Em nosso próprio quintal cósmico, tudo o que vemos gira, gira e gira de uma forma ou de outra. Nosso planeta (e tudo nele) gira em torno de seu eixo, assim como todos os planetas e luas do Sistema Solar.

Os filamentos cósmicos estão entre as maiores estruturas do Universo e giram. Em um novo estudo que empilhou milhares de filamentos juntos, eles foram observados girando ao longo de seu eixo filamentar, com a velocidade de rotação média aproximando-se de ~ 100 km / s no máximo. Crédito: AIP (LEIBNIZ INSTITUTE FOR ASTROPHYSICS POTSDAM) / A. KHALATYAN / J. FOHLMEISTER

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As luas (incluindo a nossa) giram em torno de seu planeta-mãe, enquanto os sistemas planeta-lua giram em torno do sol. O Sol, por sua vez, como todas as centenas de bilhões de estrelas da galáxia, orbita em torno do centro galáctico, enquanto a própria galáxia inteira gira em torno da protuberância central.

Na maior das escalas cósmicas, no entanto, não há rotação global observada. O Universo, por qualquer motivo, não parece ter uma rotação ou rotação geral, e não parece estar girando em torno de mais nada. Da mesma forma, as maiores estruturas cósmicas observadas não parecem estar girando, ou girando em torno de qualquer outra estrutura. Mas recentemente, um novo estudo parece desafiar isso, alegando que enormes filamentos cósmicos - os fios da teia cósmica - parecem estar girando em torno do próprio eixo filamentar. Isso é estranho, com certeza, mas podemos explicar? Vamos descobrir.

Nosso Universo, do quente Big Bang até os dias atuais, teve um grande crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. Todo o nosso Universo observável era aproximadamente do tamanho de uma bola de futebol cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, mas expandiu para ~ 46 bilhões de anos-luz de raio hoje. Crédito: NASA / CXC / M.WEISS

Para fazer uma previsão, primeiro temos que definir o cenário que esperamos, depois inserir as leis da física e evoluir o sistema no tempo para ver o que antecipamos. Podemos voltar, teoricamente, aos primeiros estágios do Universo. No início do Big Bang quente, imediatamente após o fim da inflação cósmica, o Universo é:

• Cheio de matéria, antimatéria, matéria escura e radiação,
• Uniforme e igual em todas as direções,
• Com exceção de pequenas imperfeições de densidade na escala de 1 parte em 30.000,
• E com pequenas imperfeições adicionais na direcionalidade dessas flutuações, os movimentos lineares e rotacionais dessas regiões superdensas e subdensas e imperfeições semelhantes no fundo das ondas gravitacionais com as quais o Universo nasce.

À medida que o Universo se expande, esfria e gravita, uma série de etapas importantes ocorrem, especialmente em grandes escalas cósmicas.

As flutuações de frio (mostradas em azul) no CMB não são inerentemente mais frias, mas sim representam regiões onde há uma maior atração gravitacional devido a uma maior densidade da matéria, enquanto os pontos quentes (em vermelho) são apenas mais quentes porque a radiação naquela região vive em um poço gravitacional mais raso. Com o tempo, as regiões superdensas terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto as regiões sub-densas terão menos probabilidade de crescer. A densidade gravitacional das regiões pelas quais a luz passa enquanto viaja pode aparecer na CMB também, nos ensinando como essas regiões realmente são. Crédito: EM HUFF, A EQUIPE SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN

Em particular, algumas coisas crescem com o tempo, outras deterioram-se com o tempo e ainda outras coisas permanecem iguais com o tempo.

As imperfeições de densidade, por exemplo, crescem de uma maneira particular: proporcional à razão entre a densidade da matéria e a densidade da radiação. À medida que o Universo se expande e esfria, tanto a matéria quanto a radiação - composto de partes individuais - ficam menos densas; o número de partículas permanece o mesmo enquanto o volume aumenta, fazendo com que a densidade de ambos caia. Eles não caem igualmente, no entanto; a quantidade de massa em cada partícula de matéria permanece a mesma, mas a quantidade de energia em cada quantum de radiação diminui. Conforme o Universo se expande, o comprimento de onda da luz viajando através do espaço se estende, levando-o a energias cada vez mais baixas.

À medida que a radiação fica menos energética, a densidade da matéria aumenta em relação à densidade da radiação, fazendo com que essas imperfeições de densidade aumentem. Com o tempo, as regiões inicialmente superdensas atraem preferencialmente a matéria circundante, atraindo-a, enquanto as regiões inicialmente subdensas cedem preferencialmente sua matéria para as regiões mais densas próximas. Em escalas de tempo longas o suficiente, isso leva à formação de nuvens moleculares de gás, estrelas, galáxias e até mesmo toda a teia cósmica.

O crescimento da teia cósmica e da estrutura em grande escala do Universo, mostrado aqui com o a própria expansão foi ampliada, fazendo com que o Universo se tornasse mais agrupado e mais aglomerado com o passar do tempo. Inicialmente, pequenas flutuações de densidade crescerão para formar uma teia cósmica com grandes vazios separando-as, mas o que parecem ser as maiores estruturas semelhantes a paredes e superaglomerados podem não ser verdadeiras, afinal de contas estruturas limitadas. Crédito: VOLKER SPRINGEL

Da mesma forma, você pode acompanhar a evolução de qualquer modo de rotação inicial em um Universo que é inicialmente isotrópico e homogêneo. Ao contrário das imperfeições de densidade, que aumentam, qualquer giro ou rotação inicial irá decair à medida que o Universo se expande. Especificamente, ele decai à medida que a escala do Universo cresce: quanto mais o Universo se expande, menos importante se torna o momento angular. Deve fazer sentido, portanto, antecipar que não haverá nenhum momento angular - e, portanto, qualquer giro ou rotação - nas maiores escalas cósmicas.

Pelo menos é verdade, mas só até certo ponto. Enquanto o seu Universo e as estruturas nele contidas continuarem a se expandir, esses modos de rotação ou rotação irão desaparecer. Mas existe uma regra que é ainda mais fundamental: a lei da conservação do momento angular. Assim como um patinador artístico giratório pode aumentar sua taxa de rotação retraindo seus braços e pernas (ou pode diminuí-la movendo seus braços e pernas para fora), a rotação de estruturas em grande escala diminuirá enquanto as estruturas se expandem, mas uma vez que são puxados pela própria gravidade, a rotação acelera novamente.

O momento angular, você vê, é uma combinação de dois fatores diferentes multiplicados juntos.

1. Momento de inércia, que você pode imaginar como a distribuição de sua massa: próximo ao eixo de rotação está um pequeno momento de inércia; longe do eixo de rotação está um grande momento de inércia.
2. Velocidade angular, que você pode imaginar como a rapidez com que faz uma revolução completa; algo como revoluções por minuto é uma medida de velocidade angular.

Mesmo em um Universo onde suas imperfeições de densidade nascem apenas com uma quantidade muito leve de momento angular, o crescimento gravitacional não será capaz de se livrar dele, enquanto o colapso gravitacional, que faz com que sua distribuição de massa fique concentrada em direção ao centro, garante que seu momento de inércia acabará diminuindo drasticamente. Se seu momento angular permanecer o mesmo enquanto seu momento de inércia diminui, sua velocidade angular deve aumentar em resposta. Como resultado, quanto maior a quantidade de colapso gravitacional a que uma estrutura foi submetida, maior será a quantidade que esperamos vê-la girando, girando ou manifestando de outra forma seu momento angular.

Mas mesmo isso é apenas metade da história. Claro, esperamos plenamente que o Universo nasça com algum momento angular, e quando essas imperfeições de densidade crescem, atraem matéria e finalmente entram em colapso sob sua própria gravidade, esperamos vê-las girando, talvez até substancialmente, no final. No entanto, mesmo se o Universo nascesse sem nenhum momento angular em qualquer lugar, é inevitável que as estruturas que se formam em todas as escalas cósmicas (exceto, talvez, as maiores e extremas de todas) comecem a girar, girar e até mesmo girar em torno um do outro.

A razão para isso é um fenômeno físico com o qual todos estamos familiarizados, mas em um contexto diferente: as marés. A razão pela qual o planeta Terra experimenta marés é porque os objetos próximos a ele, como o Sol e a Lua, atraem gravitacionalmente a Terra. Especificamente, porém, eles atraem todos os pontos da Terra e o fazem de maneira desigual. Os pontos da Terra que estão mais próximos da Lua, por exemplo, são atraídos um pouco mais do que os pontos mais distantes. Da mesma forma, os pontos que estão no “norte” ou “sul” da linha imaginária que conecta o centro da Terra ao centro da Lua serão atraídos “para baixo” ou “para cima” correspondentemente.

Em cada ponto ao longo de um objeto atraído por um único ponto de massa, a força da gravidade (Fg) é diferente. A força média, para o ponto no centro, define como o objeto acelera, o que significa que todo o objeto acelera como se estivesse sujeito à mesma força geral. Se subtrairmos essa força (Fr) de cada ponto, as setas vermelhas mostram as forças de maré experimentadas em vários pontos ao longo do objeto. Essas forças, se ficarem grandes o suficiente, podem distorcer e até mesmo separar objetos individuais. Crédito:  VITOLD MURATOV / CC-BY-SA-3.0

Apesar de como isso é fácil de visualizar para um corpo redondo como a Terra, o mesmo processo ocorre entre cada duas massas no Universo que ocupam qualquer volume mais substancial do que um único ponto. Essas forças de maré, à medida que os objetos se movem no espaço em relação uns aos outros, exercem o que é conhecido como torque: uma força que faz com que os objetos experimentem uma aceleração maior em uma parte dele do que em outras. Em todos os casos, exceto nos casos mais perfeitamente alinhados - onde todos os torques se cancelam, uma raridade tremenda e coincidente - esses torques de maré causarão uma aceleração angular, levando a um aumento no momento angular.

“Espere aí,” eu posso ouvir você objetando. “Eu pensei que você disse que o momento angular sempre foi conservado? Então, como você pode criar uma aceleração angular, que aumenta seu momento angular, se o momento angular é algo que nunca pode ser criado ou destruído?”

É uma boa objeção. O que você precisa lembrar, entretanto, é que os torques são como as forças no sentido de que obedecem às suas próprias versões das leis de Newton. Em particular, assim como as forças têm direções, o mesmo ocorre com os torques: eles podem fazer com que algo gire no sentido horário ou anti-horário em torno de cada um dos eixos tridimensionais que existem em nosso Universo. E, assim como toda ação tem uma reação igual e oposta, sempre que um objeto puxa outro para criar um torque, essa força igual e oposta criará um torque naquele primeiro objeto também.

Muitos tentaram superar o recorde atual de velocidade terrestre anexando foguetes ou outros engenhocas que fornecem impulso para seus veículos. Quando os pneus começam a girar, eles empurram a Terra, e a Terra empurra de volta. À medida que o veículo ganha momento angular em uma direção, a Terra ganha momento angular na direção oposta. Crédito: (RODGER BOSCH / AFP via Getty Images) AFP VIA GETTY IMAGES

Não é algo em que você pensa com frequência, mas isso acontece o tempo todo em nossa realidade. Quando você acelera seu automóvel assim que a luz fica verde, seus pneus começam a girar e empurrar contra a estrada. A estrada, portanto, exerce uma força na sola dos pneus, o que faz com que os pneus que estão girando agarrem a estrada, acelera e empurra o carro para a frente. Como a força não está diretamente no centro das rodas, onde estão os eixos, mas sim fora do centro, seus pneus giram, aderindo à estrada e criando um torque.

Mas há uma reação igual e oposta aqui também. A estrada e os pneus têm que empurrar um ao outro com forças iguais e opostas. Se a força da estrada nos pneus faz com que seu automóvel acelere e depois se mova, digamos, no sentido horário em relação ao centro do planeta Terra, então a força dos pneus na estrada fará com que o planeta Terra acelere e gire, sempre ligeiramente, um pouco mais no sentido anti-horário em relação como estava se movendo antes. Embora:

• O carro agora tem mais momento angular do que antes,
• E a Terra agora tem mais momento angular do que antes,

A soma do sistema carro + Terra tem a mesma quantidade de momento angular que tinha inicialmente. O momento angular, como a força, é um vetor: com magnitude e direção.

Então, o que acontece quando a estrutura em grande escala do Universo se forma?

Contanto que você não seja muito grande para ocorrer o colapso gravitacional, onde a matéria no Universo pode se contrair totalmente em uma ou mais dimensões para uma escala onde as coisas vão "splat" devido a colisões, esses torques de maré irão causar aglomerados de matéria para puxar uns sobre os outros, induzindo uma rotação. Isso significa que planetas, estrelas, sistemas solares, galáxias e até, em teoria, filamentos cósmicos inteiros da teia cósmica deveriam, pelo menos às vezes, experimentar movimentos rotacionais. Em escalas maiores, no entanto, não deve haver rotação geral, pois não há estruturas limitadas maiores no Universo.

Isso é precisamente o que o último estudo procurou medir, e precisamente o que eles encontraram. Para filamentos individuais, eles não podiam ver nada, mas quando eles juntaram milhares de filamentos, os efeitos rotacionais apareceram claramente.

“Ao empilhar milhares de filamentos juntos e examinar a velocidade das galáxias perpendiculares ao eixo do filamento (via redshift e blueshift), descobrimos que esses objetos também exibem movimento vortical consistente com a rotação, tornando-os os maiores objetos conhecidos por terem momento angular. A força do sinal de rotação depende diretamente do ângulo de visão e do estado dinâmico do filamento. A rotação do filamento é mais claramente detectada quando vista de lado.”

Já vimos “rotação de filamentos” antes: nos filamentos que são criados em regiões de formação de estrelas dentro de galáxias individuais. Mas, para surpresa de alguns, mesmo os filamentos de maior escala no Universo , aqueles que traçam a teia cósmica, parecem estar girando também , pelo menos em média. Suas velocidades são comparáveis às velocidades em que as galáxias se movem e as estrelas orbitam dentro da Via Láctea: até ~ centenas de quilômetros por segundo. Mesmo que ainda tenhamos muito a desvendar sobre esse fenômeno, esses filamentos cósmicos de grande escala, que normalmente se estendem por centenas de milhões de anos-luz, são agora as maiores estruturas rotativas conhecidas no Universo.

Por que eles estão girando, no entanto? É algo que realmente pode ser explicado por torques de maré e nada mais? As primeiras evidências apontam para um “sim”, já que a presença de grandes massas perto dos filamentos - o que os cosmologistas identificam como “halos” - parece intensificar a rotação. Como os autores observam, “quanto mais massivos os halos que ficam nas extremidades dos filamentos, mais rotação é detectada”, consistente com os torques gravitacionais que induzem esses movimentos. No entanto, mais estudos são necessários, já que a temperatura e outras físicas também podem desempenhar um papel.

O grande avanço é que finalmente detectamos a rotação nessas escalas grandes sem precedentes. Se tudo correr bem, não apenas descobriremos o porquê, mas seremos capazes de prever a rapidez com que cada filamento que vemos deve girar e por que motivo. Até que possamos prever como cada estrutura no Universo se forma, se comporta e evolui, os astrofísicos teóricos nunca ficarão sem trabalho.

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Referência:

SIEGEL, Ethan. Did We Just Find The Largest Rotating ‘Thing’ In The Universe?. Forbes, 15, jun. 2021. Starts With A Bang Disponível em: <https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2021/06/15/did-we-just-find-the-largest-rotating-thing-in-the-universe/?fbclid=IwAR1dRPKjxvGNN57uTJVMAAwmprbDY2H7u56TC2i9l4Et1gmInhZYlg5_K90&sh=d7f3fac1b1bc>. Acesso em: 15, jun. 2021.