As fotos do telescópio Webb enfatizam que questões básicas sobre nossa existência - e o próprio tempo - estão em aberto

2022-09-23 00:58:02 by Lora Grem   campo profundo do telescópio espacial webb

Talvez dizer às pessoas que são formigas em uma pequena rocha em um sistema solar em um remanso galáctico não seja uma grande política. Mas operar com base nesse conhecimento, de que nossa existência é tão improvável, finita e delicada diante de tudo o que existe, nos encorajaria a começar a trabalhar juntos para manter a nós mesmos e nossa espécie no jogo. Certamente, quando você realmente processa as distâncias entre nós e qualquer outra coisa – esqueça um lugar em que podemos realmente querer morar, e não, Marte não se qualifica – você realmente começa a apreciar nosso pequeno planeta aqui e a oportunidade que temos de viver. isto.

Esse é o tipo de coisa que me vem à mente quando vejo as cinco primeiras fotos do Telescópio Espacial James Webb, divulgadas esta semana, juntamente com estatísticas e fatos que vão colocar seu cérebro em um pretzel. Os chamados 'Penhascos Cósmicos' que têm 7 anos-luz de altura, quando um ano-luz tem cerca de 6 trilhões de milhas. Um instantâneo de mil galáxias ou mais, cada uma contendo bilhões de estrelas, que na verdade 'cobre um pedaço do céu aproximadamente do tamanho de um grão de areia mantido à distância de um braço por alguém no chão'.

Essas considerações são onde a astronomia sangra na filosofia. Como o professor de física da Universidade de Harvard, Jacob Barandes, explicou quando conversamos na quinta-feira, essas não são apenas questões de nossa existência, ou a questão boba de saber se existe outra vida inteligente lá fora. ( Há. ) O que aprendemos relativamente recentemente questiona a própria ideia de que 'agora' é diferente de 'então'. Nossa conversa foi editada para maior duração e clareza.


Quando olho para algo como a Nebulosa Carina, sempre penso em algo que está a 7.200 anos-luz de distância, o que você está realmente vendo é a coisa como era há 7.200 anos. O que vem à mente para você?

Isso me lembra o quão limitado é nosso acesso epistêmico como seres humanos. Estamos olhando para o mundo e usamos nossos olhos durante a maior parte da história humana. Desenvolvemos tecnologia sofisticada, telescópios espaciais. E se você apenas pensar no que conseguimos reunir durante todo esse tempo, é uma lasca incrivelmente fina de informações sobre o que está por aí. Pelo que entendemos sobre o universo observável, tudo o que você pode ver remonta a cerca de 13,8 bilhões de anos, mas só conseguimos ver que luz chegou até nós da matéria visível no período muito curto da história humana. É uma quantidade incrivelmente limitada de informações, certo?

Quando você estende esse tipo de pergunta para objetos que estão a dezenas de milhões, centenas de milhões de anos-luz de distância, como o Quinteto de Stephan, ou as galáxias no limite de nossa visão – agora você está a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância. Agora você está vendo os objetos como eles eram no universo primitivo. E o que isso deixa muito claro é que eventualmente vamos bater em uma parede, certo? Não seremos capazes de ver distâncias maiores do que houve tempo para a luz chegar até nós desde que o universo, pelo menos o universo observável, começou no Big Bang. E isso significa que temos o que chamamos de horizonte cósmico. A borda do que podemos ver.

Para mim, isso mostra uma quantidade adequada de humildade e também um senso claro de nossa falibilidade. Não apenas não sabemos, mas devemos ter cuidado com o que afirmamos saber.

  webb telescópio espacial nasa A Nebulosa Carina, os 'Penhascos Cósmicos', é um berçário estelar com 7 anos-luz de diâmetro.

Quer dizer, não faz muito tempo que descobrimos que 70 ou 80 por cento da matéria é matéria escura que parece que não temos como realmente observar em nenhum sentido tradicional. Certo?

Cerca de quatro por cento da energia de massa em nosso universo é composta de tipos comuns de matéria com a qual estamos familiarizados, matéria feita de átomos. Então, pessoas e planetas e animais e nuvens e gás e poeira e estrelas, asteróides. Outros cerca de 25 por cento do conteúdo de energia de massa do universo parece ser alguma outra forma de matéria que não é feita das partículas do modelo padrão, não é feita de átomos, não é feita de prótons ou nêutrons ou elétrons ou qualquer um dos familiares. tipos de coisas. Sabemos de sua existência indiretamente através de sua atração gravitacional. Até onde podemos dizer hoje, a matéria escura interage consigo mesma e com a matéria regular apenas por meio da influência gravitacional. A luz passa direto por ela. Você pode até chamar isso de matéria invisível.

E então os 70% do resto são ainda mais bizarros. Não é nem matéria escura. É um tipo de energia uniforme penetrante que é intrínseca ao próprio espaço. E porque não sabemos o que é, apenas chamamos de energia escura. E na verdade é diferente da matéria escura. Pelo menos achamos que é. Ele se comporta de maneira bem diferente da matéria escura. Ela não se aglomera como a matéria escura, gravitacionalmente. E exerce uma espécie de efeito antigravitacional em tudo. A energia escura está alimentando uma expansão acelerada do universo, fazendo com que o universo se expanda cada vez mais rapidamente. E não sabemos o que é.

Notavelmente, não apenas temos acesso epistêmico tão limitado à matéria visível, mas não podemos ver diretamente 95% do conteúdo de energia da massa do universo observável ao nosso redor.

'A velocidade da luz parece muito rápida. Mas no contexto do universo, a velocidade da luz é dolorosamente lenta.'

Eu estava olhando para o Quinteto de Stephan e descobri que há um buraco negro supermassivo no centro da galáxia superior entre os cinco. É aparentemente 24 milhões de vezes a massa do nosso Sol e emite energia luminosa equivalente a 40 bilhões de sóis. Está além da compreensão.

Isso é. O buraco negro em si não está emitindo a luz porque, como você sabe, buracos negros, uma vez que algo cai, eles não saem novamente. Mas os buracos negros são comedores muito confusos. Quando o material cai em um buraco negro, ele acelera. E essa interação gera radiação extremamente energética que escapa antes de mergulhar. Então, sim, os buracos negros paradoxalmente podem ser incrivelmente brilhantes, mesmo que uma vez que você realmente caia, você não saia novamente.

O buraco negro supermassivo da Via Láctea está localizado na constelação de Sagitário. Isso diz alguma coisa sobre mim como sagitariana?

Bem, você é uma pessoa muito carente? Você é muito ganancioso?

Mas não. O que eu acho realmente fascinante sobre essas fotos – e acho que o Stephan's Quintet realmente passa isso – é que quando olhamos para o céu noturno, vemos o que parece uma pintura, como uma imagem bidimensional, mas envolta nós, enrolados no céu. Esta imagem é conhecida como a esfera celeste, porque é uma espécie de ilusão de ótica. Se você olhar para o céu noturno ou para o céu diurno, parece uma cúpula. E se você está olhando durante o dia para as nuvens, ou você está olhando para as estrelas à noite, elas parecem estar pintadas na cúpula como o teto da Capela Sistina.

E quando você olha para o Stephan's Quartet você vê um monte de galáxias que parecem fazer parte de um grupo, certo? Há um monte de objetos todos pintados juntos. Mas a galáxia à esquerda no Quarteto de Stephan está muito mais próxima de nós do que as outras galáxias, 200 milhões de anos-luz mais próximas. Está a cerca de 40 milhões de anos-luz de distância de nós, e os outros estão a cerca de 290 milhões de anos-luz de distância. E o que é incrível nesta imagem é que você pode ver essa diferença na distância relativa de nós porque a galáxia à esquerda está perto o suficiente para que o Telescópio Espacial James Webb fosse capaz de resolver estrelas individuais nela. A galáxia à esquerda não é apenas uma mancha nebulosa. Você pode discernir estrelas nele – muitas, muitas estrelas individuais. Você não pode nas outras galáxias. Isso apenas lhe dá uma noção de quão mais próximo está do que as outras galáxias na imagem.

  telescópio nasa webb stephan's quintet No Quinteto de Stephan, a galáxia da esquerda está muito mais próxima de nós – e você pode distinguir muito mais estrelas individuais como resultado. Os outros quatro estão em processo de esmagamento um no outro.

É um lembrete muito importante de que essa projeção bidimensional que estamos vendo em nossa esfera celeste, no céu, é uma ilusão. São arranjos tridimensionais de objetos, às vezes com enormes distâncias entre eles, naquela terceira dimensão que não conseguimos perceber diretamente. A constelação de Sagitário é um bom exemplo disso. As constelações parecem imagens bidimensionais, mas algumas das estrelas estão muito mais próximas de nós e outras estão muito, muito distantes. Uma imagem como Stephan's Quartet realmente mostra nossa perspectiva muito artificial.

Eles chamam a Nebulosa Carina de “os Penhascos Cósmicos”, e parece montanhas. Mas me ocorreu que estamos construindo essas coisas para que nossas mentes possam lidar com isso, porque então parece algo com o qual estamos acostumados aqui na Terra. Estamos criando esses padrões para que possamos nos agarrar a eles.

Sim, exatamente. Estamos mapeando isso em conceitos que podemos entender, exceto que os cumes das montanhas, aqueles picos na foto, têm sete anos-luz de altura. Um ano-luz equivale a 6 trilhões de milhas. Todo o nosso sistema solar tem alguns bilhões de quilômetros de raio. A estrela mais próxima além do nosso sol que conhecemos, o sistema estelar Alpha Centauri, está a cerca de quatro anos-luz de distância. Então, o pico da montanha é muito, muito maior do que a distância de nós até a estrela mais próxima que não seja o nosso sol. E isso significa, é claro, que quando a luz é emitida de uma parte do pico da montanha, leva sete anos, mesmo viajando pelo vácuo do espaço, para que aquele pedaço de luz desça o pico da montanha. A velocidade da luz parece muito rápida. Mas no contexto do universo, a velocidade da luz é dolorosamente lenta.

Olhando para isso, lembro-me de todas as conversas absurdas sobre se há vida inteligente lá fora. É inevitável. Mas o mais interessante para mim é, por que não interagimos com ninguém? E uma explicação é que se vimos outra civilização de alguma forma que estava a anos-luz de distância, no momento em que as estivermos vendo, elas podem muito bem ter se destruído. Depois, há o tempo que levaria para eles virem aqui e nos verem.

Se outra civilização teve apenas um pouco de vantagem sobre nós, se outra civilização surgiu um por cento mais cedo na história do universo, isso é aproximadamente 140 milhões de anos. Assim, uma civilização que começou um por cento antes teria 140 milhões de anos à nossa frente em termos de desenvolvimento. Ou seria tão fantasticamente mais avançado do que poderíamos imaginar, ou, como você indicou de maneira um tanto sombria, poderia ter se extinguido. Enrico Fermi, o físico nuclear quântico, perguntou há muitas décadas por que não detectamos nenhuma vida inteligente no universo. E isso ficou conhecido como Paradoxo de Fermi. Dado o quão grande é o universo e há quanto tempo o universo existe em comparação com a história humana, você pode esperar que existam muitas civilizações. Por que não os vimos? E um argumento foi exatamente o que você acabou de dizer, que talvez as civilizações tenham um tempo de vida finito. Deus sabe, tivemos algumas ligações por pouco.

Estamos bem encaminhados e não somos muito velhos.

Certo, exatamente.

Os cientistas usam esses instantâneos e dados e as leis da física para extrapolar o que aconteceu antes e depois. Nossas descobertas contínuas nos fazem questionar alguma dessas leis da física que usamos como base? A energia escura e a matéria escura mudam alguma coisa para nós? Pelo que entendi, até o trabalho de Einstein fica cada vez mais sob pressão, quanto mais aprendemos.

Pelo que sabemos, não há sinais de provas reais de dados observacionais de que a teoria da gravidade de Einstein esteja incorreta. Ele sobreviveu a muitos, muitos testes neste momento. Mas você está absolutamente certo de que a matéria escura e a energia escura pressionam a relatividade geral. De certa forma, chamar essas coisas de matéria escura e energia escura é basicamente garantir que a relatividade geral está funcionando corretamente e está nos fornecendo um conjunto correto de leis. E o comportamento estranho que vemos no universo que atribuímos à matéria escura e à energia escura está dentro do contexto de assumir a validade da relatividade geral. Se você insiste que a relatividade geral está funcionando como deveria, então você precisa de matéria escura e energia escura para explicar muitas dessas observações estranhas.

Para equilibrar a equação.

Exatamente. Quero dizer, a energia escura foi introduzida pela primeira vez com um nome diferente pelo próprio Einstein. Ele a chamou de constante cosmológica e a introduziu precisamente porque estava tentando fazer o universo se conformar à sua teoria. Quando Einstein a propôs, não se sabia que o tamanho do universo estava mudando. A relatividade geral implica que o tamanho do universo deve ser dinâmico, deve estar em colapso ou em expansão. Isso não era conhecido como verdade. Então Einstein inseriu a constante cosmológica, que agora chamaríamos de energia escura. Ele o inseriu para, exatamente como você disse, equilibrar as coisas, de modo que o universo permanecesse do mesmo tamanho.

'Uma civilização que começou um por cento mais cedo na história do universo teria 140 milhões de anos à nossa frente em termos de desenvolvimento.'

Não funcionou muito bem. O equilíbrio que você obtém é altamente instável e não persiste ao longo do tempo. E, no final, evidências observacionais indicaram que o universo não era estático, estava se expandindo. E então Einstein jogou fora. 'Ah, não precisamos mais disso.' De certa forma, voltamos a isso, porque a expansão que vemos é meio estranha. Depois de desacelerar durante a maior parte da história do universo, nos últimos bilhões de anos, a expansão vem se acelerando. Seria como jogar uma bola de beisebol no ar e ela desacelera enquanto sobe no ar como você esperaria, e então atinge uma certa altura e então começa a decolar e acelerar no céu.

Agora, uma coisa que você poderia dizer é que talvez a gravidade esteja errada. Alternativamente, você poderia dizer: 'Não, a gravidade está certa. Nossa teoria da gravidade está certa, mas talvez haja algo alimentando sua súbita aceleração no céu'. Isso é essencialmente o que a energia escura está fazendo, só que obviamente é um tipo de arranjo muito mais sofisticado.

Uma alternativa é dizer que talvez não haja matéria escura ou energia escura, e talvez a relatividade geral esteja simplesmente errada. Ao longo dos anos, surgiram propostas nesse sentido. Há uma proposta de longa data chamada Modified Newtonian Dynamics, ou MOND, que afirma banir a matéria escura. Implica modificar a relatividade geral, mudando as leis da física, de modo que a matéria escura seria desnecessária.

Eu não sou um especialista em teorias alternativas da gravidade, nem sou um especialista em MOND, mas meu entendimento é que é experimentalmente desfavorecido hoje. A evidência para a matéria escura vem de tantas direções diferentes, e postular que há apenas alguma outra substância que só interage gravitacionalmente até onde sabemos, no contexto da relatividade geral de Einstein, explica corretamente um tremendo número de fenômenos diversos, muito melhor do que as teorias alternativas da gravidade fazem. Então, o consenso hoje em dia é que a relatividade geral está funcionando bem e há um monte de coisas invisíveis, matéria escura e energia escura, causando coisas estranhas.

E quanto ao feito tecnológico deste telescópio?

Infelizmente sou a pessoa errada para fazer essa pergunta. Eu não posso nem consertar uma torradeira. Posso dizer coisas sobre as quais você já leu, que é 100 vezes mais forte que o Hubble, que essas imagens levaram muito menos tempo de exposição para serem obtidas. A imagem SMACs – que corresponde a uma porção do céu que seria coberta por um minúsculo grão de areia na ponta do seu dedo se você estendesse o braço. E o que isso mostra é que o céu está cheio de galáxias. Essa imagem de uma estrela moribunda emitindo aquela enorme nuvem de gás e poeira, você pode ver galáxias nessa imagem. Na verdade, há uma linha horizontal – eu sei disso porque assisti à transmissão ao vivo quando eles estavam anunciando os resultados. Se você olhar para a esquerda da imagem esquerda, verá este grande segmento de linha branca muito claro. E essa é uma galáxia vista de ponta. É uma galáxia de disco.

  webb telescópio espacial nebulosa do anel sul À esquerda da Nebulosa do Anel Sul, você pode ver uma galáxia de disco de lado.

Você não pode jogar uma pedra sem atingir uma galáxia. E quando olhamos para o céu noturno, não temos realmente esse sentido. Hoje em dia, com a poluição luminosa, você mal consegue ver estrelas. Mas se você pudesse de alguma forma iluminar todas as galáxias, o céu seria apenas uma esfera sólida e brilhante. É como se nossa esfera celestial, nossa cúpula no céu, fosse como um mosaico de galáxias distantes.

Todos os quais contêm um grande número de estrelas, cada uma delas.

Milhões, bilhões, centenas de bilhões, talvez até mais estrelas. E o que essas imagens nos transmitem é a sutileza de nossa relação com o resto do universo no tempo. Temos uma certa intuição sobre como o tempo funciona em nossa vida cotidiana. Temos alguma intuição de que o tempo passa da mesma maneira em um nível físico, talvez não em um nível psicológico. Mas esse tempo passa da mesma forma para todos nós. é muito difícil explicar claramente o que significa quando você fala sobre a velocidade com que o tempo passa. Quero dizer, se o tempo passa um segundo por segundo, o que isso significa? Mas também temos essa sensação de que compartilhamos um presente comum.

Existe uma posição filosófica conhecida como presentismo, e é algo que tenho certeza que a maioria das pessoas aceita apenas intuitivamente, que o presente é um conceito significativo. O presente é uma coisa real que todos compartilhamos, e não sabemos realmente sobre o passado ou o futuro. O passado é passado. Talvez o passado nem seja mais real, mas certamente o presente é real. E temos essa sensação de que o presente está constantemente avançando. Está se tornando o futuro. Está deixando de ser o passado.

Bem, esta imagem está muito bem na Terra. Mas quando você considera um objeto a mais de 7.000 anos-luz de distância, como a Nebulosa Carina, você se depara com algumas questões muito básicas sobre se nossa noção de presente realmente alcança um objeto tão distante. Ingenuamente, a resposta é sim, claro. Quero dizer, afinal, quando você diz que está vendo como era há 7.000 anos, isso pressupõe que há uma maneira como é agora, em nosso presente, que não é como era há 7.000 anos. Em nosso presente, poderia parecer muito diferente. Estamos vendo uma imagem antiga de como era 7.000 anos atrás.

Mas na verdade não é trivial estender nossa noção do presente até esse ponto. E isso se deve à relatividade de Einstein. Isso nem é relatividade geral ainda. Esta é, na verdade, sua teoria anterior, sua teoria da relatividade especial, sua teoria pré-gravitacional do espaço e do tempo. O que Einstein mostrou é que a noção de presente é relativa ao observador. Em particular, é relativo ao estado de movimento do observador.

Se você dá um passeio, e caminha, não sei, um pé por segundo, meio metro por segundo, a maneira mais natural de estender seu senso de presente para as mudanças da Nebulosa Carina. Se você mudar de direção e andar na outra direção, o efeito se inverte. Agora, alguns segundos não são muito, e você precisa de um objeto muito distante para que haja discrepâncias de alguns segundos no passado, no futuro ou no presente. Mas o que isso indica é que há uma ambiguidade. Há uma ambiguidade no que você chamaria de seu presente compartilhado. Simplesmente mudando seu estado de movimento, caminhando em direção à Nebulosa ou se afastando alguns metros por segundo, você pode mexer o futuro e o passado desse objeto para frente e para trás.

E, portanto, não há um sentido claro e inequívoco no qual ele tenha um presente definido compartilhado com você. E esse efeito se torna mais significativo quanto mais longe o objeto estiver e também quanto mais rápido você se mover. Se você entrar em um avião e estiver indo muito rápido, poderá mexer um pouco mais no futuro e no passado desse objeto. À medida que o avião gira e se move em alta velocidade em várias direções, coisas que você teria dito antes que estavam no futuro daquele objeto estão agora em seu presente, ou talvez agora em seu passado, por mais de alguns segundos. E para objetos mais distantes, pode levar minutos.

Isso está ligado a essa noção de espaço-tempo, onde pensamos em espaço e tempo como separados em nosso ambiente relativamente pequeno aqui na Terra, mas à medida que as distâncias aumentam, começa a haver menos linha divisória entre eles?

Isso mesmo. Isso é chamado de quebra de simultaneidade. Simultaneidade é outra palavra para o presente. A simultaneidade é agora um conceito relativo que depende do seu estado de movimento. E acho que uma das coisas mais impressionantes sobre isso do ponto de vista filosófico é que torna difícil evitar reificar o passado e o futuro, tornando-o real. Se eu posso fazer algo em alguns segundos em seu próprio passado parte do meu presente caminhando na outra direção, torna-se muito atraente dizer que o passado e o futuro desse objeto – e, portanto, por extensão, todos os objetos, incluindo nós mesmos, — são fatos físicos, tão reais quanto o que você chamaria de seu presente. Isso é conhecido como determinismo de blocos, ou algumas pessoas chamam de eternalismo, a ideia de que todo o espaço e todo o tempo simplesmente existem. Nossa experiência da passagem do tempo é meramente psicológica.

E esse ponto só fica mais claro quando você fala sobre objetos muito mais distantes do que a Nebulosa Carina. Uma vez que você fala sobre objetos que estão a dezenas de milhões, especialmente bilhões de anos-luz de distância, bem, então você tem que lidar com o fato de que o universo em grandes escalas é curvo. É quadridimensionalmente curvado.

Essas são algumas implicações.

Certo? ​​Talvez no final do dia, a coisa mais profunda sobre tudo isso é que é real. Nós falamos o tempo todo como, 'Ah, sim, galáxias colidindo a 200 milhões de anos-luz de distância.' A gente cansa às vezes. Mas eles estão realmente colidindo a 200 milhões de anos-luz de distância.