quarta-feira, 29 de maio de 2019

Cem anos do eclipse em Sobral

Há exatos 100 anos um eclipse total do Sol confirmava a teoria da relatividade geral do físico Albert Einstein na cidade cearense de Sobral. Era o dia 29 de maio de 1919. O resultado do fenômeno astronômico transformou Einstein da noite para o dia numa celebridade mundial. Mas, que teoria é essa e como foi realizada a sua comprovação observando-se apenas um eclipse?

Previsões da teoria da relatividade geral:

No começo de 1916, Albert Einstein publicou no número de março da revista científica alemã Annalen der Physik um artigo que explicava uma nova teoria de gravitação, cujo título é curto e direto, "A fundação da teoria da relatividade geral". O sucesso foi tão grande que o texto foi reimpresso várias vezes como separata. Na parte final do artigo, Einstein relaciona as três previsões teóricas para a sua teoria:

1. Os comprimentos de onda da luz emitida por grandes estrelas devem estar deslocados para a região do vermelho do espectro.
2. Um raio de luz que passe próximo ao Sol deve sofrer uma deflexão de 1,7'' (1,7 segundo de arco).
3. A elipse orbital de um planeta sofre uma lenta rotação, ele precessiona em torno do Sol. Os cálculos da teoria mostravam que para o planeta Mercúrio a rotação é de cerca de 43'' de arco por ano, o que concordava com as observações astronômicas.

No que diz respeito ao ítem 1, a verificação era muito difícil de ser realizada na época. Em relação ao ítem 3, desde meados do século XIX os astrônomos já sabiam que o periélio - o ponto mais próximo do Sol - de Mercúrio não era fixo, ele apresentava um movimento de precessão em torno da estrela ao longo dos séculos. Havia 43'' de arco de diferença por ano que não possuía explicação levando-se em conta (i) a influência de outros planetas, (ii) a existência de um planeta desconhecido (Vulcano?), ou mesmo (iii) a incorreção da lei da gravitação de Newton, a lei de força não seria exatamente do tipo inverso do quadrado da distância, mas algo como o inverso de 2+x, onde x seria um número bem pequeno. Após análises cuidadosas, todas as três hipóteses para explicar a precessão da órbita de Mercúrio foram descartadas. A teoria da relatividade geral encontrava o valor preciso. Mas... a complexidade matemática da teoria ainda deixava muitos cientistas céticos quanto à sua veracidade. Era então fundamental verificar se a previsão do ítem 2 poderia ser confirmada. A melhor maneira de fazer isso seria fotografar o céu próximo ao Sol durante um eclipse solar e comparar com essa mesma região num momento em que o Sol não estivesse presente. Um eclipse solar do Sol seria o laboratório que forneceria o teste final para a teoria.

A teoria da relatividade geral:

Desde o século XVII, em virtude dos trabalhos do inglês Isaac Newton, sabe-se que os planetas giram em torno do Sol em virtude da atração gravitacional da estrela. A gigantesca massa solar atrai todos os planetas, cometas, meteoros que estão no sistema solar em direção ao Sol. Newton descobriu que essa força é proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa as duas massas. Esse era um fato bem estabelecido desde a época de Newton e com esse conhecimento foi possível prever inclusive a existência de outros planetas, como Netuno, apenas notando-se a perturbação que ele provocava em outros planetas. 

A relatividade restrita, formulada por Einstein em 1905, afirma que todas as leis físicas são as mesmas para qualquer referencial inercial. A teoria da relatividade geral, também formulada por Einstein em 1916, não tem a restrição de que as leis físicas devem valer apenas em sistemas de coordenadas inerciais, mas também em sistemas não-inerciais. Essa é a grande diferença entre as duas teorias.

O eclipse em Sobral mostrou uma nova faceta da gravitação. Mas para entender melhor esse novo significado, precisaremos nos reportar a alguns conceitos da física. O primeiro deles diz respeito aos sistemas inerciais. Um sistema inercial é um sistema de coordenadas no qual as leis da mecânica são válidas. Ele é ilimitado no espaço e no tempo. Num tal sistema, um corpo no qual não atuassem forças externas, se moveria com velocidade uniforme. O sistema inercial é mais uma idealização do que uma realidade facilmente observável. A Terra, por exemplo, não pode ser considerada um sistema inercial pois ela está girando e, portanto, existiria uma força externa atuando sobre um sistema localizado em sua superfície. Similarmente, se for considerada a rotação do Sol, ele também não pode ser considerado um sistema inercial, a menos que considerássemos um problema no qual esse seu movimento pudesse ser desprezado.

Consideremos - como num exemplo pensado por Einstein - um observador que está dentro de um elevador que não permite visão do exterior e encontra-se em queda livre. Vamos supor que o elevador está despencando de um prédio inimaginavelmente alto e que a resistência do ar é completamente desprezível, bem como qualquer forma de atrito. O observador no seu interior pode fazer uma série de experimentos. Se ele soltar dois objetos de massas bem diferentes, uma pena e uma caneta de aço, por exemplo, elas permanecerão em repouso pois nenhuma força atua sobre elas. Portanto, para o observador que está dentro do elevador, trata-se de um referencial inercial. Obviamente, em algum momento ele se chocará com o solo; o sistema é limitado no tempo. Também é limitado espacialmente pois está delimitado pelas seis faces internas do elevador. Isso significa que para o observador interno, na verdade, o seu sistema é inercial localmente. Entretanto, para um observador externo que enxerga a queda, claramente o elevador e todos os objetos no seu interior estão sujeitos a uma força, portanto, o elevador é um referencial não-inercial.

No seu livro "A evolução da Física" escrito com Leopold Infeld, Einstein propões um segundo experimento mental. Imaginemos um elevador fechado que está sendo acelerado para cima por uma força constante. Um observador externo poderia afirmar (i) que o seu referencial é inercial e (ii) que para um observador interno, as leis da mecânica não são válidas (já que está num referencial não-inercial). Um observador interno pode dizer que embora o seu referencial seja não-inercial, isso se deve ao fato dele encontrar-se num campo gravitacional e não porque o elevador está sendo puxado por uma força constante. As duas descrições, como afirma Einstein, são consistentes e não há possibilidade de dizer qual das duas é a correta.

Vamos sofisticar um pouco o experimento mental. Imaginemos que em um orifício lateral no elevador a luz penetra horizontalmente. Devido ao movimento do elevador ela atingirá a parede oposta num tempo posterior, curtíssimo. O observador externo verá que a luz atinge a parede oposta numa altura um pouco mais abaixo daquele na qual ela entrou, devido o movimento do elevador. Na verdade, o raio de luz possuirá uma trajetória ligeiramente curva devido a esse movimento. Numa primeira análise, o observador interno poderia pensar que se estivesse de fato sujeito a uma força gravitacional, como a luz não tem massa, então ela seguiria uma trajetória reta. Dessa maneira, o observador poderia inferir se estava num campo gravitacional (luz com trajetória reta) ou apenas sujeito a uma força qualquer não gravitacional que acelerasse o elevador (luz com trajetória curva). Entretanto, esta análise estaria incorreta porque, em virtude da relação massa-energia da relatividade especial, a luz é como se tivesse massa.

De fato, num campo gravitacional, a luz deve se curvar à gravidade e, consequentemente, não há maneira do observador interno descobrir se a luz se curva devido a um efeito de inércia do movimento do elevador (que está sendo puxado por uma força) ou se devido a um efeito de um campo gravitacional. A teoria da relatividade geral afirma que as duas situações são equivalentes. Ou seja, a gravidade desvia a luz. É aqui que entra o eclipse solar de 1919 em Sobral. Nesse dia aconteceu um eclipse total que podia ser observado em dois locais: na ilha do Príncipe, na costa do continente africano, e na cidade de Sobral, no interior do estado do Ceará. Essa era a primeira oportunidade, após a publicação do trabalho de Einstein sobre a teoria da relatividade geral, de se observar se de fato a gravidade desvia a luz. A observação na ilha do Príncipe foi prejudicada pelas condições atmosféricas adversas. Em Sobral, entretanto, os astrônomos ingleses que vieram registrar o fenômeno observaram, comparando com uma fotografia da mesma região sem o Sol estar presente, que as estrelas próximas ao astro-rei pareciam ter um desvio compatível com aquele previsto pela teoria de Einstein. Esse foi um extraordinário teste da teoria.







quarta-feira, 10 de abril de 2019

Buraco negro - uma fotografia

O que são os buracos negros:

Em termos genéricos, os buracos negros podem ser considerados como um dos possíveis estágios finais da vida de algumas estrelas. Dependendo de suas massas, as estrelas podem nos estágios finais, transformar-se numa anã branca, numa estrela de nêutrons ou num buraco negro. Ele seria originário de uma estrela que sofreu um colapso gravitacional após as reações termonucleares terem encerrado. Isso porque enquanto estão ocorrendo as reações termonucleares no núcleo da estrela, esse processo equilibra a atração gravitacional gerada pela imensa massa da estrela; quando a reação termonuclear acaba, a contração gravitacional predomina. Na verdade, a questão é mais complexa.

Uma estrela como o Sol, após queimar por um longo tempo o seu combustível nuclear, se transformará em uma gigante vermelha (A bela estrela Betelgeuse da constelação de Orion é um exemplo bem representativo do que seja uma gigante vermelha). Uma gigante vermelha é uma estrela que se expandiu em dimensão; no caso do Sol o seu diâmetro englobará a órbita da Terra. Mas à medida que superfície da estrela se expande, aumenta a massa do seu núcleo que conterá uma pequena massa da estrela, mas com uma grande densidade. Esse estágio é conhecido como anã branca. Passado mais algum tempo cessam todos os processos termonucleares e a estrela vira uma anã preta. Acredita-se que isso acontecerá mais cedo ou mais tarde com todas as estrelas que possuem uma massa de até 1,4 vezes a massa do Sol. Essa massa limite é chamada de limite de Chandrasekhar, que foi calculado inicialmente por Subrahmanyan Chandrasekhar em 1929 e independentemente por Lev Landau em 1930.

Se a massa da estrela estiver acima do limite de Chandrasekhar, a estrela também se transformará em uma gigante vermelha e o seu núcleo virará uma anã branca. Entretanto, a agregação de massa não parará e a repulsão das partículas da matéria pelo princípio de Pauli será inferior à pressão gravitacional extraordinária. Numa situação crítica a temperatura e a pressão serão tão grandes que reações nucleares produzem uma enorme quantidade de energia que é expulsa em forma de neutrinos. Eles aquecem bruscamente as regiões mais exteriores da estrela, freando o colapso gravitacional e produzindo uma explosão gigantesca, quando, então, a estrela se transforma numa supernova [1]. Mesmo após a explosão da supernova, permanece um núcleo que continua a colapsar gravitacionalmente, mas a densidade atinge valores altíssimos. Nessa situação a estrela é formada basicamente por partículas elementares denominadas de nêutrons, e o objeto celeste recebe o nome de estrela de nêutrons [2].

Se esse remanescente que formou a estrela de nêutrons possuir uma massa superior a 2,5 vezes a massa do Sol (o chamado limite de Landau-Oppenheimer-Volkov), então o colapso gravitacional não se encerra na estrela de nêutrons, criando-se então um novo corpo estelar, que é exatamente o buraco negro.

Um dos primeiros cientistas a cogitar a existência de buracos negros foi o francês Pierre Simon de Laplace, que nas duas primeiras edições do seu livro Exposition du Système du Monde (1796 e 1799) propôs que poderiam existir estrelas cuja alta densidade (por exemplo, uma estrela com as dimensões do Sol e a densidade da Terra) impediria que as "moléculas de luz" escapassem de sua atração gravitacional [3] (naquela época a ideia de fóton não estava devidamente estabelecida).

As ideias de Laplace e alguns dos seus seguidores eram demasiadamente especulativas, uma vez que não existia nenhuma teoria que desse sustentação a elas. Entretanto, após Albert Einstein publicar as equações do campo gravitacional em 1916, Karl Schwarzschild descobriu que uma possível solução para estas equações era algo que hoje é considerado o modelo mais simples de buraco negro. Nesse modelo mais simples o buraco negro teria simetria esférica e massa, mas a estrela que o deu origem não deveria ter rotação, nem carga elétrica, nem campo magnético [3]. Obviamente, outros tipos de buracos negros  seriam possíveis, tendo carga pequena, carga moderada, rotação lenta, rotação rápida, etc. 

Um aspecto fundamental dos buracos negros é os seus horizontes de eventos, uma fronteira no espaço tempo além do qual nem mesmo a luz pode escapar. Acredita-se que os buracos negros possuam massa variando num grande intervalo. Existem evidências da existência de (i) buracos negros com massas estelares (como observado por medidas no comprimento de onda de raios-X) e (ii) buracos negros supermassivos no interior de galáxias, com massas entre milhões e bilhões de vezes maiores do que a massa do Sol [4]. De fato, há mais de 40 anos especulava-se sobre a possibilidade de que no centro da galáxia M87 existisse um buraco negro [3].

A primeira fotografia de um buracos negro galáctico:

Hoje, uma equipe internacional de mais de 200 cientistas divulgou a imagem de um buraco negro que encontra-se no centro da galáxia M87. O buraco negro, que possui uma massa de 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol, encontra-se a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra. Para conseguir a imagem, os pesquisadores juntaram informações fornecidas por oito diferentes radiotelescópios (espalhados pelos Estados Unidos, Hawaii, México, Chile, Espanha e Antártica) que trabalharam como se fosse uma única antena com a dimensão aproximada da Terra. Na verdade a imagem é criada pelo gás altamente aquecido produzido além do horizonte de eventos do corpo celeste, registrado com radiação no comprimento de onda de 1 mm. As fotografias 1 e 2 foram divulgadas hoje em conferências de imprensa e também através da publicação de um artigo científico [4].

Figura 1: Imagem do buraco negro no centro da galáxia M87 tal como revelado pelo projeto Event Horizon Telescope (EHT), Telescópio Horizonte de Eventos. 

Figura 2: Imagens do buraco negro no centro da galáxia M87 em quatro dias diferentes do ano de 2017 [4].



Referência:
[1] Duas supernovas muito famosas foram a observada em 1572, denominada de supernova de Tycho SN 1572,
e a observada em 1604, denominada de supernova de Kepler SN 1604. A denominação deve-se ao fato de que
esses dois pesquisadores foram os responsáveis pelas principais observações à época dos fenômenos.
[2] Roger Penrose, The emperor's new mind: concerning computers, minds, and the laws of physics,
Oxford University Press: New York, Oxford (1989).
[3] Ronaldo Rogério de Freitas Mourão, Buracos Negros: Universos em colapso, 2a. ed., Vozes: Petrópolis (1980).
[4] Kazunori Akiyama et al., Journal Letters 875, 
number 1 (2019).

sábado, 11 de agosto de 2018

Meteoritos

Os meteoritos são rochas que se encontravam no espaço extraterrestre e caem sobre a superfície da Terra quando a trajetória do planeta intercepta a trajetória do objeto que estava no espaço. Acredita-se que a maioria dos meteoritos são originados do cinturão de asteróides que se localiza entre os planetas Marte e Júpiter, embora possam ter outras origens, como o próprio Marte e a Lua. Quando o meteorito atinge a alta atmosfera, devido à velocidade relativa com a Terra (que pode ser de até 100.000 km/h) ele sofre a influência de uma grande força de atrito produzindo uma grande quantidade de calor. Esse impacto consome parte da superfície e/ou fragmento o objeto, de tal modo que apenas uma pequena parte dele, eventualmente, atinge a superfície do planeta. A superfície do meteorito atinge uma temperatura muito alta, algumas vezes produzindo uma crosta cujo material sofre uma mudança de fase sólido - sólido. Em outras palavras, a temperatura e a pressão do impacto podem modificar a estrutura física da superfície da rocha quando ela atinge a Terra. Obviamente, a maior parte do meteorito é perdida durante a entrada da atmosfera em virtude da ejeção de matéria fundida.

A idade dos meteoritos

Um aspecto importante relacionado ao estudo dos meteoritos diz respeito à sua idade. Isso porque, com esse conhecimento, pode-se relacionar a origem dos meteoritos a eventos que ocorreram no Sistema Solar há bastante tempo, talvez remontando à era na qual o sistema planetário foi formado. Existem diversos métodos para se determinar a idade de um mineral aqui na Terra e alguns desses métodos também podem ser utilizados para determinar a idade dos meteoritos. O método utilizado é o da meia-vida de um isótopo radiativo. A ideia geral é a seguinte: existem elementos químicos que são radioativos, isso é, eles emitem prótons e nêutrons e se transformam em outros elementos químicos. Por exemplo, metade do potássio 40 (40K) se transforma em argônio 40 (40Ar) após 1,3 bilhões de ano, enquanto metade do rubídio 87 (87Rb) se transforma em estrôncio 87 (87Sr) em 48,8 bilhões de anos. Existem outros exemplos, mas nesses dois casos o potássio 40 e o rubídio 87 são chamados de elementos radioativos (isótopos pai) e o argônio 40 e o estrôncio 87 são chamados de elementos radiogênicos (isótopos filhos). O tempo para que metade da quantidade de elementos radioativos se transforme nos isótopos filhos é denominado de meia-vida. Assim, podemos dizer que a meia vida do potássio 40 é de 1.3 bilhões de anos, enquanto que a do estrôncio 87 é 48,8 bilhões de anos.

No estudo dos meteoritos uma boa escala para se utilizar na datação é a do urânio 238 (238Ur). O urânio 238 possui uma meia vida de 4,47 bilhões de anos, quando metade dele se transforma no chumbo 206 (206Pb). Assim, se num meteorito - ou numa rocha terrestre qualquer - encontra-se que metade do urânio foi transformado em chumbo 206 podemos afirmar que aquela rocha possui 4,47 bilhões de anos. Se apenas 1/4 do urânio 238 original está presente, ou seja, 3/4 foram transformados em chumbo 206, significa que se passaram duas meias vidas (1/2 x 1/2 = 1/4) e, portanto, a rocha tem 8,94 bilhões de anos. Se fizermos um gráfico da quantidade de elemento radioativo em função do tempo encontraremos uma curva exponencial e, a partir dela, podemos determinar com certa precisão a partir do conhecimento do isótopo-pai a idade da rocha. A ideia é simples, mas obviamente as medidas para se determinar as quantidades de isótopos-pai e isótopos-filho são feitas por meio de um equipamento sofisticado denominado de espectrômetro de massa (nessa postagem não falaremos sobre o equipamento).


A constituição dos meteoritos

Mesmo sendo materiais extraterrestres, todos os elementos químicos encontrados nos meteoritos são conhecidos aqui na Terra, ou seja, todos eles estão contidos na Tabela Periódica dos Elementos Químicos. A razão disso é muito simples: todos os elementos existentes na Terra ocorrem em outras partes do Universo  uma vez que eles, com exceção do hidrogênio, são formados em processos termonucleares no interior das estrelas ou em processos cataclísmicos envolvendo esses mesmo astros, como a explosão das supernovas. Sabe-se que estes elementos quando se juntam podem formar minerais que também são encontrados no nosso planeta. Entretanto, devido as altas temperaturas, as altas pressões  e as conduções redox altamente redutoras permitem a formação de minerais com rara ocorrência na Terra, e as vezes inclusive inexistentes no nosso planeta. 

De uma forma geral os meteoritos possuem características físicas bastante semelhantes aos das rochas terrestres. A diferença básica é a existência de marcas típicas em sua superfície oriundas da evaporação de substâncias devido ao atrito, denominadas de regmagliptos (palavra que significa marcas de dedo, devido à sua morfologia). Essa é uma das razões pelas quais a análise da textura do meteorito sob microscópio seja importante para se determinar a origem extraterrestre de uma rocha.

De acordo com a Ref. [1] os meteoritos podem ser classificados em três grandes classes:(i) rochosos [aerólitos], que compreendem cerca de 94 % dos espécimes e são formados basicamente por silicatos, (ii) metálicos [sideritos], que compreendem cerca de 5 % dos exemplares catalogados e são formados basicamente por ligas ferro-níquel, (iii) mistos [siderolitos], com características das duas primeiras classes, perfazendo um total de apenas 1 % dos exemplares. Como a primeira classe - dos meteoritos rochosos - compreende a grande maioria desses objetos, ainda existe uma sub-divisão para elas: (a) condríticos; (b) acondríticos. Os meteoritos condritos possuem a característica de possuírem a mesma composição - com exceção dos elementos voláteis - dos elementos químicos da atmosfera solar, o que significa que eles são um retrato da nebulosa estelar que deu origem ao sistema solar. Por esta razão eles não sofreram diferenciação magmática, ou seja, não sofreram nenhuma transformação química por causa do calor e da pressão existente no interior dos planetas. Por outro lado, os meteoritos acondritos são rochas ígneas que têm origem em asteróides que já sofreram algum processo de diferenciação magmática ou provenientes da superfície de Marte e da Lua, ejetados pelo choque de outros corpos sobre a sua superfície ou mesmo devido a vulcões. 

Para conhecer a constituição de um meteorito existem diversas técnicas experimentais que podem ser utilizadas, incluindo a visualização através de microscópios óticos, a difração de raios-X, a espectroscopia de massa, além de técnicas menos comumente utilizadas como a espectroscopia Raman [3]. Essa última técnica, em particular, é bem interessante porque com ela é possível verificar a ocorrência de fases em baixa quantidade produzidas durante a entrada do meteorito na atmosfera do planeta. De fato, existem algumas fases cristalinas que são produzidas como consequência das altas pressões e das altas temperaturas que são geradas durante o impacto do bólido com a atmosfera terrestre [4, 5]. Em uma nova postagem discutiremos esse interessantíssimo ponto. 

Referências bibliográficas:
[1] Meteoritos: cofres da nebulosa solar, R.B. Scorzelli, M.E. Varela, E. Zucolotto, Livraria da Física:São Paulo (2010).
[2] Decifrando os meteoritos, M.E. Zucolotto, A.C. Fonseca, L.V. Antonella; com a colaboração de F.A. Monteiro, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Museu Nacional: Rio de Janeiro (2013).
[3] Screening and classification of ordinary Chondrite by Raman Spectroscopy, L. Pittarrello, K. Baert, V. Debaille, P. Claeys,  Meteoritics & Planetary Science 1–15 (2015). doi: 10.1111/maps.12506
[4] The pressures and temperatures of meteorite impact: Evidence from micro-Raman mapping of mineral phases in the strongly shocked Taiban ordinary chondrite, T.E. Acosta-Maeda et al. American Mineralogist, v. 98, n. 5-6, p. 859-869, 2013.
[5] Mineralogical and Raman spectroscopy studies of natural olivines exposed to different planetary environments, I. Weber et al., Planetary and Space Science, v. 104, 163 – 172 (2014).


quarta-feira, 14 de março de 2018

Stephen Hawking

Faleceu hoje o físico britânico Stephen Hawking. Ele foi um ícone do seu tempo, talvez principalmente pelo fato de ter vivido durante décadas em uma cadeira de rodas, se comunicando apenas através de uma máquina que sonorizava palavras que ele escrevia com um dos poucos dedos da mão que possuía movimento. Também deve se creditar a sua fama ao fato de ter publicado dois livros de divulgação científica de grande sucesso no mundo todo: "Uma breve história do tempo" e "O universo numa casca de noz". São livros muito bem escritos e que procuram mostrar diversos aspectos da física de uma forma que não iniciados possam compreender.

No que diz respeito ao seu trabalho como cientista, Hawking deu várias contribuições para a astrofísica, incluindo teoremas de singularidade e a descoberta da existência de mini-buracos negros. Hawking também deu uma grande contribuição ao entendimento que temos sobre a entropia. De acordo com os seus cálculos, a entropia pode ser vista como uma grandeza proporcional à área de um buraco negro. Entretanto, talvez a sua mais importante contribuição ao conhecimento desses estranhos corpos que povoam o universo seja a descoberta de que eles não são completamente negros. Por um princípio da teoria quântica, o físico britânico mostrou que existe a possibilidade dos buracos negros emitirem partículas, a chamada radiação de Hawking.

Apesar de sua condição física adversa e de ser um cientista que trabalhava numa área muito abstrata do conhecimento, Hawking não estava desconectado do resto do mundo. Para demonstrar isso vamos contar apenas um caso. O seu biógrafo Kitty Ferguson escreveu que "um dos arrependimentos da vida de Hawking foi não ter tido uma oportunidade de atropelar a Margaret Thatcher com sua cadeira de rodas". (Aqui lembramos que Margaret Thatcher foi a primeira-ministra britânica que introduziu uma série de medidas neoliberais que tiraram diversos direitos dos cidadãos britânicos, a ponto de que após a sua morte tenham ocorrido comemorações em diversos pontos da Grã-Bretanha). Perguntado sobre a veracidade da frase, Hawking respondeu de forma ambígua: "Um rumor malicioso. Na verdade, eu atropelaria qualquer um que repetisse aquilo". Genial.

sexta-feira, 25 de agosto de 2017

Europa e Calisto: mistérios das luas

Europa, com um raio de 1560 km e Calisto, com um raio de 2409 km, são dois dos quatro satélites galileanos, ou seja, aqueles descobertos por Galileu ainda em 1610 quando ele apontou pela primeira vez o telescópio para Júpiter. Existem alguns mistérios associados a eles, embora os estudos realizados a partir de medidas de espaçonaves ao longo dos últimos 20 anos tenha trazido um bom conhecimento a respeito desses astros.

O eixo do dipolo magnético de Júpiter desloca-se com respeito ao seu eixo de rotação. Como consequência, os satélites galileanos que orbitam no plano equatorial do planeta experimentariam um campo magnético que varia periodicamente com a frequência de rotação (aparente) de Júpiter. Supondo-se que haja material suficiente no interior dos satélites para haver condução elétrica, então o campo magnético variável de Júpiter poderia induzir uma corrente elétrica no interior das luas (Zimmer et al. 2000). E além disso, essa corrente, produziria um campo magnético de tal forma que o campo total seria a soma do campo magnético de Júpiter mais aquele produzido pela sua lua.

Quando a espaçonave Galileo investigou os satélites de Júpiter no final da década de 1990 constatou perturbações do campo magnético semelhantes ao que seriam esperadas para luas que se comportassem como esferas condutoras. Supôs-se que a causa para esta condução seriam oceanos com grande quantidade de sal sob a superfície. Em outras palavras, as perturbações magnéticas são compatíveis com um campo magnético induzido como resposta à variação do intenso campo magnético de Júpiter. Isso exigiria o fluxo de correntes em uma casca dos planetóides [Europa e Calisto] com alta condutividade (60 mS/m para Europa e 20 mS/m para Calisto) que poderia estar entre 200 e 300 km da superfície. Esse oceano sub-superficial, se tivesse uma salinidade próxima daquela observada nos oceanos da Terra, poderia ter apenas uns poucos quilômetros de profundidade que seria suficiente para produzir os efeitos enxergados pela nave Galileo. É interessante destacar que anteriormente uma análise da superfície de Europa por Kuramoto et al. (1998) já havia sugerido a existência de um oceano em seu interior. Os resultados obtidos pela análise do campo magnético, então, reforçaram essa hipótese, como também sugeriram a existência de algo similar em Calisto, apesar de não haver nenhuma evidência considerando-se apenas a observação de sua superfície.

O problema é bem complexo porque observações óticas realizadas pela própria Galileo bem como da New Horizons não apresentaram de forma contundente a ocorrência de lançamento de material, como moléculas de água, de sua superfície (Roth et al, 2014). Entretanto, durante o sobrevôo E12 de Galileo sobre Europa foram observadas fortes anomalias do campo magnético que poderia indicar, como já comentado, atividades na superfície do planetóide.

Observe-se ainda, tentemos montar o quebra-cabeças, que o Telescópio Espacial Hubble detectou em dezembro de 2012 linhas de emissão do oxigênio na região do ultravioleta, bem como linha de Lyman do hidrogênio, sendo as mesmas interpretadas como consequência da existência de vapor de água no polo sul de Europa (Roth et al, 2014). A altura até a qual os vestígios de água foram detectados pelas observações se estenderam até aproximadamente 200 km, que convenhamos, é uma altura considerável. O que também é interessante destacar é que estes eventos não são permanentes. De fato, observações realizadas pelo Hubble em 1999 e em novembro de 2012 não indicaram nenhuma presença das "plumas" de água, ou se elas estavam presentes, a quantidade deveria ser duas ou três vezes menores (Hybrights et al. 2017), enquanto que os resultados de junho de 2008 foram considerados ambíguos. Adicionalmente, medidas realizadas novamente em janeiro-fevereiro de 2014 e entre novembro 2014 e abril de 2015 não mostraram nenhuma indicação de vapor de água.

No que diz respeito ao oxigênio (O2) propriamente dito, acredita-se que Calisto possua uma atmosfera rarefeita contendo esse gás. Isso foi proposto inicialmente por Kliore et al. (2002) quando eles analisaram dados de radiofrequência obtidos pela espaçonave Galileo. Posteriormente, a partir de dados de ultravioleta obtidos pelo Telescópio Espacial Hubble, Cunningham et al. (2015) também sugeriram a presença de oxigênio na atmosfera de Calisto. Contudo, a maior certeza que se tem à respeito da atmosfera de Calisto é a existência de CO2. Essa evidência foi oriunda de medidas espectroscópicas na região do infravermelho próximo, que detectou a vibração de estiramento do grupo CO2 até na altura de 100 km acima da superfície do satélite.

Referências:

- Colburn, D.S., and R. T. Reynolds, Electrolytic currents in Europa. Icarus 63, 39–44 (1985).
- Huybrighs, H.L.F., Y. Futaana, S. Barabash, M. Wieser, P. Wurz, N. Krupp, K.-H. Glassmeier, B. Vermeersen, On the in-situ detectability of Europa's water vapour plumes from the flyby mission, Icarus 28, 270 - 280 (2017). 
- Kuramoto, K., Y. Saiganji, and T. Yamamoto, Oscillating magnetic dipole moment of Europa induced by jovian magnetic field: A probe for detecting Europa’s ocean. Lunar. Planet. Sci. 29, 1254 (1998).
- Roth, L., J. Saur, K.D. Retherford, D.F. Strobel, P.D. Feldman, M.A. McGrath, J.R. Spencer, A. Blöcker, N. Ivchenko, Europa’s far ultraviolet oxygen au- rora from a comprehensive set of HST observations. J. Geophys. Res. 121, 2143 – 2170 (2016).
- Zimmer, C., Krishan K. Khurana, Margaret G. Kivelson, Subsurface Oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo Magnetometer Observations, Icarus 147, 329–347 (2000).

sexta-feira, 13 de janeiro de 2017

Física de altas pressões

Na superfície da Terra a pressão média é de cerca de 101300 Pa. A maior parte da matéria, que está localizada no interior de planetas e estrelas, encontra-se sujeita a pressões muito maiores do que esta. Assim, podemos afirmar que o comportamento das substâncias que conhecemos no dia-a-dia estão numa condição de pressão muitíssimo excepcional quando comparada às condições dominantes no Universo. Na verdade, mesmo no nosso planeta, as condições de pressões da maior parte da matéria é muitas ordens de grandeza maiores do que a que nos deparamos no nosso cotidiano. Dessa forma, espera-se que algumas das propriedades físicas das substâncias possam ser bem diferentes das condições 'normais' do Universo, ou seja, em condições de altas pressões.

O estudo de materiais submetido a altas pressões teve dois grandes impulsos na segunda metade do século XX. O primeiro foi a invenção da bigorna de diamantes (que será apresentada a seguir) em 1958 e o segundo foi a invenção/descoberta da luminescência do rubi como sonda para calibração de pressão em 1971.

A bigorna de diamantes:

Existe uma ferramenta utilizada em alguns laboratórios que pode simular as condições de altas pressões existentes no interior dos planetas, ou pelo menos, aquelas existentes a vários quilômetros de profundidade abaixo da superfície do planeta. Trata-se da célula de pressão a extremos de diamantes que está representada esquematicamente na Figura 1. A célula é formada por um parafuso principal; algumas arruelas e uma alavanca; um diamante inferior; um diamante superior; uma gaxeta metálica e uma cavidade no interior da gaxeta onde é colocada a amostra a ser estudada. O parafuso principal é o responsável pela aplicação da pressão durante a execução do experimento. Ao aumentar a pressão deve-se esperar pela acomodação das arruelas e da gaxeta. As arruelas, a alavanca e mais alguns periféricos são os responsáveis pela transmissão de pressão aos diamantes. Estes, por sua vez, são o coração do equipamento. Eles são os responsáveis diretos (via fluido transmissor de pressão) pela aplicação da pressão sobre a amostra. Eles são desenhados de modo que a área de contato com a gaxeta seja a menor possível. Quanto menor for a área de contato, maior a pressão efetiva sobre a gaxeta e, consequentemente, sobre a amostra. A gaxeta é uma peça metálica feita de aço inoxidável, no interior da qual é colocada a amostra junto com o líquido transmissor que exercerá a pressão sobre a amostra e mais a sonda que mede a pressão (Figura 2). Em seguida é aberta uma cavidade de 100 a 200 micra de diâmetro, tipicamente, onde é colocada a amostra. A gaxeta é posta entre os diamantes durante a montagem do experimento e sofre grandes deformações no decorrer do mesmo. É interessante notar que a pressão entre a gaxeta e os diamantes impede a saída do fluído transmissor de pressão.

O fluído transmissor de pressão hidrostática geralmente utilizado é composto de uma mistura de metanol e etanol na proporção de quatro porções de metanol para uma de etanol. Também podem ser utilizados o óleo mineral, gases como argônio, nitrogênio e hélio, entre outros. Embora existam vários materiais que possam ser utilizados com o objetivo de se fazer a calibração da pressão, o método mais utilizado é o da luminescência do rubi. 

Figura 1: Representação esquemática de uma bigorna de diamantes utilizada para realizar experimentos a altas pressões. 

Figura 2: Fotografia do interior de uma célula de pressão a extremos de diamantes mostrando uma amostra (no formato retangular) e uma pequena esfera de rubi; o diâmetro do buraco possui 0,15 mm [Laboratório de Altas Pressões, Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará].


O interior da Terra:

O problema abordado nas primeiras investigações das propriedades de materiais a altas pressões tinha o objetivo de compreender o interior do nosso planeta. A grande maioria das dezenas de materiais estudados a altas pressões até 1980 eram minerais (silicatos, óxidos, haletos, etc.). No manto inferior e no núcleo da Terra a pressão é tal que o volume dos minerais pode ser reduzido em até 50 %. Com uma redução de volume desta ordem pode-se esperar mudanças significativas na estrutura dos materiais, bem como de algumas propriedades físicas dos mesmos.

Quando submetido a altas pressões, os materiais de uma forma geral diminuem de volume. Obviamente esta variação de volume é grande para alguns materiais e pequena para outros. Uma maneira de expressar a relação entre o volume e a pressão, ou entre vários parâmetros termodinâmicos, é através das equações de estado. Quando se integra a equação de estado se obtém uma medida da habilidade da pressão modificar o estado de um sólido. Também, de uma maneira genérica, quanto mais compressível for o sólido, maior será a chance dele sofrer uma transição de fase. Isso porque chega-se a um ponto tal de aproximação das nuvens eletrônicas de átomos e/ ou íons vizinhos, que a distribuição dos grupos atômicos tem que ser modificada para adaptá-los a uma configuração de mais baixa energia - ocorre, então, uma transição de fase. Na Figura 3 apresenta-se a equação de estado para diversos cristais de elementos químicos.

Figura 3: Equação de estado para cristais de diversos elementos químicos [1].

Transições de fase:

Após o volume de um sólido diminuir um certo valor devido a aplicação da pressão, eventualmente, a distribuição espacial dos átomos, íons ou moléculas que o compõem se modifica. Nesse caso diz-se que o sólido sofre uma transição de fase. Na Figura 3, por exemplo, este fato é representado pelos degraus que aparecem nas curvas V x P de alguns elementos químicos. As transições de fase constituem um amplo ramo de estudo da Física, pleno de belas ideias e interessantes modelos matemáticos (tentaremos falar um pouco sobre esse tema em outra postagem). O importante aqui é destacar que nas transições de fase que acontecem nos sólidos, as simetrias das duas fases são distintas, uma vez que a distribuição espacial dos átomos ou moléculas é diferente. Voltando ao exemplo da Figura 3, abaixo e acima dos degraus, nos elementos em que eles aparecem, as simetrias dos cristais s]ao diversas. Essas diferentes fases podem ser descobertas através da utilização de vários métodos experimentais como análise térmica, difração de raios-X, espectroscopia vibracional, entre outros.

Com o objetivo de ilustrar o fenômeno das transições de fase induzidas pela pressão em sólidos, daremos alguns poucos exemplos. O primeiro dele é o de um cristal de aminoácido, a L-asparagina monohidratada. Neste tipo de cristal as moléculas do aminoácido formam a estrutura cristalina por intermédio de uma série de ligações químicas conhecidas como ligação de hidrogênio [2]. A Figura 4 apresenta uma representação da unidade básica do cristal de L-asparagina monohidratada, mostrando quatro moléculas de asparagina e quatro moléculas de água. Entre 1 atm e 8,5 GPa os resultados espectroscópicos sugerem que as ligações de hidrogênio são fortalecidas. Isso acontece com o simultâneo enfraquecimento da ligação covalente N-H. Acima de uma transição de fase que acontece em 10 GPa um novo ambiente para as moléculas aparece. Entre 10,6 e 15,0 GPa os resultados sugerem um enfraquecimento das ligações de hidrogênio, mas acima de 17,9 GPa novamente estas ligações são fortalecidas. Esse exemplo mostra que, de certa forma, as ligações de hidrogênio comandam o comportamento estrutural do cristal [3].

Figura 4: Representação da célula unitária do cristal de L-asparagina monohidratada e um conjunto de espectros Raman do material mostrando uma transição de fase em torno de 10 GPa [3].


Os cristais inorgânicos, quando submetidos a condições de altas pressões, também podem apresentar interessantes mudanças de fase. Cálculos teóricos sugerem, por exemplo, que o diamante possa sofrer uma transição de fase da estrutura cúbica de corpo centrado para um estrutura cúbica simples em aproximadamente 230 GPa, acompanhado de uma pequena variação de volume [4]. O grafite, por seu turno, se for submetido a altas pressões e a altas temperaturas se transforma no chamado diamante hexagonal, ou lonsdaleíta. A lonsdaleíta é formada normalmente na natureza quando meteoritos contendo grafite chocam-se com a atmosfera da Terra. A grande temperatura e a alta pressão originada no impacto transforma o grafite em diamante, mas retendo a estrutura cristalina hexagonal do grafite. À temperatura ambiente quando o grafite é submetido a altas pressões ele sofre uma transição de fase em aproximadamente 19 GPa para uma fase de carbono possuindo simetria monoclínica, denominada de carbono-M. Essa fase é caracterizada por uma alta dureza, quase comparável à dureza do diamante [5].

Dependendo do cristal, é possível fazer simulações computacionais e tentar compreender as novas fases a altas pressões, como no caso do diamante. A dificuldade será maior ou menor dependendo das interações entre os átomos da estrutura cristalina. De uma forma geral as ligações químicas podem ser divididas em ligações iônicas, ligações covalentes, ligações metálicas, ligações do tipo van der Waals e ligações de hidrogênio. Além disso essa divisão é de certa forma arbitrária, no sentido que nos sólidos as ligações  não são puramente iônicas, ou puramente covalentes, etc. Sistemas que apresentam ligações de hidrogênio, de uma maneira geral, são os mais difíceis de serem simulados. Por outro lado, óxidos iônicos podem ser simulados utilizando-se potenciais aproximados como o descrito na equação abaixo:
Nesta equação o primeiro termo corresponde a uma interação coulombiana que responde pelas interações de longo alcance; o segundo termo diz respeito à uma interação repulsiva, chamada de Born-Mayer, que responde pelas forças de curto alcance; o terceiro termo tenta modelar a interação de van der Waals através do potencial de interação dipolo-dipolo e o quarto termo é o potencial de Morse, que leva em consideração o pequeno caráter covalente das ligações químicas. Esse potencial tem sido aplicado com relativo sucesso na simulação de diversos óxidos de molibdênio e óxidos de tungstênio [6].

Outro exemplo de material inorgânico que será apresentado é o do borato de bário e háfnio (Figura 5). Os boratos constituem uma classe de materiais com aplicação em dispositivos ferroelétricos e aplicação em ótica não linear; além disso, apresentam uma grande estabilidade química. Num estudo realizado no BaHf(BO3)2 submetido a condições de altas pressões (até cerca de 11 GPa), percebeu-se que o cristal apresenta uma transição de fase em 3,9 – 4,4 GPa e uma segunda modificação em 9,2 GPa. A primeira transição de fase é caracterizado como de primeira ordem (numa outra postagem explicamos o significado da ordem de uma transição de fase), associada com significantes distorções dos octaedros BaO6 e acompanhados por rotações dos grupos BO3 e HfO6. A simetria da fase de mais alta pressão foi observada como sendo mais baixa do que a original. Interessante foi ainda a observação de que a fase da temperatura ambiente não é obtida se a descompressão ocorre a partir de 11,3 GPa [7].  


Figura 5: Estrutura do BaHf(BO3)2 à pressão atmosférica. Quando submetido a altas pressões, o cristal sofre duas transições de fase estruturais [7].


Amorfização:

Um importante fenômeno associado às altas pressões é a amorfização. A maioria dos sólidos apresenta-se na chamada 'estrutura cristalina', ou seja, seus átomos, íons ou moléculas estão em posições bem definidas no material, de tal modo que cada posição ocupada por um átomo é equivalente a qualquer outro átomo de igual espécie no cristal. Por exemplo, no sal de cozinha - cloreto de sódio - cada átomo de cloro possui como vizinhos, átomos de sódio; independentemente da posição que o cloro esteja no cristal, ele está arrodeado por átomos de sódio equivalentes. Quando o material é amorfo como no vidro, as posições dos vários átomos não são equivalentes - os átomos e íons estão desordenados. O que tem sido observado nos últimos anos é que a pressão pode induzir amorfização em alguns materiais, isto é, uma transição cristal - amorfo pode ocorrer devido o aumento da pressão. Verifica-se também que a amorfização pode ser reversível ou irreversível, dependendo do tipo de material e das condições experimentais, incluindo-se aí a não-hidrostaticidade do ambiente. Na Figura 6 apresenta-se uma representação pictórica de uma possível transição de fase cristal - amorfo. Do lado esquerdo estão representadas unidades tetraédricas de um óxido - na verdade, a vista superior destas unidades tetraédricas - que estão ocupando posições bem definidas; pode-se imaginar a existência de ordem de longo alcance nesse caso. Após a aplicação da pressão estas unidades tetraédricas deixam de ocupar posições periódicas - é o que está representado na parte direita da figura - levando a uma desordem do sistema; nesse caso diz-se que a ordem de longo alcance foi perdida. Assim, a estrutura deixa de ser ordenada (cristal) e passa a ser desordenada, os átomos formam uma estrutura amorfa.
Figura 6: Representação pictórica de uma possível transição de fase cristal - amorfo. Aqui, as unidades básicas são preservadas. Na natureza, durante o processo de amorfização, além das unidades ficarem desordenadas, elas também ficam com dimensões ligeiramente menores do que na pressão atmosférica devido à leve diminuição do tamanho das ligações químicas. 

De acordo com uma série de estudos, existem três principais mecanismos para explicar a amorfização dos sólidos: (i) deformação mecânica; (ii) decomposição química e (iii) impedimento cinético de uma transição de fase para outra estrutura cristalina. O mecanismo (i) está relacionado à deformação não-homogênea devido a componentes de cisalhamento introduzidas pela não-hidrostaticidade. O mecanismo (ii) induz a formação de produtos mais simples e geralmente o volume ocupado pelos produtos é menor do que o da fase original Um belo exemplo de amorfização induzida por pressão é aquele representado pelo Dy2Mo4O15 [8]. Aumentando-se a pressão produz-se um aumento das forças de repulsão entre os átomos de oxigênio devido à diminuição da distância entre as nuvens eletrônicas, entrando em ação o princípio da exclusão de Pauli. Isso faz com que a estrutura seja desestabilizada, destruindo a ordem de longo alcance do cristal. Nesse caso específico as evidências para a ocorrência da amorfização foram obtidas através de uma técnica espectroscópica.

Produzindo novos materiais:

Uma vez que na natureza muitos materiais como o diamante são produzidos sob condições extremas de pressão, é possível que utilizando-se uma bigorna de diamantes, novos materiais sejam produzidos. Por exemplo, através da sinterização do Ba, Ca, Cu e Hg a altas pressões obteve-se um supercondutor com uma alta temperatura de transição supercondutora [9]. De fato, acredita-se que a aplicação da temperatura e pressão a diversas misturas de elementos químicos possa produzir uma imensa quantidade de novos materiais não conhecidos na natureza, alguns deles, certamente, com interessantes possibilidades de aplicações tecnológicas. Este, é portanto, um amplo e aberto campo de pesquisa.

Transformando propriedades eletrônicas:

Os materiais podem ser classificados, quanto à condução eletrônica, em metais, semicondutores e isolantes. Nos metais, parte dos elétrons do material encontra-se livre para se movimentar pela estrutura. Nos isolantes, quase não há movimento de elétrons movimentando-se ao longo de toda a estrutura cristalina do material. Os semicondutores seriam materiais com característica intermediária, apresentando uma resistência elétrica bem maior do que os metais. Para explicar as características dos materiais metálicos, existe um modelo utilizado pelos físicos que é chamado de modelo do elétron quase livre. Nesse modelo os elétrons de valência comportam-se semelhantemente a um gás. Este modelo é bom para descrever o comportamento de metais simples como o lítio e o sódio, que são metais nas chamadas condições normais de temperatura e pressão (isto é, T ~ 300 K e P = 1 atm). Entretanto, a aplicação de altas pressões, acima de 80 GPa, faz com que o lítio passe de um estado metálico para um estado semicondutor, como pode ser visto na Figura 7 [10]. Aparentemente, a transição metal-semicondutor é reversível [pelo menos quando o experimento é realizado até 86 GPa; no experimento em que a pressão atingiu seu máximo valor, 105 GPa, não foi possível verificar o comportamento elétrico do lítio porque os diamantes se danificaram].


Figura 7: Gráfico da resistividade do lítio em função da pressão obtidos com a amostra resfriada a 25 K. O lítio, que possui uma baixa resistividade à pressão atmosférica, apresenta um aumento drástico desta grandeza quando a pressão atinge cerca de 80 GPa. As linhas tracejadas significam fronteiras entre diferentes estruturas cristalinas. As fases Li-VI e Li-VII não haviam sido ainda determinadas quando da publicação dos resultados. A continuidade do aumento da resistividade entre 70 e 80 GPa quando o lítio sofre a transição metal - semicondutor foi interpretada como consequência de uma mistura de fases [10].


Referências:
[1] J.S. Schilling, The use of high pressure in basic and materials science, J. Phys. Chem. Solids 59 (1998) 553.
[2] P.T.C. Freire, Pressure-induced phase transitions in crystalline amino acids. Raman spectroscopy and X-ray diffraction, in: E. Boldyreva; P. Dera. (Org.). High Pressure Crystallography - From Fundamental Phenomena to Technological Applications. Dordrecht: Springer, 2010, p. 559-572.
[3] J.A.F. Silva , P.T.C. Freire, J.A. Lima Jr., J. Mendes Filho, F.E.A. Melo, A.J.D. Moreno, A. Polian, Raman spectroscopy of monohydrated L-asparagine up to 30 GPa, Vibrational Spectroscopy 77 (2015) 35. 
[4] M.T, Yin, M.L. Cohen, Will diamond transform under megabar pressures? Phys. Rev. Lett. 50(1983) 2006.
[5] Y. Wang, J.E. Panzik, B. Kiefer, K.K.M. Lee, Sci. Rep. 2 (2012) 520.
[6] M. Maczka, A.G. Souza Filho, W. Paraguassu, P.T.C. Freire, J. Mendes Filho, J. Hanuza, Pressure- induced structural phase transitions and amorphization in selected molybdates and tungstates, Prog. Mat. Sci. 57 (2012) 1335.
[7] M. Maczka, K. Szymborska- Malek, G.S. Pinheiro, P.T.C. Freire, A. Majchrowski, J. Sol. State Chem. 228 (2015) 239.
[8] W. Paraguassu, M. Maczka, A.G. Souza Filho, P.T.C. Freire, J. Mendes Filho, J. Hanuza, Phonon properties, polymorphism, and amorphization of Dy2Mo4O15 under high hydrostatic pressure, Physical Review B 82 (2010) 174110.
[9] L. Gao et al., Superconductivity up to 164 K in HgCam-1CumO2m+2Ba+δ (m= 1, 2, and 3) under quasihydrostatic pressures, Phys. Rev. B 50 (1994) 4260.
[10] T. Matsuoka, K. Shimizu, Nature 458 (2009) 186 

segunda-feira, 5 de dezembro de 2016

Hidrogênio metálico


O hidrogênio é o elemento químico mais abundante do universo, sendo encontrado principalmente no interior de estrelas. No Sol, por exemplo, o hidrogênio responde por mais de 80 % de sua massa. No interior de grandes planetas, como Júpiter, reinam altas temperaturas e altas pressões, condições termodinâmicas que sugerem que o hidrogênio possa se encontrar em fases bastante diferentes daquelas nas quais ele é conhecido no nosso planeta.

Um problema que vinha sendo atacado por várias décadas diz respeito à observação de hidrogênio metálico. Wigner e Huntington fizeram a previsão de que sob altas pressões o hidrogênio seria metálico. Uma maneira de se conseguir essa propriedade seria a altas pressões e altas temperaturas. Nesse caso, o hidrogênio sofre uma transição de fase para uma fase conhecida como hidrogênio metálico atômico líquido, recentemente reportado na literatura [1]. A outra possibilidade, que também foi recentemente descoberta experimentalmente, é a chamada fase de hidrogênio metálico sólido [2].

Figura 1: Diagrama de fase do hidrogênio mostrando duas formas de se conseguir o hidrogênio metálico; (i) hidrogênio metálico atômico líquido (pathway II) e (ii) hidrogênio metálico sólido (pathway I) {Ref. [2]}.

No que diz respeito à fase do hidrogênio metálico sólido – que pode ser atingido pelo caminho I da Figura 1 – uma fase inicial de alta pressão é representada pela fase I. Aumentando-se a pressão, o hidrogênio passa para uma fase II, que apresenta uma estrutura hexagonal altamente compacta (hexagonal close packed, hcp). A fase III é uma fase que se distingue da fase II por apresentar diferentes orientações das moléculas de H2. Continuando a compressão o hidrogênio passa para uma fase na qual ele aparece opaco [nesse caso ele seria um semicondutor e a opacidade seria exatamente devida ao fato de que o gap de energia coincidir com a energia da luz visível] e, finalmente, em 495 GPa ele vira um metal.

Para se atingir as altas pressões necessárias para se observar o hidrogênio metálico atômico na Ref. [2], utilizou-se uma célula de pressão a extremos de diamantes. Uma série de dificuldades, entretanto, teve que ser vencida. Em primeiro lugar, as tensões sobre os diamantes são muito grandes e o hidrogênio sob altas pressões e temperatura ambiente fragiliza as gemas e produz rachaduras. Para evitar esse problema os diamantes devem ser mantidos ou à temperatura do nitrogênio líquido ou à temperatura do hélio líquido. Além disso, antes do uso, os diamantes foram aquecidos para remover tensões residuais. Adicionalmente, com o intuito de evitar a difusão do hidrogênio pelo diamante, foi colocado um fino filme de alumina com 50 nm de espessura sobre os diamantes, utilizando-se para isso a técnica de deposição de camadas atômicas (atomic layer deposition). Outro problema que pode ocorrer com os diamantes submetidos a altas pressões é a ocorrência de falhas devido ao calor do laser utilizado na técnica de espectroscopia Raman ou à grafitização da superfície das gemas, se a intensidade da radiação for relativamente alta. Assim, para evitar estes últimos problemas no experimento apresentado na Ref. [2] foi utilizada radiação infravermelha de baixa potência. A determinação da pressão no interior da gaxeta de rênio onde encontrava-se o hidrogênio sobre investigação pode ser considerado um desafio à parte. Ao longo do intervalo entre 88 e 500 GPa foram utilizadas três diferentes técnicas, sendo que de uma forma direta, através da luminescência do rubi, só é possível realizar-se medidas até 150 GPa.

A Figura 2 apresenta três momentos das medidas de altas pressões, conforme reportado por Dias e Silvera na Ref. [2]. Em 205 GPa, o hidrogênio molecular apresenta-se como uma substância transparente. Em 415 GPa, o hidrogênio molecular, numa outra fase, aparece como uma substância opaca. Finalmente, em P = 495 GPa, o hidrogênio apresenta-se na fase metálica sólida, refletindo a luz que é lançada pela parte superior da célula de pressão; essa é a primeira evidência em laboratório de que o hidrogênio sob altas pressões é um sólido metálico. Assim, 81 anos após a previsão teórica de Wigner e Huntington ter sido feita [3], finalmente o hidrogênio metálico foi encontrado. 

Figura 2: Fotografias do hidrogênio dentro de uma célula de pressão a extremos de diamante em diferentes estágios de compressão como registrado por R. Dias e I.F. Silveira. (a) Até pressões de 335 GPa o hidrogênio apresenta-se transparente; (b) em P = 415 GPa, a amostra apresenta-se escura; (c) em P = 495 GPa, a amostra não deixa luz ser transmitida por ela, mas apresenta-se brilhante por luz refletida [2].


Controvérsia:
 
Do ponto de vista experimental, o experimento realizado por Dias e Silvera é de grande complexidade. Isso se deve à grande difusividade do hidrogênio na gaxeta metálica e nos defeitos do diamante, à sua alta reatividade química com os materiais ao seu redor e à sua forte compressibilidade [4]. Por conta disso, hoje, em março de 2017, muitos cientistas não acreditam que o hidrogênio metálico tenha sido realmente conseguido. Por exemplo, Paul Loubeyre, do Atomic energy Research Centre for Military Applications, na França, não acredita que eles tenham atingido a pressão de 495 GPa [4]. Segundo ele, as células de pressão, tal como os diamantes são desenhados, não conseguem ultrapassar 350 GPa: "Para se atingir pressão acima de 400 GPa um novo tipo de formato do diamante é necessário. além disso, a análise da refletividade está incorreta" [5]. Mikhail Eremets, do Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, na Alemanha, também acredita que há erros nos cálculos acerca da refletividade, característica que se constitui no principal indício da metalização do hidrogênio. 

Além disso, Eremets e Drozdov (ED) acreditam que a pressão foi superestimada [6, 7]. Eles questionam o método de medida de pressão dos autores Dias-Silvera (DS). De fato, DS utilizaram os giros do parafuso da célula de pressão como o método indireto para medida deste parâmetro termodinâmico para P > 300 GPa. Mas como muito bem notado por ED, a pressão que está sendo aplicada numa amostra depende da geometria particular dos diamantes, da gaxeta, etc. A cada experimento, determinados valores de rotação do parafuso corresponderão a distintos valores de pressão. Para ilustrar esse ponto, ED recuperam os dados publicados há dez anos por Akahama [8], que mostram que com diferentes dimensões do culet do diamante, obtêm-se diferentes pressões com um mesmo avanço do pistão (Figura 3).
 Figura 3: Dependência da pressão (GPa) com o avanço do pistão (micra) para diferentes diâmetros do culet do diamante [6, 8]. Observe-se que com um avanço do pistão de 100 micra, por exemplo, dependendo se o culet tiver 25 ou 50 micra, a pressão diferirá de até 100 GPa.



ED [6] lembram ainda que a escala de pressão do diamante (isto é, da frequência de vibração dos grupos C - C) é estabelecida pela equação de estado dos metais até 400 GPa. Uma dependência linear do desvio Raman é válido apenas até cerca de 300 GPa e para pressões maiores uma escala não linear deverá ser utilizada. ED lembram que tal fato foi confirmado medindo-se a equação de estado do ouro até 400 GPa. Entretanto, no trabalho de DS, os autores utilizam uma escala linear, fornecendo um valor máximo de 495 GPa; se a escala utilizada tivesse sido a não-linear, eles teriam atingido a improvável pressão de 633 GPa! Além disso, ED lembram que é surpreendente DS atingirem 495 GPa com um diamante de 30 a 35 micrômetros de bigorna de chanfro simples, uma vez que o recorde é 450 GPa com bigornas do mesmo tipo, mas medindo de 15 a 20 micrômetros. Mesmo o argumento de DS que eles realizaram um etching sobre a superfície do diamante para remover os defeitos ali existentes e propiciar o alcance de uma maior pressão não justificaria a pressão supostamente atingida, haja vista que com esta metodologia não é possível ultrapassar 400 GPa de pressão.

ED também acreditam, baseado na análise cuidadosa do espectro Raman do diamante apresentada por DS, que a pressão no experimento desses últimos autores era da ordem de 380 GPa. Contudo, ED anteriormente haviam observado uma transição a uma nova fase condutora de baixa temperatura, possivelmente metálica, conforme mostraram certas evidências como a queda da resistência e o desaparecimento do sinal Raman em 360 - 380 GPa. O experimento de ED foi repetido três vezes em 2016, mas mesmo assim eles acreditam que seriam necessários mais experimentos. Além disso, ED afirmam que as reflexões, separadamente, podem ser evidência apenas do hidrogênio indo para a fase III, que não é metálica, pois o sinal Raman ainda está presente. Assim, ED acreditam que este fato seria outra evidência que DS estariam realmente em pressões abaixo de 400 GPa, tal qual os seus antigos experimentos. 

Nessa mesma direção, Loubeyre, Occelli e Dumas (LOD) [4] apontam que é surpreendente que no trabalho de DS o hidrogênio se torne negro em 400 GPa, quando o trabalho do grupo de LOD mostrou 15 anos antes que este fenômeno acontece em 320 GPa, portanto 80 GPa abaixo do que acreditam os autores da Ref. [2]. Isso seria outro indicativo da superestimação do valor da pressão no experimento de Dias - Silvera. De fato, é mais ou menos consenso entre vários grupos [utilizando diversos tipos de calibração] que o hidrogênio negro ocorra para pressões da ordem de 300 GPa na temperatura de 80 K. É de se notar ainda que se for utilizado uma fórmula empírica de Ruoff, para o valor do diâmetro do culet do diamante utilizado, a pressão máxima atingida por Dias - Silvera teria sido de aproximadamente 340 GPa, e jamais 495 GPa!

No que diz respeito às medidas de reflexão, ED também levantam algumas dúvidas. Em primeiro lugar, a alumina que foi colocada sobre a superfície do diamante pode refletir igual ao alegado hidrogênio metálico. Desta forma, ED sugerem que outro tipo de protetor seja usado sobre o diamante. O ideal, segundo ED, teria sido a realização de medidas de condutividade. Contudo, devido à ausência destas medidas mais definitivas, DS mediram a refletividade acoplada ao uso da teoria de Drude dos elétrons livres. Entretanto, este método exigiria medida de refletividade em uma grande região espectral, e não em apenas quatro pontos do espectro visível. ED questionam onde é a superfície de referência, como a luz incidente atingiu a célula de pressão, se os diamantes eram perfeitamente planos e não na forma de um espelho convexo o que induziria um brilho adicional, etc [6]. Finalmente, outro detalhe relatado pela Ref. [6] é a lembrança de que os diamantes absorvem luz, mas o gap de energia da banda diminui bastante em virtude da aplicação da pressão uniaxial. Isso significa que uma correção deveria ter sido feita, mas embora DS a façam no seu trabalho, o procedimento é indevido uma vez que eles usam os dados de um aparato relativo a um outro experimento.

Referências:
[1] M. Zaghoo, A. Salamat, I.F. Silvera, A first-order phase transition to metallic hydrogen. Phys. Rev. B 93, 155128 (2016).
[2] R. Dias, I.F. Silvera, Observation of Wigner-Huntington transition to solid metallic hydrogen, arXiv:1610.01634 [cond-mat.mtrl-sci]; Science 355, 715-718 (2017).
[3] E. Wigner, H. B. Huntington, On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen. J. Chem. Phys. 3, 764-770 (1935).
[4] P. Loubeyre, F. Occelli, P. Dumas, 2017, arxiv: 1702.07192.
[5] P. Ball, Controversial metallic hydrogen calim under new scrutiny, 10/03/2017 https://www.chemistryworld.com/news/controversial-metallic-hydrogen-claim-under-new-scrutiny-/2500534.article
[6] M.I. Eremets, A.P. Drozdov, 2017, arxiv: 1702.05125.
[7] A.F. Goncharov, V. Struzhkin, 2017, arxiv: 1702.04246.
[8] Y. Akahama, 2007. Diamond anvil Raman gauge in multimegabar range. Workshop on Pressure scale. Jan. 26-28 2007 Geophysical Lab, CIW.