O Design do Universo por George Smoot

Eu pensei em mudar um pouco a vossa perspectiva sobre o mundo, e mostrar-lhes algumas das formas que nós temos na natureza. Assim, o meu primeiro slide fala sobre o surgimento do universo e daquilo a que eu chamo a Cena Cósmica de Investigação, isto é, observo as relíquias da criação e daí tento inferir o que teria acontecido no início depois faço o seguimento e tento compreender todo o processo.

Assim uma das questões que vos coloco é, quando olham à vossa volta, o que vêem? Bem, vêem este espaço tal como foi criado por designers. e pelo trabalho de alguém, mas aquilo que de facto vêem é uma quantidade de matéria que já existia, e que foi transformada de uma certa forma. Então a questão é: como é que essa matéria aqui chegou? Como é que ganhou a forma que tinha antes de ser transformada, a por aí adiante? É uma questão de saber, o que é a continuidade? Assim uma das coisas que eu observo é, Como é que o universo começou e se transformou? Qual foi o processo presente na criação e evolução do universo? para chegar-mos ao ponto em que temos todo este tipo de materiais?

Essa é uma das partes, deixem-me agora avançar e mostrar-lhes o Campo Ultra Profundo do Hubble. Se olharem para esta imagem, o que vêem é uma vasta escuridão com alguns objectos luminosos. Quatro desses objectos luminosos são estrelas, e podem vê-las ali -- pequenos mais (+). Isto é uma estrela, isto é outra estrela, e todo o resto são galáxias, está bem? Assim existem, nesta imagem, cerca de um par de milhar de galáxias aqui podem vê-las facilmente a olho nu. Quando olho particularmente para esta galáxia, a qual se parece bastante com a nossa, eu questiono-me se existirá uma conferência de design a decorrer neste preciso momento, bem como seres inteligentes que estejam a pensar, vocês sabem, que tipo de design é que podem produzir, pode também haver alguns cosmologistas a tentar compreender de onde é que o próprio universo veio, e até pode haver alguém naquela galáxia que esteja a olhar para nós neste preciso momento tentando compreender o que se passará aqui.

Mas existem muitas outras galáxias, e algumas bem próximas, têm aproximadamente a cor do Sol, algumas estão mais distantes e são um pouco azuladas, e por aí adiante. Mas uma das questões cruciais é -- esta é dirigida, a vocês – Porque razão existem tantas galáxias? Uma vez que isto representa apenas uma fracção do céu. Isto são apenas 1,000 galáxias. Pensamos, que existam na ordem -- visíveis ao Telescópio Espacial Hubble, se tivéssemos tempo para procurar em todo o redor – das 100 mil milhões de galáxias. Certo? O que é um número muito elevado de galáxias. E o que corresponde aproximadamente ao número de estrelas na nossa galáxia.

Mas quando olhamos para algumas regiões como esta, verão mais galáxias do que estrelas, o que é algo enigmático. Assim a pergunta que deveria existir nas vossas mentes é, que tipo de processo criativo e que tipo de design poderia ter produzido um mundo assim? Eu irei-vos mostrar que a realidade é ainda mais complicada. Iremos tentar acompanhar todo esse processo. E possuímos uma ferramenta que nos vai ajudar neste estudo, que é o facto do universo ser tão incrivelmente grande num certo sentido, é como se fosse uma máquina do tempo. Desenhamos um conjunto de esferas seccionadas para que possam ver. Colocamos a terra no centro das esferas, Por ser aí que nós estamos a fazer observações. A lua está apenas a dois segundos de distância, se tirarmos uma foto da lua usando luz normal, corresponde à lua à dois segundos atrás, o que não é relevante. ora dois segundos é como se fosse o presente. O Sol está a oito minutos. O que também não é relevante, certo? A não ser que venha aí um forte vento solar e aí o melhor é tentar sair do caminho. Nesse caso gostaríamos de ser avisados com alguma antecedência.

Se formos até Júpiter já são 40 minutos de distância. Isso é um problema. Vocês ouvem falar de Marte, é um problema comunicar com Marte porque mesmo a luz demora algum tempo para lá chegar. Mas se olharmos para o conjunto de estrelas mais próximo, para as 40 ou 50 estrelas mais próximas, são cerca de 10 anos. Assim se fizermos uma foto agora, corresponde a 10 anos atrás. E se observarmos em direcção ao centro da galáxia, isso já corresponde a milhares de anos atrás. Se olharmos para Andrómeda, que é a (grande) galáxia mais próxima, já são dois milhões de anos atrás. Ora se tirássemos uma foto da Terra à dois milhões de anos atrás, Ainda nem existiria qualquer evidência de humanos, já que pensamos que ainda não existissem humanos. Ou seja, com isto já ficam com uma escala. Com o Telescópio Espacial Hubble, estamos a olhar para centenas de milhões a milhares de milhões de anos atrás.

Mas se conseguissemos descobrir uma forma de olhar ainda mais além -- porque existem coisas que estão mais além, e muito do meu trabalho foi dedicado a, desenvolver essas técnicas -- poderiamos ver épocas para lá do tempo em que existiam estrelas e galáxias, onde o universo era quente e denso e bastante diferente. E esse é o tipo de sequência que nos interessa, eu tenho uma versão mais artística de tudo isto. Existe uma galáxia no meio, que é a Via Láctea, e à volta estão as galáxias próximas do tipo observado pelo Hubble e existe uma esfera que marca os diferentes tempos. E para lá existem algumas galáxias mais modernas

conseguem agora visualizar toda a cena? O inicio do tempo é engraçado -- está na parte fora. Certo? E depois existe uma parte do universo que não conseguimos ver porque e tão denso e quente, que a luz não lhe consegue escapar. Tal como não se pode ver para o centro do Sol, temos de usar outras técnicas para saber o que está dentro do Sol. No entanto conseguimos ver a orla do Sol, e com o universo acontece o mesmo. E depois vemos uma espécie de área modelo junto à parte exterior, o que representa a radiação vinda do Big Bang, a qual é incrivelmente uniforme. O universo é uma esfera quase perfeita, embora existam algumas variações menores as quais são mostradas aqui de uma forma exagerada. É a partir dai que voltamos na sequência temporal desde essas pequenas variações até estas galáxias irregulares e às primeiras estrelas daí para estas galáxias mais avançadas, e eventualmente até ao sistema solar, e por ai adiante.

Por isso trata-se de um grande trabalho de design, vejamos agora o que se faz actualmente. Bem como a forma como estas medições foram feitas, tem havido um conjunto de satélites, como podem ver aqui. Primeiro foi lançado o satélite COBE (Explorador de Fundo Cósmico), em 1989, e assim descobrimos estas variações. depois em 2000, o satélite MAP foi lançado -- o WMAP – o qual fez imagens bem melhores. Ainda este ano -- esta é uma versão furtiva, que na realidade tem excelentes características de design, que devem ver -- o satélite Planck será lançado, o qual irá fazer mapas de alta-resolução. Esta é a sequência para poder compreender o início do universo.

O que nós vimos foram estas variações, e elas indicaram-nos os segredos, quer acerca da estrutura espaço-tempo, quer acerca do conteúdo do universo, bem como do inicio do próprio universo. Assim temos esta imagem bastante espectacular, vou voltar ao inicio, onde encontramos alguns dos processos misteriosos que deram o arranque inicial ao universo. Iremos através de um período de aceleração e expansão, onde o universo expande e arrefece até se tornar transparente, depois temos um período de trevas, até ao aparecimento das primeiras estrelas, as quais evoluem para galáxias, para mais tarde se tornarem galáxias mais extensas. Foi algures neste período que o nosso sistema solar se começou a formar. E continua a evoluir no tempo actual. Existem ainda muitas coisas espectaculares. Este cesto serve para representar o que é que acontece à própria estrutura espaço-tempo durante este período Trata-se de um modelo um quanto estranho. Certo? Mas que tipo de evidencia é que temos de tudo isto?

Deixem-me mostrar-vos alguns dos padrões na natureza que resultam disto. Eu penso sempre no espaço-tempo como sendo a substancia real do espaço, e as galáxias e as estrelas apenas como a espuma no oceano. É como um marcador da presença de eventos interessantes e daquilo que se teria passado. Aqui temos o Levantamento Digital do Céu Sloan mostrando a localização de milhões de galáxias. Cada ponto representa uma galáxia. Apontamos um telescópio para o céu, e tiramos uma foto, identificamos as estrelas e retira-mo-las, olhamos para as galáxias, estimamos a que distancia estarão, e depois dispo-mo-las radialmente, com as mais distantes nas orlas Assim obtemos estruturas como esta, a que chamamos de Grande Muralha, mas existem vazios, e outras coisas que não se vêem porque o telescópio não é suficientemente sensível para o fazer.

Agora irei mostrar-vos o mesmo em 3D. O que acontece é que, tiramos fotos e à medida que a Terra roda, obtemos uma espécie de leque através do céu. Existem locais que não podemos observar devido à nossa própria galáxia, ou então porque não existem telescópios disponíveis para o fazer. A próxima imagem mostra a mesma imagem 3D mas em rotação. Conseguem ver estas zonas tipo leque através do céu? Lembrem-se de que cada ponto é uma galáxia, e vêem as galáxias, que se situam na nossa vizinhança, e também conseguem ver toda a estrutura Também conseguem ver aquilo que chamamos de Grande Muralha, vêem esta estrutura complicada, e vêem estes vazios. Existem locais onde não existem galáxias e locais onde milhares de galáxias estão aglomeradas. Certo. Assim existe este padrão interessante, mas aqui ainda não temos dados suficientes para ver o padrão. Aqui só temos um milhão de galáxias. Certo? Temos um milhão de bolas no ar mas, o que se passa realmente? Existe outro levantamento muito similar a este, chamado Levantamento de Galáxias com Desvio-para-o-vermelho num Campo de Vista de 2-Graus.

Agora vamos voar através desse levantamento a uma velocidade um milhão de vezes superior à da luz. E cada vez que existe uma galáxia – na sua localização existe uma galáxia – se soubermos algo sobre essa galáxia, que sabemos, porque existe uma medição de desvio para o vermelho e tudo, introduzimos o tipo de galáxia e a cor, assim obtemos esta representação real. Quando estamos no meio das galáxias é difícil de ver o padrão é como estar no centro da vida. Tal como é difícil de ver o padrão entre a audiência, é difícil ver o padrão em tudo isto. Assim iremos sair e depois olhar de volta para tudo isto. Assim já vêem, primeiro, a estrutura do levantamento, e depois começarão a ver a estrutura das galáxias que nós conseguimos observar Então, podem ver de novo a extensão desta Grande Muralha de galáxias que aparece aqui.

Mas podem ver os vazios, podem ver esta estrutura complicada, e dirão, bem, como é que isto aconteceu? Suponham que vocês eram o designer cósmico. Como é que iriam colocar as galáxias neste padrão? Não se trata de as colocar simplesmente de uma forma aleatória. O processo envolvido é bem mais complicado. Como é que se chega aquele resultado? E agora é que as coisas se complicam. Ou seja, temos mesmo de fazer de Deus, não apenas mudar a vida das pessoas, mas criar o universo. Certo. Se essa fosse a vossa responsabilidade, como é que o iriam fazer? Qual é o tipo de técnica envolvida? Como o fariam?

Irei mostrar-vos os resultados de uma simulação em larga escala daquilo que nós pensamos que o universo possa ser, usando essencialmente, alguns dos princípios básicos bem como alguns princípios de design que, os humanos tiveram de trabalhar tão arduamente para compreender, mas que aparentemente a natureza já os sabia utilizar desde o inicio. Ou seja, começamos com ingredientes muito simples e algumas regras simples, no entanto temos de ter ingredientes suficientes para o tornar complicado. Depois adicionamos alguma aleatoriedade, algumas flutuações e aleatoriedade, e realizamos um conjunto de representações diferentes.

Assim, irei mostrar-vos a distribuição de matéria em função da escala. Agora iremos ampliar, isto é uma imagem do que temos Tivemos de adicionar algo mais para que o universo saísse bem. Chama-se matéria-negra. Ou seja, matéria que não interage com a luz da mesma forma que a matéria normal o faz, tal como a luz que incide em mim ou no palco. É transparente à luz, mas para que a possam ver, vamos torna-la branca. Está bem? Assim tudo o que for branco na imagem, é matéria negra. Deveria ser chamada matéria invisível mas que nós tornamos visível. E tudo o que tiver uma cor amarela, é a matéria normal que forma as estrelas e as galáxias.

Irei agora mostrar-vos o próximo filme. Assim – iremos ampliar. Reparem neste padrão e prestem atenção a este padrão. Iremos ampliar e ampliar. Irão reparar em todo o tipo de filamentos e estruturas e vazios. E quando um numero de filamentos se juntam num nó, isso forma um super-aglomerado de galáxias. Este que estamos agora a ampliar tem entre 100,000 a um milhão de galáxias nesta pequena região. Nós vivemos no meio do nada. Não vivemos no centro do sistema solar, nem no centro da galáxia e a nossa galáxia não está no meio do aglomerado.

Continuamos a ampliar. Esta é uma região que provavelmente tem mais de 100,000, talvez na ordem de um milhão de galáxias. Continuamos a ampliar. Está bem. Esqueci-me de vos dizer a escala. Um parsec são 3.26 anos-luz. Ou seja um gigaparsec são três mil milhões de anos-luz, essa é a escala. Ou seja a luz tarda três mil milhões de anos-luz a percorrer esta distancia. Nós estamos numa distancia tipo entre aqui e aqui. Essa é a distancia entre nós e Andrómeda, certo? Estas pequenas partículas que se vêem aqui, são galáxias.

Agora vamos recuar um pouco, e podem ver esta estrutura que, quando nos afastamos o suficiente, se torna muito regular, apesar de ser constituída por imensas variações irregulares. São apenas blocos de construção. Existe um fluido muito simples para começar. Tem matéria negra, tem matéria normal, tem fotões e tem neutrinos, os quais não têm um papel relevante na parte mais recente do universo. É apenas um fluido simples, o qual com o tempo se desenvolve até esta estrutura complicada. Agora sabem porque é que a primeira vez que viram esta imagem, ela não teve grande significado para vocês. Aqui estão a olhar para aquilo que corresponde a um porcento do volume de universo visível e conseguem ver milhares de milhões de galáxias, bem como vários nós, mas podem-se aperceber de que elas nem sequer são a estrutura principal. Existe uma armação, que é a energia negra, a matéria invisível, que é a que está na realidade a aguentar tudo junto.

Vamos voar através da armação para que possam ver quão difícil é descortinar tudo isto quando estamos no seu interior. Aqui esta o resultado final. Vêem um filamento, vêem a parte mais clara que é a matéria invisível, e a amarelo são as estrelas ou as galáxias que começam a aparecer. Vamos voando à volta, e à volta, e vemos ocasionalmente um par de filamentos que se intersectam, e chegamos a um aglomerado de galáxias Depois voamos em direcção onde está o grande aglomerado, e podemos ver como é que ele é de facto. Assim por dentro, não parece muito complicado pois não? É apenas quando se olha a uma escala muito grande, e o exploramos, é que nos apercebemos de quão intrincado, e complicado é o seu tipo de design, certo? E que cresceu de alguma forma.

Assim a questão é, quão difícil seria por isto tudo junto, certo? Quão grande teria de ser a vossa equipe de trabalhadores para montar todo este universo, certo? Esse é que é o ponto, certo? E assim aqui estamos nós. Vêem como o filamento – vêem como vários filamentos estão a convergir, para assim produzirem este super-aglomerado de galáxias. Mas devem de compreender, que isto não é como seria na realidade vocês, em primeiro lugar, não podem viajar a esta velocidade, e tudo pareceria distorcido, isto é apenas uma simulação usando artes gráficas. Isto é como, se efectuassem um percurso de vários milhares de milhões de anos, as coisas vos poderiam parecer, certo? E isto se também pudessem ver matéria invisível.

Então a ideia é, como montar todo este universo de uma forma muito simples? Iremos ver agora que todo o universo visível, tudo aquilo que podemos ver em todas as direcções com o Telescópio Espacial Hubble e mais alguns outros instrumentos, foi outrora uma região mais pequena do que um átomo. Começou apenas com pequenas flutuações quânticas, mas a um ritmo de expansão impressionante. E essas flutuações foram atingindo dimensões astronómicas, e essas flutuações que eventualmente vemos no fundo cósmico na gama das micro-ondas. Depois necessitávamos de uma forma de transformar essas flutuações em galáxias e aglomerados de galáxias e por aí adiante.

Assim irei mostrar-vos uma simulação mais pequena. Esta simulação foi executada em 1,000 processadores durante um mês afim de podermos obter esta mais simples Assim irei mostrar-vos uma que pode ser executada em dois dias num Computador Pessoal (CP). Começamos com pequeníssimas flutuações quando o universo estava neste ponto, agora quatro vezes mais pequeno, e por aí adiante. E começam a ver estas redes, esta teia de estrutura cósmica que se começa a formar. E esta é simples porque não contém a matéria normal apenas contém a matéria negra. E podem ver como a matéria negra se começa a aglomerar, e a matéria normal apenas tem de seguir atrás. E aqui está. No inicio é muito uniforme. As flutuações são uma parte em 100,000. Existem depois alguns picos em que são uma parte em 10,000, e depois após vários milhares de milhões de anos a gravidade começa a operar.

Começando a juntar a matéria. Que por sua vez atrai mais e mais matéria. Mas as distancias no universo são tão grandes e as escalas do tempo são tão grandes que demora imenso tempo para que tudo isto se forme. E continua a formar-se até o universo ter aproximadamente metade do seu tamanho actual, em termos da sua expansão. E é nesse ponto, que o universo começa misteriosamente a acelerar. A sua expansão e corta a formação de estruturas de larga-escala. Por isso estamos a ver estruturas de larga-escala tanto quanto podemos, e depois apenas coisas cuja formação já se tenha iniciado é que se vão formar, e o processo continua a partir daí.

Somos capazes de realizar esta simulação, mas isto são apenas dois dias num CP. Precisamos, sabem, de 30 dias em 1,000 processadores para fazer o tipo de simulação que vos tinha mostrado anteriormente. Assim nós já temos uma ideia de como brincar a sério, na criação do universo começando essencialmente com menos de uma gota de material, e podemos criar tudo o que conseguimos ver em todas as direcções, certo, a partir de quase nada – isto é, de algo extremamente pequeno, extremamente diminuto – e é quase perfeito, excepto que tem estas pequenas flutuações ao nível de de um para 100,000, as quais por sua vez produzem estes padrões e design que nós podemos ver, ou seja, galáxias e estrelas e por aí adiante.

Então temos um modelo, que podemos calcular, e usar para criar o design de como nós pensamos que o universo seja. E esse design está muito para lá da nossa ideia original. Isto foi aquilo com que nós começámos à 15 anos atrás, com o Explorador de Fundo Cósmico – fizemos o mapa na parte superior direita, o qual basicamente nos mostrou que existiam flutuações de larga-escala, na realidade flutuações em varias escalas. Vocês podem ver isso. Desde então tivemos o WMAP, o qual nos dá uma maior resolução angular. Vemos a mesma estrutura de larga-escala, mas conseguimos ver adicionalmente estruturas de pequena-escala. E no canto inferior direito podemos ver caso o satélite estivesse invertido e estivesse a mapear a Terra, que tipo de mapa obteríamos da Terra. Podem ver, bem, podem, ver claramente todos os continentes maiores, mas é tudo.

Mas aquilo que nós esperamos do Planck, é termos resolução equivalente aquela com que nós conseguimos ver a Terra aqui, Onde se podem ver até os padrões mais complicados que existem na Terra. E também podemos ver, devido aos contornos bem marcados a forma como as coisas encaixam, os processos não-lineares. A Geologia tem estes efeitos, que são o movimento das placas e por aí adiante. Podemos ver isso simplesmente pelo mapa. Queremos chegar ao ponto em que num mapa do universo primordial possamos ver se existem efeitos não-lineares que se começam a mover, a modificar, e que nos poderão dar indícios de como o próprio espaço-tempo teria sido criado nos momentos iniciais. Assim é aqui que estamos hoje, e este era o gostinho que vos queria dar. Dar-vos uma ideia diferente sobre aquilo que o design e tudo o resto se parecem. Obrigado. Aplausos