Observatório do CDCC - USP/SC Setor de Astronomia (OBSERVATÓRIO) (Centro de Divulgação da Astronomia - CDA) Centro de Divulgação Científica e Cultural.

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2 Observatório do CDCC - USP/SC Setor de Astronomia (OBSERVATÓRIO) (Centro de Divulgação da Astronomia - CDA) Centro de Divulgação Científica e Cultural - CDCC Universidade de São Paulo - USP http://www.cdcc.sc.usp.br/cda Endereço: Av. Trabalhador São-carlense, n.400 São Carlos-SP Tel.: 0-xx-16-3373-9191 (Observatório) Tel.: 0-xx-16-3373-9772 (CDCC) e-mail: cda@cdcc.sc.usp.brcda@cdcc.sc.usp.br Localização: Latitude: 22° 00' 39,5"S Longitude: 47° 53' 47,5"W

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4 Sessão Astronomia As Sessões Astronomia são palestras proferidas pela equipe do Setor de Astronomia todos os sábados às 21h00. Iniciadas em 1992, foram criadas com o objetivo de falar sobre Astronomia ao nosso público em uma linguagem simples e acessível a todas as faixas etárias. Estas palestras se tornaram uma opção de diversão e informação para a comunidade local e também para visitantes de nossa cidade. Os temas abordados são os mais variados possíveis. O material multimídia contido aqui consiste numa opção audiovisual complementar que o professor do Sistema de Ensino pode utilizar como auxílio às suas aulas. O conteúdo das Sessões Astronomia pode ser acessado no seguinte endereço: http://www.cdcc.sc.usp.br/cda/sessao-astronomia/ Crédito do logo: Sessão Astronomia, CDCC-USP/SC, criado por André Fonseca da Silva

5 GLAST: EXPLORANDO OS EXTREMOS DO UNIVERSO por Luiz Henrique

6 Título : GLAST: explorando os extremos do Universo Autor : Luiz Henrique Vale Silva Data da Apresentação Prévia: Data da Apresentação: Apresentador: Luiz Henrique Vale Silva Resumo/ABSTRACT: Trataremos do GLAST, um telescópio destinado a fazer observações em raios X e raios gama, partes bastante energéticas do espectro eletromagnético, do qual faz parte também a luz pela qual vemos os objetos. Objetos de estudo do telescópio serão processos tanto teóricos quanto aqueles já conhecidos pela cumunidade científica, sem contar posssíveis surpresas que a nova tecnologia pode descobrir. Entre os processos temos desintegração de matéria escura, explosões de miniburacos negros, interação de grandes explosões ou da luz com as dimensões extras do espaço, jatos de buracos negros supermassivos, magnetares (estrelas de nêutrons supermagnetizadas) e as GRB's, exposões de raios gama.

7 GLAST A missão GLAST da NASA é uma sociedade entre a astrofísica e a física de partículas, desenvolvida em colaboração com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, juntamente com importantes contribuições de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão e Suíça; o lançamento do GLAST é presentemente planejado para não antes do que 16 de maio de 2008, na estação espacial do Cabo Canaveral, localizada na costa leste da Flórida, estado norte-americano.

8 estudar raios gama Finalidade: Raios gama são originados de processos extremamente energéticos e violentos, em escala microscópica ou macroscópica Matéria escura; Miniburacos negros; Supernovas; Buracos negros; Magnetares; GRB's.

9 Finalidade: estudar raios gama O GLAST destina-se a estudar os raios X duros (isto é, de altas energias) e os raios gama. As fontes são diversas: processos (teóricos) com matéria escura, explosões (teóricas) de buracos negros, eventos (teóricos) com supernovas, jatos de buracos negros (imagem), magnetares, GRB's, etc.; estas citadas serão vistas adiante.

10 E o que são raios gama?

11 A visão do GLAST Ondas de rádio, microondas, luz (visível), raios UV, etc. são diferentes manifestações de um mesmo fenômeno físico. Todos eles são ondas e (portanto) são caracterizadas por um comprimento (que pode ser dado em metros) ou por uma energia (usualmente dada em elétrons-volt) próprios. Uma outra manifestação são os raios gama, objeto de estudo do GLAST. Temos uma faixa de energias que ainda não foi estudada por nenhum telescópio; o GLAST irá mudar este quadro (área rosa tracejada), estudando também a mesma região (em rosa) a que o CGRO tinha acesso (em azul).

12 Instrumentação: LAT

13 Um dos instrumentos do GLAST é o LAT (Large Area Telescope), que recebe os raios gama e troca-os, através de uma das chapas de conversão, por um par partícula / anti-partícula (elétron / anti-elétron (o mesmo que pósitron)), que têm suas trajetórias registradas pelos detectores do orientador e suas energias determinadas através do calorímetro, na base do instrumento. Assim, determinam-se a direção do raio gama coletado (e a partir disto infere-se uma origem para ele) e sua energia. Diferentemente do também telescópio de raios gama EGRET, a bordo do CGRO, o GLAST determina as (que é análogo aos telescópios que usamos aqui no observatório, com a diferença de estarmos interessados, com estes de raios gama, num tipo diferente de luz, que não é visível) fontes de raios gama com precisão. O LAT é composto de dezesseis colunas unitárias, dispostas numa matriz 4x4 e a tecnologia foi originalmente desenvolvida para aceleradores de partículas. O escudo anti-coincidência previne a coleta de dados de sinais espúrios, os raios cósmicos (partículas carregadas a velocidades próximas à da luz). Um software baseado na direção de chegada elimina os raios gama de origem na atmosfera terrestre.

14 Instrumentação: GBM

15 O GBM (GLAST Burst Monitor) trabalha com raios X e raios gama de baixa energia e destina-se principalmente ao estudo das GRB (que veremos adiante). Ele é baseado em dois conjuntos de instrumentos: um que trabalha em mais baixas energias (com 12 unidades) e outro em mais altas (com 2 unidades). Os de baixa energia estão espalhados pelo instrumento, voltados para diferentes direções do espaço, e detectam sinais através da luminescência que os raios produzem em um material específico; ele estabelece a origem dos raios por um método de triangulação, isto é, a partir dos detectores que foram excitados e dos tempos em que isso ocorreu. Os de alta energia estão posicionados em lados opostos da nave, e cobrem um curto pedaço do céu. Juntos, os dois conjuntos de aparelhos do GRB mais o LAT cobrem mais de 10**7 ordens de energia (veja o slide "A visão do GLAST"), potências que vão desde (aproximadamente) 10**4 até 10**11.

16 Por que o GLAST é um telescópio espacial?

17 Note da figura que a nossa atmosfera absorve radiações gama, raios X, raios UV (atmosfera superior), a maior parte do infravermelho (no qual nós emitimos, por sermos quentes! - gases atmosféricos) e ondas de rádio de comprimento de onda grande. Nestes casos, deve-se fazer invariavelmente observações do espaço, fora da nossa atmosfera, para observar estas radiações. Para a luz visível existe certa distorção atmosférica, é em parte devido a isto que as imagens do Telescópio Espacial Hubble têm tanta qualidade. No entanto, note no slide "A visão do GLAST" uma região dos raios gama chamada "abrangência dos telescópios terrestres": isto porque os raios gama altamente energéticos produzem, ao atingir a nossa atmosfera, um efeito de chuveiro de partículas, causadas pela transformação de parte da energia dos raios em matéria.

18 O Universo aos olhos do GLAST SIMULAÇÃO!!

19 O Universo aos olhos do GLAST Se você tivesse visão de raios gama veria esta imagem na simulação do potencial do satélite GLAST (após um ano de operação, ter-se-ia estas fontes de radiação gama). A imagem é uma projeção do céu, tendo no centro o núcleo da nossa galáxia, a Via Láctea. A faixa horizontal brilhante mostra a radiação gama do disco da galáxia, revelando principalmente os raios cósmicos que forçam passagem através das moléculas do gás interestelar. A maioria dos milhares de pontos brilhantes são buracos negros supermassivos em núcleos de galáxias distantes. Além desses aspectos, podem surgir sinais de uma nova física.

20 Área de pesquisa: Matéria Escura

21 Fontes: Matéria Escura O que é matéria escura? Analisando-se a velocidade da periferia de uma galáxia ou as velocidades das galáxias de um aglomerado de galáxias, mede-se certa massa que, contudo, não condiz com a quantidade de massa esperada pela observação: haveria uma matéria "invisível" aos nossos olhos, como alguns cientistas acreditam, justamente portanto escura. A matéria escura, porém, pode não ser completamente escura, mas integrar processos de desintegração nos quais ocorreria emissão de luz. Tais processos ocorreriam entre duas partículas de matéria escura, porque ela pode ter a propriedade de ser sua própria anti- matéria, como alguns especulam. Com suas observações, o GLAST talvez possa afirmar a existência, não provada ainda (existem outras teorias), da matéria escura.

22 Há a possibilidade de detecção direta pelo GLAST

23 Detecção direta Devido aos movimentos da Terra, haveria um vento de matéria escura incidindo sobre o GLAST. Eventualmente, uma partícula de matéria se chocaria com um átomo dos instrumentos e seria rebatida. O átomo ricochetearia em outros, aquecendo o material (embora muito pouco). Também, poderia ionizar outros átomos, isto é, retirar elétrons de seus vizinhos; no processo inverso, ocorreria emissão de luz, que, após amplificação, poderia ser medida por instrumentos. Contudo, existem problemas práticos relacionados a radioatividade sempre existente (dos materiais, e no caso de detectores de solo, da própria Terra) nos materiais e aos raios cósmicos, que estão sendo combatidos e/ou driblados.

24 Área de pesquisa: Miniburacos Negros

25 Miniburacos Negros Há uma previsão teórica segundo a qual buracos negros poderiam "evaporar" de acordo com um processo que pode ser explicado de uma forma aparentemente simples: pares virtuais (isto é, sem existência "exata") de partícula e anti-partícula poderiam aparecer espontaneamente no vácuo, para em seguida se aniquilarem; contudo, nas proximidades de um buraco negro, se apenas a anti-partícula for engolida pelo buraco, a partícula poderia estar livre para fugir. Macroscopicamente, é como se o buraco negro evaporasse, perdendo energia no processo, por ter a anti-partícula energia negativa. Esse processo seria lento demais para ser significativo em buracos negros grandes, mesmo depois de muito tempo, mas como as energias das partículas emitidas são tanto maiores quanto menor o buraco, seria significativo em buracos negros pequenos, tanto mais quanto mais velhos. Como quanto maior a energia da partícula emitida mais o buraco negro diminui, o processo acabaria por fazê-lo explodir, isto é, emitir muito rapidamente muita energia. Se buracos negros pequenos o suficiente foram produzidos no início do Universo, estariam explodindo nos dias de hoje, e o GLAST terá a oportunidade de observar um processo que estabelece uma forte ligação entre a mecânica quântica e a gravidade. (SAB, jan. 2008.)

26 Área de pesquisa: Dimensões extras do espaço

27 Dimensões extras do espaço Há teorias na Física (não comprovadas) que estabelecem dimensões extras do espaço, além do tempo e das três do espaço que sentimos diretamente; também, especula-se que a gravidade seja mediada por partículas chamadas de grávitons. Talvez, uma modalidade dos grávitons possa sentir estas outras dimensões. Explosões de supernova poderiam transferir energia para esses grávitons, chamados de Kaluza-Klein, que decairiam em outras partículas, principalmente em raios gama. O GLAST fará medições com maior sensibilidade que o telescópio Egret, e certamente com maior freqüência, e no final poderá até inviabilizar as versões das teorias de dimensões extras. (SAB, jan. 2008.)

28 Área de pesquisa: Violações da Relatividade Restrita

29 Violações da Relatividade Restrita Um dos postulados da teoria da relatividade restrita é a constância da velocidade da luz no vácuo, isto é, a luz possui a mesma velocidade em todas as direções no vácuo, independente do movimento da fonte. Em algumas versões da Teoria da Gravidade Quântica (que ainda não foram bem estabelecidas), contudo, o espaço-tempo de pequena escala pode ser uma espuma e fazer com que efetivamente a velocidade da luz mude de valor. O efeito deve ser tanto mais perceptível quanto maior for a energia da luz. Para uma fonte muito distante, a pequena variação da velocidade da luz pode produzir efeitos apreciáveis quando medimos a diferença nos tempos de chegada entre dois raios de luz, ou dois fótons, as partículas de luz. É uma grande qualidade do GLAST ser capaz de detectar raios de luz de energias tão distintas, que sofrem em maior ou menor escala o efeito teorizado. A descoberta de um efeito como esse, se for comprovado que é independente da fonte, poderá fornecer uma pista fundamental para a estrutura do espaço-tempo e para a escala de interação da gravidade quântica (a escala em que ela, em desenvolvimento teórico, é perceptível). (SAB, jan. 2008.)

30 Área de pesquisa: Jatos de Buracos Negros

31 Jatos de Buracos Negros Devido a alta intensidade da gravidade de um buraco negro, ele é capaz até mesmo de destruir a coesão de uma estrela e fazê-la espiralar ao longo de um disco em direção a ele. Neste processo, o gás que compunha a estrela se aquece muito, por atrito. Em dado momento, a pressão que esse gás produz é tão alta que parte dele consegue escapar de ser engolida pelo buraco, saindo em jatos opostos, perpendicularmente ao disco de poeira produzido pelos gases da estrela destruída. Os astrofísicos acreditam que os jatos surgem ao longo do eixo de giro de um buraco negro em rotação e se alimentam da energia rotacional dele. O jato de partículas a altíssimas velocidades colide com fótons de baixa energia, acelerando-os até a radiação gama. As observações do GLAST poderão dar respostas às várias perguntas ainda existentes sobre tais jatos. Como eles permanecem tão colimados, isto é, retos e bem direcionados, por um espaço tão grande (inclusive centenas de milhares de anos- luz)? Onde a radiação gama é produzida?, etc.

32 Área de pesquisa: Magnetares

33 Magnetares Algumas estrelas são extremamente densas (cem milhões de toneladas por centímetro cúbico), constituindo as chamadas estrelas de nêutrons, nas quais a matéria interior se apresenta como nêutrons (talvez quarks também?), um dos componentes do núcleo de um átomo, em geral. Um pulsar é uma estrela de nêutrons que gira a uma altíssima velocidade, emitindo pulsos de rádio, mais freqüentemente (também poderiam ser pulsos de luz visível), a intervalos regulares. Já um magnetar é uma estrela de nêutrons com um campo magnético (como o que orienta as bússolas na Terra) extremamente alto, que sofre distorções, liberando energia, e também quebra localmente a coesão da estrela, no sentido de romper sua crosta sólida, o que também libera bastante energia. Além disso, a matéria pode ser muito acelerada por tais campos, muito mais do que qualquer de nossos aceleradores de partículas, e podem acontecer reações incomuns com partículas perto da superfície destes objetos, com emissão de raios gama.

34 Área de pesquisa: GRB's

35 GRB's GRB's são explosões de raios gama que já há um bom tempo desafiam a comunidade científica. Acontecem com freqüência e, devido à sua distribuição aleatória pelo céu, acredita-se que sejam de origem extra-galáctica. A respeito de sua natureza, do que as causam, acredita-se que dois processos estejam envolvidos: o nascimento de buracos negros através de hipernovas e a fundição de estrelas de nêutrons e/ou buracos negros. Estas diferentes origens dariam origens a GRB's distintas, com durações diferentes inclusive. As GRB's são um dos principais motivos da existência do satélite GLAST.

36 E o desconhecido...

37 Além de tudo, poderemos entrar em contato com coisas ainda totalmente desconhecidas...

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39 Bibliografia Revistas da Scientific American Brasil e Astronomy Brasil e Site oficial da missão GLAST: www.nasa.gov/glast. www.nasa.gov/glast

40 e-mail: luizvalesilva@gmail.com GLAST: explorando os extremos do Universo Por Luiz Henrique Vale Silva Monitor do CDA e aluno do curso de bacharelado em Física do IFSC - USP São Carlos, fevereiro - março de 2007.