fazer isso."
A equipe da SPT concentra-se nos aglomerados de galáxias porque eles são as maiores estruturas do universo, geralmente constituídas por centenas de galáxias - elas são um milhão de bilhões de vezes a massa do Sol. Como a energia escura empurra o universo para se expandir, os aglomerados de galáxias terão mais dificuldade em crescer. Eles se tornarão mais distantes um do outro e o universo se tornará mais frio e solitário.
Os aglomerados de galáxias “são como canários em uma mina de carvão em termos de formação de estruturas”, 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 deveria ser capaz de rastrear aglomerados de galáxias ao longo do tempo. "Você pode dizer: 'Há tantos bilhões de anos, quantos agrupamentos estavam lá e quantos estão lá agora?'", Diz Holzapfel. "E então compare-os com suas previsões."
No entanto, todos esses métodos vêm com uma advertência. Eles assumem que compreendemos suficientemente a gravidade, que não é apenas a força que se opõe à energia escura, mas que foi a base da física nos últimos quatro séculos.
Vinte vezes por segundo, um raio laser nas montanhas de Sacramento, no Novo México, aponta um pulso de luz para a Lua, a 239 mil milhas de distância. O alvo do raio é um dos três refletores do tamanho de uma mala que os astronautas da Apollo plantaram na superfície lunar quatro décadas atrás. Fótons do feixe refletem no espelho e retornam ao Novo México. Tempo total de viagem de ida e volta: 2, 5 segundos, mais ou menos.
Isso "mais ou menos" faz toda a diferença. Ao avaliar a jornada da velocidade da luz, os pesquisadores da Operação de Alcance a Laser Lunar do Observatório Apache Point (APOLLO) podem medir a distância entre a Terra e a Lua, momento a momento, e mapear a órbita da Lua com precisão extraordinária. Como na história apócrifa de Galileu jogando bolas da Torre 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 Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore, chama isso de "experiência absolutamente incrível". Se a órbita da Lua exibe o menor desvio das previsões de Einstein, os cientistas podem ter que repensar suas equações - e talvez até mesmo existência de matéria escura e energia escura.
"Até agora, Einstein está segurando", diz um dos observadores da APOLLO, a astrônoma Russet McMillan, enquanto seu projeto de cinco anos passa a meio caminho.
Mesmo se Einstein não estivesse segurando, os pesquisadores teriam primeiro que eliminar outras possibilidades, como um erro na medida da massa da Terra, da Lua ou do Sol, antes de admitir que a relatividade geral requer um corretivo. Mesmo assim, os astrônomos sabem que a gravidade é garantida por sua própria conta e risco. Eles inferiram a existência de matéria escura devido a seus efeitos gravitacionais nas galáxias e a existência de energia escura devido a seus efeitos anti-gravitacionais na expansão do universo. E se a suposição subjacente a essas inferências de gêmeos - que sabemos como a gravidade funciona - está errada? Pode uma teoria do universo ainda mais estranha do que uma que proponha matéria escura e energia escura é responsável pela evidência? Para descobrir, os cientistas estão testando a gravidade não apenas em todo o universo, mas em toda a mesa. Até recentemente, os físicos não haviam medido a gravidade em intervalos extremamente próximos.
"Impressionante, não é?", Diz Eric Adelberger, o coordenador de vários experimentos de gravidade que ocorrem em um laboratório na Universidade de Washington, em Seattle. “Mas não seria espantoso se você tentasse fazê-lo” - se você tentasse testar a gravidade a distâncias menores que um milímetro. Testar a gravidade não é simplesmente uma questão de colocar dois objetos próximos uns dos outros e medir a atração entre eles. Todos os tipos de outras coisas podem estar exercendo uma influência gravitacional.
"Há metal aqui", diz Adelberger, apontando para um instrumento próximo. "Há uma encosta aqui" - chegando em algum ponto além da parede de concreto que circunda o laboratório. “Há um lago ali.” Há também o nível de água subterrânea no solo, que muda toda vez que chove. Depois, há a rotação da Terra, a posição do Sol, a matéria escura no coração da nossa galáxia.
Durante a última década, a equipe de Seattle mediu a atração gravitacional entre dois objetos em distâncias menores e menores, até 56 mícrons (ou 1/500 de polegada), apenas para garantir que as equações de Einstein da gravidade sejam verdadeiras nas distâncias mais curtas., também. Até agora, eles fazem.
Mas até Einstein reconheceu que sua teoria da relatividade geral não explicava inteiramente o universo. Ele passou os últimos 30 anos de sua vida tentando reconciliar sua física do muito grande com a física dos muito pequenos - a mecânica quântica. Ele falhou.
Teóricos surgiram com todos os tipos de possibilidades em uma tentativa de reconciliar a relatividade geral com a mecânica quântica: universos paralelos, universos em colisão, universos-bolha, universos com dimensões extras, universos que se reproduzem eternamente, 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 olha todos os dias em um site na Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph), onde os cientistas publicam suas análises para ver quais são as novas ideias. lá fora. "A maioria deles é bem maluca", diz ele. "Mas é possível que alguém venha com uma teoria profunda."
Apesar de todos os seus avanços, a astronomia parece estar trabalhando sob uma suposição incorreta, embora razoável: o que você vê é o que obtém. Agora os astrônomos têm que se adaptar à idéia de que o universo não é nosso material - 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 Arizona State University. disse: "um pouco de poluição".
No entanto, os cosmologistas tendem a não desanimar. “Os problemas realmente difíceis são ótimos”, diz Michael Turner, “porque sabemos que eles exigirão uma nova idéia 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 pudesse escolher qualquer hora e campo, este é o lugar onde 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.
Michael Turner cunhou o termo "energia escura" em 1998. Ninguém sabe o que é. (Cortesia de Michael Turner) 
Os cientistas que trabalham no Pólo Sul ficam em uma instalação apoiada em palafitas que são levantadas enquanto a neve se acumula. (Keith Vanderlinde / National Science Foundation) 
A engenheira Dana Hrubes ajusta uma bateria na instalação do Pólo Sul. (Calee Allen / Fundação Nacional de Ciências) 
Sem voos de aeronaves durante a metade mais escura do ano, os pesquisadores se defendem cultivando vegetais frescos sob luz artificial. (Brien Barnett / O Sol Antártico) 
Longe da luz alheia e mergulhado em trevas que duram meses, o Telescópio do Pólo Sul da Antártida é um dos melhores lugares da Terra para observar o resto do universo. (Keith Vanderlinde / National Science Foundation) 
Para resumir, o universo começou com o Big Bang há quase 14 bilhões de anos, rapidamente inflacionado e ainda está se expandindo hoje. (Equipe Científica da NASA / WMAP) 
Em vez de desacelerar, dizem os cientistas, a expansão foi acelerada, impulsionada pela energia escura. Este mapa de pontos quentes em todo o universo infantil mostra onde a matéria se concentrou e deu origem a galáxias. (Equipe Científica da NASA / WMAP) 
Astrônomos como Russet McMillan usam a gravidade em sua busca por energia escura. (Gretchen Van Doren) 
Cientistas do Observatório Apache Point, no Novo México, apontam repetidamente um feixe de laser para a Lua e determinam o retorno da luz à Terra, dando-lhes a distância da Lua até um milímetro. (Gretchen Van Doren / Consórcio Astrofísico de Pesquisa) 
A medida da atração gravitacional entre a Terra e a Lua ajuda os astrônomos a definir a energia escura. (Tom Murphy) 
Os astronautas colocaram este refletor na lua em 1969. (NASA)
