O universo é borbulhante? Procurando Espuma Quântica no Espaço

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Impressão artística de um quasar, uma galáxia o centro brilhante de uma galáxia que irradia mais luz do que todas as estrelas da galáxia juntas. Cientistas recentemente usaram luz de quasares para caçar uma característica teórica do universo chamada espuma quântica. (Crédito da imagem: NASA / ESA / G.Bacon, STScI)

Uma característica teórica incrivelmente pequena e fantasticamente estranha do universo é microscópica demais para ser vista diretamente, então uma equipe de cientistas a procurou estudando algumas das galáxias mais brilhantes do universo.

Como a luz viaja para a Terra de galáxias distantes, seu caminho através do cosmos pode não ser suave. Uma característica teórica do universo chamada ' espuma quântica 'poderia tornar o espaço e o tempo difíceis e caóticos em escalas muito pequenas. Alguns modelos sugerem que os cientistas puderam ver o efeito dessa espuma em um grande grupo de fótons que viajaram por uma distância muito longa.



Um grupo de pesquisadores decidiu tentar observar sinais de espuma quântica na luz coletada por poderosos telescópios na Terra e ao redor dela. Embora nenhuma evidência direta da espuma tenha sido encontrada, os pesquisadores eliminaram duas teorias possíveis de como ela se comporta e colocaram um novo limite em seu tamanho. [As 10 coisas mais estranhas do espaço]

Um universo borbulhante

O universo que percebemos é feito de três dimensões de espaço e outra dimensão de tempo, que juntas formam um único tecido que Albert Einstein dublado 'espaço-tempo.' Para coisas como pessoas, planetas, estrelas e qualquer coisa maior que um átomo, o espaço-tempo é suave. Objetos grandes se movem como um carro passando por uma estrada recém-pavimentada.

Em contraste, em escalas muito, muito (muito, muito) pequenas, o universo pode ser borbulhante, espumoso e em constante mudança. Esta é uma característica teórica do universo conhecida como espuma quântica.

'Uma maneira de pensar na espuma do espaço-tempo é se você estiver voando sobre o oceano em [um] avião, ela parece completamente lisa', disse Eric Perlman, professor de física e ciências espaciais do Instituto de Tecnologia da Flórida e autor principal em a nova pesquisa, em um comunicado do Centro de Raios-X Chandra. 'No entanto, se você descer o suficiente, verá as ondas, e mais perto ainda, espuma, com pequenas bolhas que estão constantemente flutuando.'

Um barco viajando sobre a superfície do oceano não experimentaria nenhum efeito mensurável da espuma, mas objetos muito pequenos sim. A nova pesquisa de Perlman e seus colegas foi uma tentativa de observar os efeitos da espuma quântica nas partículas de luz.

Imagem de distorção

As saliências e bolhas criadas pela espuma quântica não são obstáculos no caminho de um fóton; eles estão mudanças na estrutura da realidade pelos quais os fótons se movem. Se a espuma quântica não existir, então dois fótons saindo do ponto A podem essencialmente percorrer o mesmo caminho suave para o ponto B. Mas se a espuma quântica existe e está causando mudanças constantes na estrutura da realidade, então os dois fótons, cada um, efetivamente percorrer um caminho ligeiramente diferente entre esses dois pontos, disse Perlman em uma entrevista à Space.com.

Alguns modelos de espuma quântica sugerem que esse efeito faria com que os fótons ficassem defasados ​​uns com os outros, e isso poderia distorcer a aparência dos objetos no espaço para os observadores na Terra.

'Assim como se você estivesse tentando ouvir um som feito por alto-falantes que estão fora de fase, você obtém ruído', disse Perlman em uma entrevista ao Space.com.

Perlman e seus colegas procuraram evidências dessas distorções em observações de muito galáxias distantes chamadas quasares (alguns dos modelos de espuma quântica também prevêem que os efeitos se tornarão mais pronunciados em distâncias mais longas). Esses quasares também são alguns dos objetos mais brilhantes do universo. No centro de um quasar está um buraco negro supermassivo, rodeado por uma enorme quantidade de gás, poeira e outras matérias. Conforme a matéria é puxada para o buraco negro, ela irradia luz suficiente para ofuscar todas as estrelas que vivem na galáxia .

A equipe construiu simulações de computador que mostraram como a espuma quântica afetaria as observações de quasares por telescópios na Terra. Eles então compararam essas projeções com imagens reais de três poderosos telescópios: o Observatório de raios-X Chandra , o Fermi Gamma-ray Space Telescope e o Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

As imagens observadas pelos telescópios não mostraram o tipo de distorção ou desfoque antecipado por dois modelos de espuma quântica que os pesquisadores testaram. Eles dizem que isso indica que os modelos estão incorretos.

'Os dados do Chandra excluem especificamente um modelo que já pensávamos estar com problemas - [chamado de] modelo de passeio aleatório', disse Perlman. 'Os dados de Fermi e VERITAS excluem outro modelo que não pensávamos estar com problemas e que é um modelo que tem sido chamado de modelo holográfico.' [ O Universo é um holograma 2D? O experimento visa descobrir ]

Portanto, o espaço-tempo parece ser suave, pelo menos em escalas maiores que um milésimo do diâmetro de um próton, os novos resultados mostram (embora a maioria dos modelos preveja que a espuma quântica opera em escalas muito menores).

Ainda existe um modelo de espuma quântica de pé. Este modelo prevê que os efeitos de distorção não serão amplificados em longas distâncias, o que significa que olhar para quasares distantes não ajudará os cientistas a encontrar evidências de espuma quântica. No momento, este parece ser o único modelo que se sustenta, Perlman escreveu em um postagem do blog para o site do Observatório de raios-X Chandra.

As observações de quasares distantes em raios-X do Chandra (seis imagens principais) e telescópios de raios gama estão ajudando os cientistas a testar a natureza do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas. A ilustração deste artista (embaixo) mostra como a estrutura espumosa do espaço-tempo pode aparecer, mostrando pequenas bolhas quatrilhões de vezes menores que o núcleo de um átomo que estão constantemente flutuando e duram apenas frações infinitesimais de segundo.

As observações de quasares distantes em raios-X do Chandra (seis imagens principais) e telescópios de raios gama estão ajudando os cientistas a testar a natureza do espaço-tempo em escalas extremamente pequenas. A ilustração deste artista (embaixo) mostra como a estrutura espumosa do espaço-tempo pode aparecer, mostrando pequenas bolhas quatrilhões de vezes menores que o núcleo de um átomo que estão constantemente flutuando e duram apenas frações infinitesimais de segundo.(Crédito da imagem: Chandra X-ray Observatory ACIS Image)

Combinando grande e pequeno

Giovanni Amelino-Camelia, um físico teórico da Universidade Sapienza de Roma, disse em um e-mail que trabalhar para limitar a espuma quântica é 'extremamente importante' e que Perlman e seus colegas são 'um grupo muito forte, por cujo trabalho eu tenha alta consideração. '

No entanto, ele também adverte que, devido a várias limitações, os modelos usados ​​em estudos que lidam com espuma quântica são 'brutos' e, portanto, os resultados devem ser 'interpretados com muito cuidado'. (Isso inclui seu próprio trabalho com espuma quântica, disse ele.)

A espuma quântica surgiu da tentativa de resolver um dos maiores mistérios da física moderna: como unir a relatividade geral (a teoria da gravidade) e a mecânica quântica.

“Tanto a mecânica quântica quanto a relatividade geral tiveram um enorme sucesso. Eles são dois dos maiores sucessos que a física moderna teve no século passado, 'disse Perlman. “E, no entanto, por algum motivo que não entendemos, quando você tenta escrever gravidade na linguagem da mecânica quântica, é muito difícil. Até agora não foi feito. '

A espuma quântica pode ser uma das peças que faltam no quebra-cabeça - a única coisa que reúne o grande (gravidade) e o pequeno (quantum). Mas atualmente não está claro como os cientistas podem provar a existência de uma característica tão incrivelmente minúscula do universo.

Siga Calla Cofield @callacofield . Siga-nos @Spacedotcom , Facebook e Google+ . Artigo original sobre Space.com .