15 de fev de 2013

Hubble em três atos

Domingos SL Soares

Publicado originalmente na página do autor em 01 de fevereiro de 2013.




Edwin Powell Hubble (1889-1953), o “Navegador das Nebulosas”, quase foi agraciado com o prêmio Nobel de Física de 1953, apesar de ser um astrônomo. A morte interviu nesse mesmo ano, impedindo que o comitê do Nobel fizesse uma exceção em favor do astrônomo: não existe prêmio Nobel de Astronomia mas ele teria esta honraria através do prêmio de Física. A história do episódio está narrada em O prêmio Nobel de Hubble. Neste artigo, eu concedo o prêmio postumamente — o que de fato nunca pode ocorrer — a Hubble, com a seguinte citação:


“Pela sua contribuição para o entendimento definitivo da verdadeira natureza das nebulosas e pela inauguração de uma nova era de investigação científica.”


A descoberta das galáxias foi apenas uma das múltiplas facetas do trabalho astronômico de Hubble. Apresentarei aqui três aspectos deste trabalho, dois deles relacionados diretamente com a sua empreitada maior, que foi colocar um ponto final no “Grande Debate”, que vinha se arrastando há muitos anos, sobre a verdadeira natureza das nebulosas, especialmente, das nebulosas espirais. A situação atingira o seu clímax em 1920, com a realização de um debate entre os renomados astrônomos da época Harlow Shapley (1885-1972) e Heber Curtis (1872-1942), a respeito da natureza das nebulosas espirais, em última instância, a respeito das dimensões do universo.

O terceiro aspecto — o terceiro ato — versa sobre a importância dos espectroscopistas Vesto Melvin Slipher (1875-1969) e Milton Lasell Humason (1891-1072) no contexto geral da astrofísica extragaláctica, o novo ramo da astronomia inaugurado por Hubble, e arena da cosmologia relativista, a cosmologia teórica baseada na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein (1879-1955). São comuns, na literatura científica dos últimos tempos, reivindicações de uma posição mais destacada para os dois, no conselho dos pais da cosmologia moderna. Tentarei mostrar que esta reivindicação carece de substância.
Vamos pois abrir as cortinas e começar mais uma peça da tragédia hubbleniana.

Primeiro ato: “universos-ilha” versus “galáxias comparáveis”


A hipótese dos universos-ilha surgiu em meados do século XVIII e o seu mais famoso defensor é o filósofo alemão Immanuel Kant (1724-1804). A ideia é a de que as estrelas poderiam estar associadas, i.e., ligadas pela atração gravitacional mútua, em sistemas independentes da Via Láctea. E já haviam muitos candidatos a universos-ilha, especialmente as famosas nebulosas espirais. É claro que a comprovação desta hipótese dependia de um dado observacional fundamental, a distância até o universo-ilha. Quer dizer, se esta distância fosse muito maior que as dimensões da Via Láctea, então estaria demonstrado que os universos-ilha — as nebulosas — eram sistemas remotos e independentes.

A determinação de distância em astronomia sempre foi e sempre será um problema fundamental, cuja solução é necessária para a comprovação das mais diversas hipóteses e teorias. Não foi diferente aqui, e a discussão se arrastou por dezenas de anos devido à falta de conhecimento da distância até as nebulosas espirais. A situação começou a melhorar apenas no século XIX, quando em 1838 o matemático e astrônomo alemão Friedrich Wilhelm Bessel (1784–1846) mediu a primeira paralaxe anual de uma estrela — 61 Cygni, uma das mais próximas da Terra — obtendo assim pela primeira vez a distância precisa até uma estrela. Isto não resolveu por si só o problema das distâncias às nebulosas, mas constituiu-se no primeiro degrau de uma escada muito importante, a escada de distâncias, que eventualmente levou Hubble até aos píncaros cósmicos de então, as nebulosas espirais.


De degrau em degrau, Hubble chegou ao degrau das variáveis Cefeidas, que lhe permitiu a determinação das distâncias até três galáxias do Grupo Local: NGC 6822 (galáxia de Barnard, em 1925), M33 (galáxia do Triângulo, em 1926) e M31 (galáxia de Andrômeda, em 1929). O relato destas descobertas está em seu The Realm of the Nebulae, de 1936, nos capítulos IV (Distances of Nebulae) e VI (The Local Group). No segundo ato, discutiremos este assunto em mais detalhes.

Este, portanto, foi o ponto final do Grande Debate de que falamos acima.

Mas há um detalhe em tudo isso. Acompanhando a hipótese dos universos-ilha havia uma outra ideia, — um apêndice conceitual — denominada hipótese das galáxias comparáveis. Passemos a palavra ao próprio Hubble. À página 96 do Realm lemos:


(…) the theory of island universes seemed to be established beyond reasonable doubt.
The theory had taken two forms. “Island universes” implied merely that the nebulae were independent stellar systems, scattered through extragalactic space. “Comparable galaxies” carried the additional implication that the dimensions of nebulae were more or less comparable with those of the galactic system itself.

Na raiz de toda esta polêmica estava Harlow Shapley, contemporâneo — e, podemos arriscar, desafeto de Hubble (cf. Edwin Hubble, Mariner of the Nebulae, de Gale Christianson e COSMOS:21out11). Pois bem, Shapley havia determinado o diâmetro da Via Láctea (o sistema galáctico, “galactic system”, como aparece no texto de Hubble) em 300.000 anos-luz, baseado na distribuição de seus aglomerados globulares. Se as dimensões das nebulosas fossem comparáveis, as distâncias implicadas, em virtude de suas dimensões aparentes no céu, seriam tão grandes que estrelas nova (um tipo de estrela extraordinariamente brilhante) que eram nelas observadas teriam que ter brilhos intrínsecos absurdamente maiores do que as novas observadas na Via Láctea. E isto não era facilmente assimilado pela comunidade astronômica contemporânea. Em determinado ponto chegou-se até a pensar — Realm, página 98 — que

(…) if nebulae were island universes, the galactic system was a continent.

No entanto, o assunto foi logo resolvido após uma revisão da determinação do diâmetro da Via Láctea, que foi reduzido para a metade ou até um terço do valor original, e pela determinação do diâmetro da nebulosa espiral de Andrômeda, M31, através do mesmo método dos aglomerados globulares. M31 mostrou-se, de fato, comparável à Via Láctea. Os universos-ilha, portanto, como foi admitido na época, eram comparáveis ao nosso sistema galáctico. Novamente Hubble, página 99:

It is not impossible that the galactic system as viewed from M31 covers an area in the sky comparable with that of the spiral as seen from the galactic system.

É importante salientar que a questão das “galáxias comparáveis” era relevante então, quando as galáxias estavam justamente no processo de serem “descobertas”. Hoje, e muito graças ao trabalho posterior do próprio Hubble, na classificação morfológica das galáxias, sabemos que elas existem em tamanhos e formas variadas. Existem desde galáxias anãs — mil vezes menores que a Via Láctea — até gigantescas galáxias, nos centros de aglomerados de galáxias, cujos diâmetros são comparáveis à distância da Via Láctea a M31, cerca de 2.500.000 anos-luz.


Segundo ato: a descoberta das galáxias


Já mencionamos no primeiro ato que Hubble “descobriu” as galáxias ao determinar as distâncias até três delas, e verificar que elas eram significativamente maiores que as dimensões da Via Láctea. Elas não poderiam então fazer parte do nosso sistema galáctico. A propósito, uma delas era a grande nebulosa de Andrômeda, a galáxia número 31 do catálogo do astrônomo francês Charles Joseph Messier (1730–1817), conhecida como M31. Esta galáxia goza da peculiaridade extraordinária de ser o objeto extragaláctico mais distante visível a olho nu.
O que é importante ressaltar é que Hubble, estando no meio de um acalorado debate sobre a natureza das nebulosas, deveria encontrar um modo inequívoco de obter as distâncias até elas. E ele o fez, usando a própria arma do inimigo, i.e., de seu concorrente imediato. Vejamos como isto se deu.

Harlow Shapley havia mostrado que os aglomerados estelares globulares — conjuntos de centenas de milhares de estrelas distribuídas esfericamente, como uma bola — se espalhavam aleatoriamente ao redor de um ponto da Via Láctea, o seu centro. Ele fez isto determinando observacionalmente as distâncias até os aglomerados, utilizando o método recém descoberto por Henrietta Leavitt, das estrelas variáveis Cefeidas. Em resumo, ele identificava Cefeidas nos aglomerados — como, por exemplo, Ômega de Centauro mostrado abaixo —, media os seus períodos de variação de brilho, e daí chegava às distâncias (o método das variáveis Cefeidas para a determinação de distâncias está descrito no artigo Henrietta Leavitt, a mulher que descobriu uma régua cósmica). 


O aglomerado globular Ômega de Centauro (ω Cen ou NGC 5139), de nossa galáxia, possui cerca de 10 milhões de estrelas, a maioria delas muito mais velhas do que o Sol. As estrelas se distribuem no formato de uma bola ou glóbulo; ω Cen possui um diâmetro de 150 anos-luz. A Via Láctea possui mais de 150 aglomerados globulares espalhados em um halo esférico em volta do disco galáctico (http://apod.nasa.gov/apod/ap110615.html).
 
A galáxia espiral M104, mostrada na figura a seguir, possui também um sistema de aglomerados globulares — como em geral todas as galáxias de grande porte —, os quais servem, exatamente como na Via Láctea, para indicar a posição do centro galáctico. A enorme vantagem da Via Láctea é que nela as estrelas dos aglomerados podem ser observadas individualmente, e entre elas pode-se identificar estrelas variáveis Cefeidas, bastante úteis para a determinação de distâncias.


A galáxia M104 (NGC 4594) é uma espiral vista de perfil, conhecida como “galáxia do Sombreiro” em virtude do formato peculiar de um chapéu mexicano. A faixa escura que atravessa a imagem é formada por nuvens de poeira e gás que obscurecem a luz das estrelas. Os pontos luminosos espalhados em volta do disco galáctico — delineado pela faixa de poeira — são aglomerados globulares semelhantes a ω Cen. Em virtude da distância de M104, as estrelas dos aglomerados não podem ser vistas individualmente, i.e., os aglomerados não podem ser resolvidos. Note que os aglomerados se distribuem aleatoriamente em torno do centro galáctico (http://apod.nasa.gov/apod/ap110615.html).


Shapley verificou que os seus aglomerados se distribuíam numa esfera de 300.000 anos-luz de diâmetro, cujo centro estava localizado na constelação austral de Sagitário. Shapley acreditava, e defendia com unhas e dentes, que este sistema era todo o universo. Desta maneira, entendemos a sua posição no Grande Debate: ele defendia que as nebulosas espirais eram objetos de sua Galáxia e, consequentemente, defendia um universo de dimensões bem mais modestas do que o de seus opositores. O que Hubble fez foi identificar variáveis Cefeidas em três galáxias do Grupo Local, determinar as suas distâncias e verificar que elas eram muito maiores que os 300.000 anos-luz do universo de Shapley. Como poderia Harlow Shapley discordar dos resultados de Hubble? As curvas de luz de variáveis Cefeidas não deixam margem para dúvidas.

Hubble aumentou o tamanho do universo para dimensões inefáveis, desbancou a arrogância individualista de seu rival, e nunca utilizou de forma regular o termo “galáxia”, por ser este o termo preferido por Shapley para se referir às nebulosa extragalácticas. Ele usou até a morte a expressão “nebulosa extragaláctica”, conforme Gale Christianson nos revela na biografia do gênio desbravador do reino extragaláctico.


Terceiro ato: Slipher e Humason


De tempos em tempos artigos aparecem na literatura científica com argumentos em favor de uma melhor apreciação dos trabalhos dos astrônomos Vesto Slipher e Milton Humason.
Slipher foi o pioneiro da espectroscopia de galáxias, tendo se esforçado no aprimoramento dos espectrógrafos para obter espectros de fontes difusas como eram as nebulosas espirais, nas primeiras décadas do século XX. Uma das últimas manifestações em seu favor intitula-se “The contribution of VM Slipher to the discovery of the expanding universe”, do físico irlandês Cormac O’Raifeartaigh, disponível em http://arxiv.org/abs/1212.5499 O'Raifeartaigh chega a sugerir que o diagrama de velocidades–distância de Hubble seja denominado diagrama de Hubble-Slipher.

Milton Humason notabilizou-se por ter sido o assistente noturno e colaborador de Edwin Hubble, tanto no Observatório de Monte Wilson (telescópio de 100 pol=2,5 m de abertura) quanto no Palomar (telescópio de 200 pol=5 m). A história de Humason constitui um interessante capítulo da história universal da astronomia, e está apresentado com mais detalhes em COSMOS:05ago11, onde comento o artigo do astrônomo canadense Sidney van den Bergh intitulado “Discovery of the Expansion of the Universe” (http://arxiv.org/abs/1108.0709). Ele contém uma referência bastante interessante, a qual contém a transcrição de uma entrevista dada por Milton Humason por volta de 1965. A entrevista é bastante informal e traz revelações muito interessantes sobre as atividades de Hubble relacionadas à descoberta do chamado — por mim — “efeito Hubble”.

Por mais que os autores de tais artigos se esforcem, o que torna-se claro é que Slipher e Humason eram extraordinários espectroscopistas, mas que não se relacionavam de forma alguma com as interpretações dos dados que obtinham nos telescópios.

A espectroscopia é a grande responsável pela transformação da astronomia em astrofísica. Os espectros de fontes celestes, acompanhados de modelos físicos e químicos, permitem o conhecimento de inúmeras propriedades, tanto físicas quanto químicas, dos mesmos: temperaturas, densidades, velocidades, massas, etc. A espectroscopia é uma técnica refinadíssima quanto à instrumentação óptica. A luz de um objeto, ou seja, os fótons emitidos por ele são distribuídos entre os vários comprimentos de onda da radiação que chega ao telescópio. Quer dizer, se o objeto em questão é muito brilhante e concentrado, como uma estrela próxima, há abundância de fótons numa pequeníssima região do céu, e a tarefa torna-se mais fácil. Mas se a fonte é extensa e fraca, como uma galáxia, a obtenção de um espectro é tarefa para gigantes. Especialmente no início do século XX, quando os detectores eram chapas — de vidro ou de película — com emulsões fotográficas. Nas melhores chapas e condições, mais de 90% dos fótons incidentes são perdidos no processo de detecção. (Hoje em dia a situação se inverteu, pois com os detectores CCD, mais de 90% dos fótons incidentes são medidos; veja mais detalhes em O fabuloso CCD).

Slipher e Humason eram espectroscopistas, e assim, a única e verdadeira ambição de ambos era certamente encontrar o melhor conjunto óptico que lhes permitissem concentrar o maior número de fótons em suas emulsões fotográficas. Nada de cosmologia passava pelas suas mentes. A própria espectroscopia era uma obsessão mais do que suficiente e que ocupava integralmente as suas vidas.


Considerações finais



Hubble possuía qualidades fundamentais para um grande explorador do desconhecido: o respeito pelos dados experimentais e observacionais e a coragem de apresentar resultados inéditos cujas comprovações ainda estavam em andamento. Além disso, Hubble sabia como ninguém apresentar os resultados de sua pesquisa, de forma a despertar o interesse e o envolvimento alheio. A chamda “expansão do universo” representa um caso típico do trabalho de Hubble como “vendedor de ideias”, característica esta, proeminente no desenrolar de toda a sua carreira. Hubble parece nunca ter acreditado na expansão (ver Sandage versus Hubble e A cosmologia de Hubble), mas acabou por ser conhecido como o seu descobridor, o que lhe trouxe enormes facilidades no financiamento de seu trabalho de pesquisa e na construção de novos equipamentos. Destaca-se neste último item, a construção do famoso telescópio de 5 m de abertura do Monte Palomar.
Neste ponto, não posso resistir a um toque pessoal neste pequeno drama hubbleniano.

Como mencionei em COSMOS:05ago11, em fevereiro de 1998, eu e meu ex-aluno de mestrado, Paulo Márcio Vilaça Veiga tivemos uma noite de observação no Observatório Palomar. Observamos das 18 horas às 6 da manhã e obtivemos espectros de galáxias em interação, que haviam sido estudadas por Paulo em sua dissertação. Os espectros obtidos naquela noite foram posteriormente estudados — um sistema — por minha ex-aluna de mestrado Natália Rezende Landin, e — todos os sistemas — por meu ex-aluno David Balparda de Carvalho, também em sua dissertação de mestrado. Foi bastante emocionante para mim e Paulo estar nos mesmos ambientes onde Hubble, Humason e outros gigantes da astronomia extragaláctica estiveram.

Finalizo apresentando uma nota dissonante. O artigo do astrônomo Michael J. Way, intitulado Dismantling Hubble's Legacy? lança dúvidas sobre a real profundidade científica de Hubble. Reproduzo o resumo do artigo:

Edwin Hubble is famous for a number of discoveries that are well known to amateur and professional astronomers, students and the general public. The origins of these discoveries are examined and it is demonstrated that, in each case, a great deal of supporting evidence was already in place. In some cases the discoveries had either already been made, or competing versions were not adopted for complex scientific and sociological reasons.

Sintomaticamente, este artigo foi apresentado numa conferência promovida pela Sociedade Astronômica do Pacífico (Astronomical Society of the Pacific, ASP) em setembro de 2012, para celebrar o centenário da medição do primeiro espectro de M31 por Vesto Slipher. Este espectro permitiu a determinação da velocidade radial desta galáxia. O espectro de M31 apresenta um desvio espectral para o azul.



Agradecimento – Este texto foi publicado também no blog Além das Estrelas, que é uma iniciativa de Daniel Borba, estudante de graduação em Geofísica (USP, São Paulo, SP).



Leia outros artigos em http://www.fisica.ufmg.br/~dsoares/notices.htm.

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