Gustav Holst - The Planets

Ouça a suíte orquestral "The Planets" composta por Gustav Holst.

RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO

Fonte: NASA/WMAP

Você sabia que o Universo é banhado por uma radiação? A chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM) que preenche  todo o universo é uma das grandes pedras de toque da teoria do Big Bang. Essa radiação foi emitida nos primórdios do universo, quando o mesmo era por demais quente e denso. 

O que é a Radiação Cósmica de Fundo?

Fonte: ESA and the Planck Collaboration

Produzida aproximadamente quando o Universo tinha 380 mil anos de idade, a RCFM é a radiação térmica - com temperatura de aproximadamente 2,73 kelvins -, oriunda dos primórdios do Universo. Essa radiação relíquia preenche, de forma quase uniforme, todo o Universo e tem um espectro de um corpo negro. Sua origem data da época cosmológica chamada "Recombinação". A Recombinação marca a história do Cosmos quando os fótons foram capazes de viajar livremente. À medida em que o Universo foi esfriando devido à expansão, os núcleos e elétrons juntaram-se para formar os primeiros átomos.  Antes da Recombinação, os fótons colidiam constantemente com os elétrons livres e eram espalhados, uma vez que o hidrogênio ainda não tinha sido produzido. Após a Recombinação, o Universo tornou-se transparente para os fótons, pois eles desacoplaram do plasma quente que constituía o Universo infante. Os fótons emitidos dessa época formam a RCFM.

A RCFM foi prevista teoricamente por George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman. Demonstraram que, devido à expansão cósmica, uma radiação em micro-ondas aproximadamente na temperatura de 5 kelvins preenchia de forma uniforme o Universo. O trabalho de Alpher e Herman sobre a "Nucleossíntese Primordial" foi essencial para a conclusão de que uma radiação relíquia estava presente no Universo atual. 

Descoberta da Radiação Cósmica de Fundo

Fonte: ROGER RESSMEYER / CORBIS

Em 1965, a radiação cósmica de fundo foi descoberta, acidentalmente, pelos radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson dos laboratórios Bell nos Estados Unidos. A dupla de radioastrônomos utilizava uma antena, com o intuito de estudar a radiação emitida por radiogaláxias, mas um ruído persistente vindo de todas as partes não cessava. Tentaram de variadas formas eliminar as fontes do ruído, todavia o esforço foi em vão. Penzias e  Wilson até removeram um casal de pombos que tomou a antena como abrigo. Ao analisarem o ruído de micro-ondas, eles constataram que a fonte de interferência não tinha origem nem urbana e nem de fontes galáticas de dentro ou fora da Via Láctea. 

Felizmente, o grupo formado por Robert Dicke, Jim Pebbles, P. G. Roll e Dave Wilkinson planejavam a construção de uma antena para detectar a radiação cósmica de fundo. Durante o projeto da antena, Dicke foi informado sobre a detecção de Penzias e Wilson. Após o encontro dos dois grupos, ficou constatado que o ruído detectado era exatamente a RCFM. Imediatamente, Penzias e Wilson escreveram um artigo sobre a detecção experimental da RCFM, enquanto Dicke e colaboradores escreveram um outro artigo interpretando os dados coletados pela dupla de radioastrônomos.  Em 1978, Penzias e Wilson foram agraciados com o prêmio Nobel pela detecção da RCFM.

Referências

[1] What is the cosmic microwave background radiation?

[2]  Cosmic Microwave Background: Remnant of the Big Bang

[3] Cosmic Background Radiation

[4]  The Cosmological Background Radiation

ENERGIA ESCURA

NASA/WMAP

Um dos grandes mistérios da Cosmologia Moderna é a Energia Escura. Muitos cosmólogos têm procurado desvendar a verdadeira identidade dessa energia que compreende 74% da energia total do Universo.  Por outro lado, a matéria bariônica compreende aproximadamente 4%, enquanto a Matéria Escura dá conta de quase 22% do conteúdo de energia-matéria do nosso Universo. Tanto a Energia Escura quanto a Matéria Escura, são de natureza desconhecida. Então, quase 96% do conteúdo energético do Cosmos é de natureza totalmente desconhecida.

O que é a Energia Escura?

Dentro da teoria cosmológica mais aceita atualmente, a Energia Escura é a responsável direta pela expansão acelerada do Universo. Sabe-se que a Energia Escura é inferida apenas por observações astronômicas através de seus efeitos gravitacionais. A Energia Escura apresenta pressão negativa, ao contrário da matéria bariônica, uma vez que a "Dark Energy" contrabalança o efeito atrativo da gravidade, pois essa componente exótica - responsável pela expansão acelerada  - atua como antigravidade, isto é, como gravidade repulsiva. 

Expansão Acelerada do Universo

NASA / CXC / U.TEXAS

A observação de supernovas do tipo Ia levou dois grupos de astrônomos a concluir que o universo está expandindo de forma acelerada. O grupo (Supernova Cosmology Project) liderado pelos americanos Saul Perlmutter e Adam Riess, e o grupo australiano  (High Z supernova Search Team), tendo à frente Brian Schmidt, realizaram independentemente uma das descobertas mais importantes da Cosmologia Moderna. Ao observarem as supernovas tipo Ia, consideradas como vela-padrão pelos astrônomos, os grupos de pesquisa inferiram que galáxias distantes estão se afastando uma das outras aceleradamente. Dado que a força gravitacional tem caráter atrativo, como o Universo está se expandindo de maneira acelerada? Quem é o agente físico responsável pela expansão acelerada do Universo? Grande parte da comunidade científica acredita que a Energia Escura seja a  entidade física responsável pela expansão acelerada do Cosmos.

Em 2011, Perlmutter, Riess e Schmidt - responsáveis pela descoberta da expansão acelerada do Universo - foram agraciados com o prêmio Nobel de Física. Os grupos astronômicos independentes, comandados por eles, usaram nas medições a hipótese da luminosidade absoluta bem definida das supernovas tipo Ia, que são originadas da explosão de estrelas anãs brancas. Tais supernovas são consideradas como "réguas cósmicas" na medição de distâncias extragaláticas.  

Constante Cosmológica

Shutterstock/R.T. Wohlstadter

Muitos cosmólogos interpretam, baseados em Teorias Quânticas de Campo,  a Energia Escura como a energia associada ao vácuo. Com efeito, a constante cosmológica Λ, introduzida por Albert Einstein em seu modelo estático do Universo, faz um papel crucial no modelo mais aceito da cosmologia atualmente: o modelo ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter). De fato, Einstein introduziu o termo constante Λ, nas suas equações de campo, de modo a evitar o colapso gravitacional no seu modelo teórico de universo, uma vez que ele tinha a crença num Universo estático. Todavia, deve-se pontuar que o papel da constante cosmológica dentro do modelo ΛCDM é totalmente diferente da  forma utilizada por Einstein. Após a descoberta da expansão do Universo por Edwin Hubble em 1929, Einstein abandonou a constante cosmológica e afirmou que a introdução dessa constante foi o maior erro de sua vida acadêmica. Acreditava-se assim, a partir da descoberta de Hubble, que o Universo se expandia de forma desacelerada, uma vez que a força gravitacional é atrativa, ou seja, a matéria presente no Universo tende a se agrupar.

Nesse contexto, a reintrodução de Λ no cenário cosmológico, para explicar a expansão acelerada, trouxe uma solução alternativa sobre a identidade da Energia Escura. No entanto, o problema do ajuste fino no valor da constante cosmológica é um dos maiores desafios da Cosmologia Moderna. Qual a teoria que explicará naturalmente o ajuste fino no valor de Lambda? Por que o valor observacional de Λ é extremamente pequeno, enquanto que o valor teórico é 120 ordens de grandeza maior? A enorme discrepância entre o valor da constante cosmológica previsto teoricamente e o valor obtido por observações é, sem sombra de dúvidas, um problema de primeira grandeza. Quem será o próximo Einstein a resolver esse enigma?

Referências

[1] What is Dark Energy?

[2] The Dark Energy Survey

[3] Blinded by Dark (Energy)

[4] Brian Schmidt: O Enigma da Energia Escura

LENTES GRAVITACIONAIS

ESA/Hubble & NASA 

Quando astrônomos observam galáxias longínquas, pode ocorrer a formação de múltiplas imagens de uma determinada galáxia. O efeito de formação de imagens múltiplas é decorrente do fenômeno de Lentes Gravitacionais, previsto pelo físico russo Orest Chwolson em 1924. No entanto, o fenômeno ganhou impulso após a publicação de um artigo de Albert Einstein em 1930. 

O Que São As Lentes Gravitacionais?

Lente gravitacional é um efeito óptico que ocorre devido à distorção gravitacional do espaço-tempo por objetos cósmicos bastantes massivos localizados entre um observador e o objeto observado. Como se sabe, a Relatividade Geral prevê que corpos muito massivos, como o Sol, distorcem o espaço-tempo quadridimensional. Quando a luz passa próximo de tais corpos, ela é levemente desviada. Notadamente, a deflexão da luz pelo campo gravitacional é uma das grandes previsões da Relatividade Geral e também um dos testes clássicos da teoria gravitacional de Einstein. A comprovação experimental do efeito de deflexão da luz deu-se em 1919 a partir de um Eclipse Solar, observado por uma equipe de astrônomos ingleses, sob a chefia de Arthur Eddington, em Sobral no Ceará e na Ilha de Príncipe na África.

Primeira Detecção

A primeira detecção do efeito de lentes gravitacionais foi realizada por Dennis Walsh, Robert Caswell e Ray Weymann em 1979 ao observarem imagens duplas de um quasar distante, que sofreu lenteamento de uma galáxia bastante massiva.

Lentes Gravitacionais Fortes

Quando há um alinhamento perfeito entre observador, a fonte emissora de luz e a lente, diz-se que ocorre lenteamento gravitacional forte, no qual podem formar os chamados anéis de Chwolson-Einstein, arcos ou múltiplas imagens.

ESA/Hubble & NASA 

Os arcos formam-se devido à distorção da imagem de uma galáxia que sofreu lenteamento forte, enquanto os anéis de Chwolson-Einstein formam-se quando um fonte de luz pontual e uma lente gravitacional estão alinhados. Como consequência do alinhamento, uma imagem de um círculo é formada com grande aumento.

ESA/Hubble & NASA 

A cruz de Einstein é extremamente rara de observar e uma das mais belas imagens formadas pelas lentes gravitacionais fortes. Na imagem acima, observa-se quatro imagens de um quasar distante que se formam quando uma galáxia desvia os raios luminosos emitidos pelo objeto cósmico quase-estelar.

Lentes Gravitacionais Fracas

A ocorrência de lentes gravitacionais fracas ocasiona pequenas distorções e diminuição do brilho da fonte. Decorrendo do alinhamento imperfeito entre observador, a lente e a fonte, as lentes gravitacionais fracas provocam uma pequena magnificação do brilho do objeto observado.

Lentes Gravitacionais na Astrofísica e Cosmologia

SCIENCE PHOTO LIBRARY / GETTY IMAGES

Uma das principais ferramentas para medir as massas de galáxias é o lenteamento gravitacional, já que pode ser usada como uma "balança" para quantificar tanto a matéria bariônica como a matéria escura. Sua importância consiste na sensibilidade na medida de matéria total contida numa galáxia, uma vez que a partir do mapeamento da matéria visível, é possível inferir a quantidade de matéria escura. Vale ainda destacar que as lentes gravitacionais - que servem como "lupas cósmicas" - são ferramentas poderosas para astrônomos e astrofísicos na procura por galáxias distantes e exoplanetas. Na cosmologia, as lentes gravitacionais são úteis, por exemplo, na determinação da constante de Hubble, que representa a taxa na qual o Universo está se expandindo.

Referências

[1] The Marvel of Gravitational Lensing.

[2] What is Gravitational Lensing?

[3] Lupas Cósmicas.

[4] O Universo Visto pelas Lentes Gravitacionais.

[5] A Brief History of Gravitational Lensing.

ONDAS GRAVITACIONAIS

                                                Concepção artística da geração de ondas gravitacionais. Crédito: R. Hurt/Caltech-JPL

Com a confirmação experimental da existência de ondas gravitacionais,  uma nova forma de "enxergar" o Universo abre-se para a Astronomia Observacional. De maneira excepcional, as ondas gravitacionais foram previstas teoricamente por Albert Einstein em 1916 a partir de sua Teoria da Relatividade Geral (TRG). Mesmo Einstein duvidou de uma possível detecção de ondas gravitacionais, devido à pequeníssima intensidade de tais ondas ao se propagarem, no tecido do espaço-tempo, da fonte até a Terra. 

O que são as ondas gravitacionais?

Ondas gravitacionais são perturbações que se propagam à velocidade da luz  no tecido espaço-temporal, provocadas por objetos supermassivos ou superdensos como, por exemplo, buracos negros e pulsares. Quando as ondas gravitacionais se propagam por uma determinada região do Universo, elas distorcem/perturbam o espaço-tempo. Objetos astrofísicos (ultra-densos como estrelas de nêutrons) acelerados no espaço-tempo geram ondas gravitacionais, assim como uma carga elétrica acelerada gera ondas eletromagnéticas.

A forma mais simples de obter teoricamente as ondas gravitacionais - dentro da TRG de Einstein - é a partir da linearização da teoria. Para isso, deve-se expandir as equações de campo de Einstein nas vizinhanças da métrica de Minkowski. (Para mais detalhes, acesse o artigo).

Fontes Astrofísicas de Ondas Gravitacionais

Há várias fontes astrofísicas que podem gerar ondas gravitacionais. As estrelas de nêutrons com forma assimétrica, cujos períodos de rotação sejam constantes, produzem as chamadas ondas gravitacionais contínuas. Previsões teóricas da TRG atestam que fontes assimétricas podem gerar OG contínuas fracas com frequência bem definida.

Por outro lado, ondas gravitacionais geradas por objetos compactos espiralantes, como sistemas binários formados por estrelas de nêutrons, por buracos negros ou por um buraco negro e uma estrela de nêutrons, são fontes com maior possibilidade para a detecção de OG, uma vez que a frequência das OG aumenta à medida que os dois objetos se aproximam para a fusão.

                                      Concepção artística da Fusão de Buracos Negros. Crédito:SXS Collaboration

Vindo de todas as direções do Universo, as ondas gravitacionais estocásticas são produzidas por fontes aleatórias no Universo. Acredita-se que parte dessas ondas foram geradas após o Big Bang, por isso essas ondas gravitacionais relíquias estão vagando por todo Universo. Há pouca crença em detectá-las diretamente num futuro próximo, já que são OG de pequeníssimas intensidades. (Leia mais sobre este assunto na seção "Ondas Gravitacionais Primordiais")

Além disso, há as ondas gravitacionais originadas de explosões de raio gama e supernovas. Sabe-se que as explosões de raios gama - um dos eventos mais energéticos no Universo - emitem grande quantidade de energia, sendo um potencial emissor de ondas gravitacionais. No entanto, essas explosões são raras e difíceis de prever, pois ocorrem de forma inesperada no Universo.

Em relação à polarização das ondas gravitacionais, elas apresentam, dentro da RG, dois tipos: polarização "+" e polarização "x". As ondas gravitacionais previstas pela TRG são transversais. A importância das polarizações está relacionada à obtenção de informações fundamentais sobre a fonte emissora de OG.

O Pulsar binário de Hulse e Taylor

                                                  Concepção artística de binário pulsar. Crédito: CSIRO / John Rowe Animation

A partir da observação de emissão de ondas de rádio por um sistema binário, os astrofísicos Joseph Taylor e Russell Hulse em 1974 confirmaram indiretamente a existência de ondas gravitacionais. A observação seminal da dupla de pesquisadores verificou a predição da perda de energia por ondas gravitacionais descrita pela teoria da Relatividade Geral.

                                                           Radiotelescópio de Arecibo. Crédito: Sygic Travel

Os pesquisadores americanos utilizaram o radiotelescópio de Arecibo (em Porto Rico) para observar e medir o período orbital de um pulsar ao redor de sua companheira estelar (uma estrela de nêutrons). Exatamente, a Relatividade Geral prediz que o pulsar espirala perdendo energia de acordo com a emissão de ondas gravitacionais, que acarreta a diminuição sistemática do período orbital do sistema. O pulsar binário de Hulse-Taylor serviu como um "laboratório cósmico" ideal para testar a teoria do espaço-tempo de Einstein, quando sistemas físicos estão submetidos a campos gravitacionais muito fortes.

Detecção das Ondas Gravitacionais

                                                           Vista aérea do interferômetro LIGO em Hanford, Louisiana. Crédito: LIGO

A detecção direta das ondas gravitacionais pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), em 15 de setembro de 2015, foi uma das maiores descobertas científicas do século XXI, ao lado da descoberta do bóson de Higgs pelo LHC. As ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO foram produzidas a 1,3 bilhões de anos-luz da Terra pela colisão de dois buracos negros. Um dos buracos negros tinha 36 vezes a massa do Sol, enquanto o outro tinha 29 vezes a massa solar. A fusão resultante dos buracos negros gerou um buraco negro com 62 vezes a massa do nosso astro-rei. O equivalente a 3 massas solares foram irradiadas, em forma de energia, por ondas gravitacionais pela colisão cósmica.

                                                                     Simulação da colisão de buracos negros. Crédito: Max Plack Institut

Os dois interferômetros idênticos instalados, um em Louisiana e outro em Washington, detectaram quase simultaneamente o sinal das ondas gravitacionais. O LIGO foi construído com braços, no formato de "L", medindo 4 km cada um. Os interferômetros foram planejados como os mais sensíveis e precisos experimentos já elaborados na busca pelas OG. Com o objetivo de detectar OG originadas de eventos cósmicos cataclísmicos, o LIGO é baseado na interferometria a laser, no qual feixes de luz laser extremamente coerentes se propagam em cada braço, onde sofrem reflexão em espelhos refletores na extremidade. Quando OG interagem com o detector, o comprimento dos braços é alterado, ou seja, eles são esticados e comprimidos levemente comparativamente a uma fração do diâmetro de um núcleo atômico. Diante da mudança no comprimento dos braços do interferômetro, o percurso dos feixes também se altera, ocasionando uma diferença de fase. Esta diferença produz um padrão de interferência, que confirma a passagem das OG pelo detector.

Uma boa razão para haver interferômetros gêmeos é que a distinção de sinais verdadeiros de OG pode ser diferenciada de sinais de ruído provocado por efeitos ambientais ou instrumentais. Qualquer sinal que imite a passagem de ondas gravitacionais por um detector, pode ser precisamente descartado pelo outro detector, isto é, o falso alarme da detecção é prontamente reconhecido como tal. Além disso, um sinal verdadeiro de OG em um detector será captado pelo outro após 10 milissegundos.   

                                                 Sinais detectados pelo LIGO. Crédito: SXS 

Já foram confirmadas três detecções de OG pelo LIGO: a segunda ocorreu em dezembro de 2015 e a terceira em janeiro de 2016. Todas as detecções estão relacionadas com fusão de buracos negros, que confirma - sem sombra de dúvida - a existência de buracos negros estelares.

Ondas Gravitacionais Primordiais

Para uma melhor compreensão do início do Universo, a detecção das ondas gravitacionais primordiais (OGP) - oriundas da época inflacionária - trarão meios viáveis de testar (e descartar) inúmeros modelos cosmológicos. Num futuro próximo, através do experimento LISA (Laser Interferometer Space Antenna) -  o observatório espacial de ondas gravitacionais -, pesquisadores planejam detectar as OGP e dar provas da ocorrência da inflação cosmológica. [Para mais detalhes, acesse o link].

Vale pontuar que a detecção das OGP darão um estímulo para o entendimento da gravidade quântica, uma vez que essas ondas se originam da época do Universo (quente e denso), em que efeitos quânticos tiveram um papel relevante.

Uma nova era para a Astronomia

Em resumo: ondas gravitacionais foram confirmadas experimentalmente de forma direta pelo experimento LIGO. Além disso, o LIGO deu evidência direta para a existência de buracos negros.  Diante disso, abre-se uma nova janela para a compreensão do Universo em que vivemos, uma vez que as ondas gravitacionais se propagam interagindo pouquíssimo com a matéria, diferentemente do caso das ondas eletromagnéticas. Desta forma, a astronomia em ondas gravitacionais permitirá aos astrônomos, astrofísicos e cosmólogos acesso aos segredos do Cosmos que estão ocultos. 

Referências

[1] Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

[2] Introduction to LIGO & Gravitational Waves.

[3] Ondas Gravitacionais, ou Uma Distorção no Espaço-tempo.

[4] What is a Gravitational Wave?

[5] Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves. 

BURACOS DE MINHOCA

                                                                              JURIK PETER/SHUTTERSTOCK

Imagine-se viajando para regiões longínquas do Universo, ou mesmo viajando para um futuro distante, através de buracos de minhoca. Para escritores de ficção científica, os buracos de minhoca são um prato cheio para aventuras grandiosas pelo espaço-tempo. O astrofísico, cosmólogo e escritor Carl Sagan utilizou buracos de minhoca, para viagens cósmicas, em seu romance "Contato". Mais recentemente, o filme de ficção científica "Interestelar" (de Christoffer Nolan) mostrou viagens intergaláticas através de um buraco de minhoca.

Teoricamente, os buracos de minhoca surgiram, de forma primitiva, em 1916 com o trabalho do físico alemão Ludwig Flamm. Este observou, ao analisar a solução exata de Schwarzschild, que as equações do campo gravitacional de Einstein possibilitavam uma solução que apresentava comportamento físico de forma contrária a um buraco negro. A solução encontrada por Flamm era um buraco branco, como veio a se chamar, pois ejetava luz e matéria de seu horizonte de eventos. Apesar de previstos teoricamente, os buracos brancos ainda não tem existência comprovada, ao contrário de buracos negros, que não têm nenhuma dúvida sobre suas existências. De fato, Flamm observou que as duas soluções matemáticas (para buraco negro e buraco branco) eram conectadas por uma "ponte". Na terminologia moderna, as investigações teóricas de Flamm não podem ser consideradas como buracos de minhoca, no entanto, foi um primeiro passo para o conceito de atalhos espaço-temporais. O termo "buraco de minhoca", assim como "buraco negro", foi cunhado pelo físico americano John Wheeler em 1957, num artigo em parceria com Charles Misner.

                                                                             STOCKERNUMBER2/SHUTTERSTOCK

O que são buracos de minhoca?

Buracos de minhoca são hipotéticos túneis no tecido do espaço-tempo, previstos pela teoria da Relatividade Geral de Einstein. Podem ser considerados atalhos cósmicos para regiões remotas do Universo. Há vários tipos de buracos de minhoca descritos na literatura científica, entre eles há as pontes de Einstein-Rosen, que foram tratadas teoricamente em 1935 pelo físico alemão Albert Einstein e pelo seu colaborador Nathan Rosen no Instituto de Estudos Avançados de Princeton. Tecnicamente, as pontes de Einstein-Rosen conectam duas regiões diferentes do espaço-tempo, tal como uma ponte ligando duas regiões distantes de uma cidade. De fato, Einstein e Rosen consideraram duas folhas assintoticamente planas conectadas por um túnel no espaço-tempo. Apesar do fato que o objetivo de Einstein e Rosen era estabelecer uma descrição para partícula elementar livre de singularidades, o trabalho deles é um pontapé inicial no estabelecimento do conceito de buracos de minhoca. Na verdade, as pontes de Einstein-Rosen podem ser consideradas como pré-buracos de minhoca, na acepção moderna do termo. Vale mencionar que o matemático Herman Weyl em 1924 tratou de objetos similares a buracos de minhoca num contexto envolvendo topologia e eletromagnetismo.

                                                                                                 AllenMcC

Trabalhos posteriores, elaborados por John Wheeler e Robert Fuller, mostraram que as pontes de Einstein-Rosen são estruturas extremamente instáveis. Mesmo para um fóton, a travessia seria impossível, uma vez que os buracos de minhoca se fechariam quase instantaneamente. Para estabilizar os buracos de minhoca, conforme o trabalho teórico de Kip Thorne, Michael Morris e Ulvi Yurtsever [vide artigo], é necessário o uso de matéria exótica, tal como matéria que apresente densidade de energia negativa, de modo que a antigravidade atue contra o campo gravitacional intenso na garganta do buraco de minhoca, para que este seja transponível ou atravessável. Nesse artigo, cujo título é Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition, Thorne e colaboradores argumentaram que uma civilização avançada com conhecimento tecnológico, além da capacidade atual da humanidade, pode criar e manter buracos de minhoca para realizar viagens interestelares. Além disso, Thorn et al discutiram a possibilidade de buracos de minhoca serem transformados em máquinas do tempo, dando alento ao sonho do escritor de ficção científica H. G. Wells.

Para alguns físicos, entre eles, o físico neozelandês Matt Visser, os buracos de minhoca, classificados como inter-universos, podem conectar dois universos diferentes, enquanto os buracos de minhoca intra-universos conectam duas regiões diferentes no mesmo Universo. Quando os buracos de minhoca são formados por um buraco negro e um buraco branco, eles são denominados buracos de minhoca lorentzianos, ou de Schwardzchild. Ainda: Visser, no seu livro Lorentzian Wormholes, pontua muito bem a diferença entre buracos de minhoca lorentzianos transponíveis (macroscópicos) e buracos de minhoca lorentzianos quânticos (microscópicos). Adicionalmente, aborda em menor grau os buracos de minhoca euclidianos (instantons gravitacionais).

Viagens no Tempo

As viagens no tempo, dentro da Relatividade Geral, começaram matemática e teoricamente com W. J. van Stockum em 1937. Em seguida, em 1949 o matemático Kurt Gödel tratou viagens no tempo num universo em rotação. Será que viagens para o passado ou para o futuro são, de fato, possíveis? Na ficção científica, viagens no tempo são comuns.

Nos anos 1980,  estimulado por um desafio de Carl Sagan, Kip Thorne considerou viagens no espaço-tempo através de um buraco de minhoca. De fato, Kip foi indagado por Sagan sobre essa possibilidade, porque Sagan queria utilizar a viagem no espaço-tempo através de um buraco de minhoca em seu aclamado romance "Contato", que foi transposto para o cinema, tendo Jodie Foster como atriz principal. Foster faz o papel da radio-astrônoma Ellie Arroway, que trabalha num projeto de procura por inteligências extraterrestres. Com a decodificação de sinais extraterrestres vindo da direção da estrela Vega, constrói-se uma máquina, que é capaz de cruzar o espaço-tempo através de um "túnel cósmico". Vale a pena assistir "Contato" e se deliciar com a possibilidade de viagem intergalática! Com certeza, a partir do desafio de Sagan, Thorne ressuscitou o interesse da comunidade científica em relação aos buracos de minhoca, que foram tratados mais seriamente desde então.

As viagens no tempo são sustentadas pela Relatividade Geral a partir de curvas fechadas do tipo-tempo. Por isso, muitos físicos consideram que buracos de minhoca transponíveis podem ser utilizados para viagem através do tempo e do espaço. Para um buraco de minhoca tornar-se transponível, condições de energia devem ser contornadas, uma vez que um buraco de minhoca evapora em um tempo curtíssimo. As condições de energia requerem matéria exótica, como já citado, para manter os buracos de minhoca estáveis, possibilitando assim o translado de um viajante. Sabe-se que alguns sistemas físicos podem burlar as condições de energia, tal como um campo escalar acoplado à gravidade. Para uma viagem amena, as forças de maré gravitacional na garganta devem ser fracas, de modo que o viajante não seja estraçalhado. Além disso, energia negativa em nível macroscópico é necessária, mas existe dúvida a esse respeito. Mas, energia negativa em nível microscópico não é impossível. Por exemplo, densidade de energia negativa pode ser obtida via efeito Casimir. No entanto, ainda assim, há fortes dúvidas quanto à possibilidade de manter buracos de minhoca transponíveis macroscópicos com matéria exótica.

                                                                 Blue Phoenix

Alguns físicos, como Michio Kaku, acreditam - suportados por teorias - que buracos de minhoca sejam formados realmente por um buraco negro e um buraco branco. Nesta concepção, o buraco negro serve como uma porta de entrada e o buraco branco como porta de saída. Além disso, para Kaku, esses buracos de minhoca poderiam atuar como máquinas do tempo, levando seres humanos para o futuro distante, até para o passado, mas viagens para o passado quebram a causalidade e geram inúmeros paradoxos. Por isso, Stephen Hawking criou a Conjectura da Proteção Cronológica que descarta viagens para o passado. Uma possibilidade também de viagens através de buracos de minhoca é que os viajantes poderiam chegar em universos paralelos ou acessar dimensões extras. Atualmente, tudo isso não passa de hipóteses, mas algum dia máquinas do tempo viajando através de buracos de minhoca  podem se tornar realidade. Enquanto os buracos de minhoca não forem descartados experimental e matematicamente, eles povoarão ainda por muito tempo a mente de grandes físicos.

Nosso Universo vive dentro de um Buraco de Minhoca

Há estudos teóricos que apontam que nosso Universo vive no interior de um buraco de minhoca. Conforme o estudo, tal buraco de minhoca foi criado, noutro universo, a partir do colapso de uma estrela gigante. No interior deste buraco de minhoca, nosso Universo surgiu no Big Bang e atualmente está em expansão acelerada.

Neste cenário, Energia Escura não é necessária para explicar a expansão acelerada, uma vez que o nosso Universo está acelerando no sentido da saída do buraco de minhoca. Apesar deste cenário ser teoricamente possível, várias perguntas surgem a respeito da criação do buraco de minhoca e de sua instabilidade. Será que esse buraco de minhoca utiliza qual tipo de matéria exótica para se manter estável? [Saiba mais aqui]

Considerações Finais

Apesar dos buracos de minhoca não terem ainda confirmação experimental, esses hipotéticos atalhos cósmicos são uma fonte de teste para a relatividade geral, a saber: é importante fonte de estudos de singularidades e condições de energia. 

Além da Relatividade Geral, os buracos de minhoca são previstos por teorias alternativas para a gravidade, como: Teoria de Brans-Dicke, Gravidade com Dilaton, Gravidade com Torção, etc. Para os físicos russos, Novikov, Kardashev e Shatskiy, objetos astrofísicos, como núcleos galáticos ativos  e quasares, podem ser portas de saída dos buracos de minhoca. Acredita-se que buracos de minhoca primordiais foram objetos cósmicos importantes no início do Universo, sendo que diferentes regiões do Universo estiveram em contato térmico conectados via buracos de minhoca, resolvendo assim o conhecido Problema do Horizonte [vide o artigo]. Buracos de minhoca primordiais da ordem do tamanho do comprimento de Planck podem ter se tornado macroscópicos na era inflacionária, quando o Universo passou por uma rápida expansão nos instantes iniciais de sua criação. Na teoria do Multiverso, buracos de minhoca fazem um papel essencial, uma vez que eles conectariam diferentes universos. Muitas respostas acerca desses "portais cósmicos" surgirão quando a gravidade quântica estiver bem entendida e confirmada experimentalmente.

Referências

[1] Wormholes, Warp Drives, and Energy Conditions.

[2] Black Holes, Wormholes, and Time Machines.

[3] The Birth of Wormholes.

[4] Wormholes, Time Travel, and Faster-Than-Speed-of-Light Theories.

[5] What is a Wormhole?

[6] Buraco Negro, Buraco Branco e Buraco de Minhoca.