Cartas de Pesquisa do Cosmosda inflação às primeiras estrelas
Todas as cartas de pesquisa das Eras 0 a 4 do jogo, do Big Bang às primeiras estrelas e galáxias, com ano, autores, periódico e título do artigo de cada uma.
Os "cartões de pesquisa" do jogo são todos estudos reais publicados, um artigo por cartão. Esta página trata da seção do cosmos: da Era 0 à Era 4, do Big Bang às primeiras estrelas e galáxias, 48 cartões no total. Nós os separamos em oito temas. Cada item diz em uma frase o que foi descoberto, com a fonte entre parênteses (autores, Periódico ano). Para ler o original, basta procurar o título do artigo.
O universo está se expandindo
- Quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela se afasta. O universo não é estático (Hubble, PNAS 1929).
- Deduziu da relatividade geral que o universo pode se expandir ou se contrair, sete anos antes da evidência observacional (Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922).
- Lemaître propôs de forma independente que o universo está se expandindo e o imaginou começando de um "átomo primordial", uma forma inicial da teoria do Big Bang (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927).
- O universo primitivo passou por uma expansão exponencial, o que explica de uma só vez por que o universo é tão plano e por que sua temperatura é quase a mesma em toda parte (Guth, Physical Review D 1981).
- Resolveu o problema de como a inflação poderia terminar de forma suave, o que tornou a teoria da inflação viável (Linde, Physics Letters B 1982).
- Usando supernovas distantes como "velas padrão", descobriu que a expansão cósmica está se acelerando. A energia escura entrou em cena, e o trabalho ganhou o Nobel de 2011 (Riess et al., The Astronomical Journal 1998).
- Uma segunda equipe chegou de forma independente à mesma conclusão: alguma energia está impulsionando a expansão acelerada (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999).
- O satélite Planck deu os parâmetros cósmicos mais precisos até hoje: idade de cerca de 13,8 bilhões de anos, com a matéria comum respondendo por apenas cerca de 5% (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020).
Massa e partículas elementares
- Propôs um campo que preenche o espaço e dá massa às partículas, e previu uma nova partícula (Higgs, Physical Review Letters 1964).
- O Grande Colisor de Hádrons encontrou uma nova partícula a cerca de 125 GeV, confirmando uma previsão que esperou 48 anos (ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012).
- Prótons e nêutrons são feitos de "quarks" menores, o que pôs ordem no zoológico de partículas (Gell-Mann, Physics Letters 1964).
- Quanto mais perto os quarks estão, mais fraca é a interação entre eles; quanto mais longe, mais difícil puxar. Isso explica por que os quarks estão sempre presos juntos (Gross & Wilczek, Physical Review Letters 1973).
- Colisões de íons pesados recriaram o plasma de quarks e glúons dos primeiros microssegundos do universo, e ele se comportou como um líquido de viscosidade quase nula (STAR Collaboration, Nuclear Physics A 2005).
- A massa de um átomo se concentra num núcleo minúsculo, porque partículas alfa eram de vez em quando rebatidas por uma folha de ouro (Rutherford, Philosophical Magazine 1911).
Antimatéria e neutrinos
- Combinando a mecânica quântica com a relatividade para descrever o elétron, as soluções da equação previram, de modo inesperado, a antimatéria (Dirac, Proceedings of the Royal Society A 1928).
- Um elétron de carga positiva fotografado em raios cósmicos deu aos humanos a primeira visão da antimatéria (Anderson, Physical Review 1933).
- Listou as três condições necessárias para o universo produzir mais matéria do que antimatéria, ainda hoje o ponto de partida da pesquisa (Sakharov, JETP Letters 1967).
- O decaimento do káon mostrou que as leis físicas da matéria e da antimatéria não são perfeitamente simétricas (Christenson et al., Physical Review Letters 1964).
- Depois de anos de espera ao lado de um reator nuclear, os pesquisadores enfim pegaram a "partícula fantasma" que quase não interage com nada (Cowan, Reines et al., Science 1956).
- O detector Super-Kamiokande descobriu que os neutrinos mudam entre três tipos, o que significa que têm massa (Fukuda et al., Physical Review Letters 1998).
O resplendor do Big Bang
- Calculou como os elementos leves se formaram no Big Bang. O nome de Bethe foi incluído para fazer dele o artigo "αβγ" (Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948).
- Dois pesquisadores da Bell Labs não conseguiam eliminar um ruído na antena, e ele era o resplendor do Big Bang. Ganharam o Nobel de 1978 (Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965).
- Uma equipe de Princeton se preparava para procurar essa radiação quando os vizinhos chegaram antes, então escreveram a explicação teórica (Dicke et al., The Astrophysical Journal 1965).
- O espectro medido pelo COBE coincidiu quase perfeitamente com a curva teórica do corpo negro, dando apoio decisivo à teoria do Big Bang (Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990).
- A radiação de fundo tem ondulações de temperatura de uma parte em 100.000. Essas diferenças minúsculas são as sementes das galáxias posteriores (Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992).
- As ondas sonoras do universo primitivo deixaram uma escala característica de cerca de 500 milhões de anos-luz na distribuição das galáxias, que serve de régua para medir o universo (Eisenstein et al., The Astrophysical Journal 2005).
Hidrogênio nas eras escuras
- A primeira detecção da emissão de rádio de 21 centímetros do hidrogênio neutro permitiu aos humanos "ver" o gás da Via Láctea que de outro modo é invisível (Ewen & Purcell, Nature 1951).
- O experimento EDGES relatou um sinal de absorção de 21 centímetros deixado pelas primeiras estrelas, embora o resultado ainda seja contestado e aguarde confirmação independente (Bowman et al., Nature 2018).
- O telescópio Webb confirmou galáxias brilhantes já presentes cerca de 300 milhões de anos depois do início do universo, muito antes do esperado (Carniani et al., Nature 2024).
- O Hubble ficou olhando por dez dias para um pedacinho de céu "vazio" e fotografou cerca de três mil galáxias (Williams et al., The Astronomical Journal 1996).
- O satélite Gaia mediu as posições e os movimentos de mais de um bilhão de estrelas e produziu o mapa 3D mais detalhado da Via Láctea (Gaia Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2018).
Matéria escura
- As galáxias do aglomerado de Coma se moviam rápido demais, então Zwicky propôs a "matéria escura". A ideia foi ignorada por décadas (Zwicky, Helvetica Physica Acta 1933).
- As partes externas da Galáxia de Andrômeda giram rápido demais, então uma grande quantidade de matéria invisível deve fornecer a gravidade. A matéria escura deixou de ser um palpite (Rubin & Ford, The Astrophysical Journal 1970).
- Se a matéria escura é "fria", ou seja, de movimento lento, as galáxias se constroem de baixo para cima, passo a passo, o que combina com as observações (Blumenthal et al., Nature 1984).
- De galáxias anãs a aglomerados de galáxias, os halos de matéria escura fria seguem o mesmo perfil de densidade, depois batizado com o nome de seus três autores (Navarro, Frenk & White, The Astrophysical Journal 1996).
- Depois que dois aglomerados de galáxias colidiram, o gás ficou no meio enquanto o centro de gravidade foi para os lados, então a matéria escura tinha sido "lançada" para fora (Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters 2006).
- O satélite Planck mediu as tênues ondulações do resplendor: a matéria comum é cerca de 5% da energia total do universo, a matéria escura cerca de 27%, e o resto é energia escura (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020).
Buracos negros e ondas gravitacionais
- Uma anã branca tem um limite de massa de cerca de 1,4 massa solar. Acima dele, a estrela está fadada a continuar colapsando (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931).
- Acompanhar por mais de uma década as órbitas das estrelas perto do centro galáctico provou que ali se esconde um buraco negro de cerca de 4 milhões de massas solares. O trabalho ganhou o Nobel de 2020 (Ghez et al., The Astrophysical Journal 2008).
- Radiotelescópios do mundo todo formaram um "telescópio virtual" do tamanho da Terra e fotografaram a sombra do buraco negro no centro de M87 (Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019).
- Dois buracos negros se fundiram há 1,3 bilhão de anos, e os humanos enfim ouviram as ondulações do espaço-tempo, confirmando a previsão de Einstein de um século antes (Abbott et al., LIGO e Virgo, Physical Review Letters 2016).
- Quando o universo tinha menos de 700 milhões de anos, ele já continha um buraco negro de 800 milhões de massas solares. Como ele cresceu tão rápido ainda é um mistério (Bañados et al., Nature 2018).
- Pela primeira vez, um único evento cósmico foi ao mesmo tempo "ouvido" e "visto": a fusão de duas estrelas de nêutrons (Abbott et al., Physical Review Letters 2017).
Estrelas e elementos
- As estrelas brilham por fusão nuclear, o que resolveu o enigma de como o Sol pode queimar por bilhões de anos (Bethe, Physical Review 1939).
- Para as estrelas produzirem carbono suficiente, o carbono-12 precisava ter um nível de energia especial, o que experimentos depois confirmaram (Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954).
- Um artigo de cerca de cem páginas explicou de forma sistemática como as estrelas forjam, passo a passo, os elementos da tabela periódica. "Somos todos poeira de estrelas" começa aqui (Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957).
- O material lançado quando estrelas de nêutrons se fundem contém grande quantidade de elementos pesados. O ouro do seu anel provavelmente veio de uma colisão assim (Kasen et al., Nature 2017).
- A estudante de pós-graduação Jocelyn Bell notou um sinal de rádio preciso ao segundo. Primeiro foi apelidado de "homenzinhos verdes" e depois provou-se ser uma estrela de nêutrons (Hewish, Bell et al., Nature 1968).
Base real
O universo está se expandindo: Hubble descobriu que quanto mais longe a galáxia, mais rápido ela se afasta. O universo não é estático; está se expandindo.
Fonte:Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"
O universo de Friedmann: Friedmann deduziu da relatividade geral que o universo pode se expandir ou se contrair, sete anos antes da evidência observacional.
Fonte:Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"
O átomo primitivo: Lemaître propôs de forma independente que o universo se expande e depois imaginou que ele começou como um “átomo primitivo”, precursor da teoria do Big Bang.
Fonte:Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"
Universo inflacionário: Guth propôs que o universo primitivo passou por uma expansão exponencial, explicando de uma vez por que ele é tão plano e tem temperatura quase igual em todo lugar.
Fonte:Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
Nova inflação: Linde resolveu o problema de como a inflação poderia terminar com elegância, tornando a teoria da inflação realmente viável.
Fonte:Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"
Expansão acelerada: Usando supernovas distantes como “velas padrão”, descobriram que a expansão do universo está acelerando. A energia escura entrou em cena, e o trabalho ganhou o Nobel de 2011.
Fonte:Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
42 supernovas: Outra equipe chegou de forma independente à mesma conclusão: alguma energia do universo está impulsionando a expansão acelerada.
Fonte:Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
A receita do universo: O satélite Planck deu os parâmetros cosmológicos mais precisos até hoje: idade de cerca de 13,8 bilhões de anos, com a matéria comum sendo só cerca de 5%.
Fonte:Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
De onde vem a massa: Higgs propôs um campo que preenche o espaço e dá massa às partículas, e previu uma nova partícula.
Fonte:Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
Encontrando a partícula de Higgs: O Grande Colisor de Hádrons encontrou uma nova partícula em cerca de 125 GeV, confirmando uma previsão feita 48 anos antes.
Fonte:ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"
O modelo de quarks: Gell-Mann propôs que prótons e nêutrons são feitos de “quarks” menores, pondo ordem no zoológico de partículas.
Fonte:Gell-Mann, Physics Letters 1964, "A schematic model of baryons and mesons"
Liberdade assintótica: Quanto mais perto os quarks ficam, mais fraca é a interação; quanto mais longe, mais forte puxam. Isso explica por que os quarks estão sempre presos juntos.
Fonte:Gross & Wilczek, Physical Review Letters 1973, "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories"
Condições de Sakharov: Sakharov listou três condições necessárias para o universo produzir “mais matéria que antimatéria”. Elas ainda são o ponto de partida da pesquisa.
Fonte:Sakharov, JETP Letters 1967, "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe"
Violação de CP: O decaimento do méson K mostrou que as leis da física para matéria e antimatéria não são perfeitamente simétricas.
Fonte:Christenson, Cronin, Fitch & Turlay, Physical Review Letters 1964, "Evidence for the 2π decay of the K2 0 meson"
O pósitron: Anderson fotografou um elétron de carga positiva em raios cósmicos, a primeira vez que humanos viram antimatéria.
Fonte:Anderson, Physical Review 1933, "The positive electron"
A equação de Dirac: Dirac juntou mecânica quântica e relatividade para descrever o elétron, e uma solução da equação previu a antimatéria de forma inesperada.
Fonte:Dirac, Proceedings of the Royal Society A 1928, "The quantum theory of the electron"
Capturando o neutrino: Depois de anos de espera ao lado de um reator nuclear, finalmente pegaram essa “partícula fantasma” que quase não interage com nada.
Fonte:Cowan, Reines et al., Science 1956, "Detection of the free neutrino: a confirmation"
Oscilação de neutrinos: O detector Super-Kamiokande descobriu que os neutrinos mudam entre três tipos, o que significa que têm massa.
Fonte:Fukuda et al. (Super-Kamiokande), Physical Review Letters 1998, "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos"
O líquido perfeito: Colisões de íons pesados recriaram o plasma de quarks e glúons dos primeiros microssegundos do universo, que se comporta como um líquido quase sem viscosidade.
Fonte:STAR Collaboration, Nuclear Physics A 2005, "Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma"
O artigo αβγ: Alpher e Gamow calcularam como os elementos leves se formaram no Big Bang, e o nome de Bethe foi incluído para fazer “αβγ”.
Fonte:Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
Radiação cósmica de fundo: Dois pesquisadores da Bell Labs não conseguiam eliminar o ruído da antena e por fim perceberam que era o brilho residual do Big Bang. Ganharam o Nobel de 1978.
Fonte:Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"
Explicando o brilho residual: Uma equipe de Princeton se preparava para procurar essa radiação, foi ultrapassada pelo laboratório vizinho e escreveu a explicação teórica.
Fonte:Dicke, Peebles, Roll & Wilkinson, The Astrophysical Journal 1965, "Cosmic black-body radiation"
Um corpo negro perfeito: O espectro medido pelo COBE bateu quase perfeitamente com a curva teórica do corpo negro, dando apoio decisivo à teoria do Big Bang.
Fonte:Mather et al., The Astrophysical Journal Letters 1990, "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"
Ondulações no brilho residual: A radiação de fundo tem ondulações de temperatura de uma parte em 100.000. Essas pequenas diferenças viraram as sementes das galáxias.
Fonte:Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters 1992, "Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps"
Oscilações acústicas bariônicas: Ondas sonoras do universo primitivo deixaram uma escala característica de cerca de 500 milhões de anos-luz na distribuição das galáxias, que virou uma régua para medir o universo.
Fonte:Eisenstein et al., The Astrophysical Journal 2005, "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies"
A linha de 21 cm: A primeira detecção da emissão de rádio de 21 cm do hidrogênio neutro permitiu aos humanos “ver” gás da Via Láctea que de outra forma é invisível.
Fonte:Ewen & Purcell, Nature 1951, "Observation of a line in the galactic radio spectrum"
Sinal da aurora cósmica: O experimento EDGES relatou um sinal de absorção de 21 cm deixado pelas primeiras estrelas, mas o resultado ainda é contestado e aguarda verificação independente.
Fonte:Bowman et al., Nature 2018, "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"
O núcleo atômico: Partículas alfa às vezes voltavam rebatidas de uma folha de ouro, e Rutherford concluiu que a massa do átomo se concentra num núcleo minúsculo.
Fonte:Rutherford, Philosophical Magazine 1911, "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"
O que alimenta as estrelas: Bethe calculou que as estrelas brilham por fusão nuclear, resolvendo o enigma de como o Sol queima por bilhões de anos.
Fonte:Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"
Massa invisível: A periferia da galáxia de Andrômeda gira rápido demais, então uma grande quantidade de matéria invisível deve fornecer a gravidade. A matéria escura deixou de ser só um palpite.
Fonte:Rubin & Ford, The Astrophysical Journal 1970, "Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions"
Primeira proposta da matéria escura: Zwicky notou que as galáxias do Aglomerado de Coma se moviam rápido demais e propôs que existe “matéria escura”. A ideia foi ignorada por décadas.
Fonte:Zwicky, Helvetica Physica Acta 1933, "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln"
Aglomerado da Bala: Depois que dois aglomerados de galáxias colidiram, o gás ficou no meio enquanto os centros de gravidade acabaram um de cada lado. A matéria escura tinha sido “arremessada” para fora.
Fonte:Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters 2006, "A direct empirical proof of the existence of dark matter"
Sombra de um buraco negro: Radiotelescópios do mundo todo formaram um “telescópio virtual” do tamanho da Terra e fotografaram a sombra do buraco negro no centro de M87.
Fonte:Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"
Ondas gravitacionais: Dois buracos negros se fundiram há 1,3 bilhão de anos, e as ondulações no espaço-tempo foram enfim ouvidas por humanos, confirmando a previsão de Einstein de um século antes.
Fonte:Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"
O limite de Chandrasekhar: Uma anã branca tem uma massa máxima, cerca de 1,4 massa solar. Além dela, a estrela está condenada a continuar colapsando.
Fonte:Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"
Buraco negro gigante no universo primitivo: Quando o universo tinha menos de 700 milhões de anos, já havia um buraco negro de 800 milhões de massas solares. Como cresceu tão rápido? Ainda é um mistério.
Fonte:Bañados et al., Nature 2018, "An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5"
O centro galáctico: Acompanhar estrelas perto do centro galáctico por mais de uma década provou que ali se esconde um buraco negro de cerca de 4 milhões de massas solares. Nobel de 2020.
Fonte:Ghez et al., The Astrophysical Journal 2008, "Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits"
B²FH: este artigo de cem páginas explicou, passo a passo, como as estrelas forjam os elementos da tabela periódica. Somos todos poeira de estrelas, e é aqui que essa ideia começa.
Fonte:Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957, "Synthesis of the elements in stars"
A previsão de Hoyle: Para as estrelas produzirem carbono suficiente, Hoyle previu que o carbono-12 precisa ter um nível de energia especial, o que os experimentos depois confirmaram.
Fonte:Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954, "On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"
Quilonova: A primeira vez que o mesmo evento cósmico foi “ouvido” e “visto”: a fusão de duas estrelas de nêutrons.
Fonte:Abbott et al., Physical Review Letters 2017, "GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"
De onde vem o ouro: O material lançado pelas fusões de estrelas de nêutrons contém grandes quantidades de elementos pesados. O ouro do seu anel provavelmente veio de uma colisão dessas.
Fonte:Kasen et al., Nature 2017, "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"
Pulsares: A estudante de doutorado Jocelyn Bell notou um sinal de rádio preciso ao segundo. No começo chamado de brincadeira de “homenzinhos verdes”, acabou sendo uma estrela de nêutrons.
Fonte:Hewish, Bell et al., Nature 1968, "Observation of a rapidly pulsating radio source"
Uma galáxia com redshift 14: O telescópio Webb confirmou galáxias brilhantes que já existiam cerca de 300 milhões de anos depois do início do universo, muito antes do esperado.
Fonte:Carniani et al., Nature 2024, "Spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at a redshift of 14"
Campo Profundo do Hubble: O Hubble encarou um pedacinho de céu “vazio” por dez dias de exposição e captou cerca de três mil galáxias.
Fonte:Williams et al., The Astronomical Journal 1996, "The Hubble Deep Field: Observations, data reduction, and galaxy photometry"
Mapa estelar do Gaia: O satélite Gaia mediu as posições e os movimentos de mais de um bilhão de estrelas, produzindo o mapa 3D mais detalhado da Via Láctea.
Fonte:Gaia Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2018, "Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties"
Matéria escura fria: Se a matéria escura é “fria” e lenta, as galáxias se agrupam de baixo para cima, passo a passo, o que bate com as observações.
Fonte:Blumenthal, Faber, Primack & Rees, Nature 1984, "Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter"
A forma dos halos de matéria escura: Simulações de computador mostram que os halos de matéria escura fria, de galáxias anãs a aglomerados de galáxias, seguem o mesmo perfil de densidade. O perfil depois foi batizado com o nome de seus três autores.
Fonte:Navarro, Frenk & White, The Astrophysical Journal 1996, "The structure of cold dark matter halos"
A receita do universo: O satélite Planck mediu as minúsculas flutuações da radiação cósmica de fundo: a matéria comum responde por cerca de 5% da energia total do Universo, a matéria escura por cerca de 27%, e o resto é energia escura.
Fonte:Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"