Consider the spot where you’re sitting. Travel backwards in time and it might’ve been submerged at the bottom of a shallow sea, buried under miles of rock, or floating through a molten, infernal landscape. But go back far enough— about 4.6 billion years, and you’d be in the middle of an enormous cloud of dust and gas orbiting a newborn star. This is the setting for some of the biggest, smallest mysteries of physics: the mysteries of cosmic dust bunnies.
Pense no lugar em que você está agora. Se voltasse no tempo, provavelmente estaria no fundo de um mar raso, enterrado sob milhares de rochas ou flutuando em meio a uma paisagem fundida e infernal. Mas, se voltasse ainda mais no tempo, cerca de 4,6 bilhões de anos, estaria no meio de uma enorme nuvem de poeira e gás, na órbita de uma estrela que acabou de nascer. Este é o cenário de alguns dos pequenos grandes mistérios da física: a poeira cósmica. As regiões do espaço, aparentemente vazias entre as estrelas,
Seemingly empty regions of space between stars actually contain clouds of gas and dust, usually blown there by supernovas. When a dense cloud reaches a certain threshold called the Jeans mass, it collapses in on itself. The shrinking cloud rotates faster and faster, and heats up, eventually becoming hot enough to burn hydrogen in its core. At this point a star is born. As fusion begins in the new star, it sends out jets of gas that blow off the top and bottom of the cloud, leaving behind an orbiting ring of gas and dust called a protoplanetary disk. This is a surprisingly windy place; eddies of gas carry particles apart, and send them smashing into each other. The dust consists of tiny metal fragments, bits of rock, and, further out, ices.
na verdade contêm nuvens de gás e poeira, normalmente levadas até lá pelas supernovas. Quando uma nuvem densa atinge um certo limiar chamado de massa de Jeans, entra em colapso consigo mesma. A nuvem reduzida gira cada vez mais rápido e aquece; por fim, torna-se aquecida o bastante para queimar hidrogênio em seu interior. Nesse momento, nasce uma estrela. Conforme a fusão começa na nova estrela, são lançados jatos de gás que rompem o topo e a base da nuvem, deixando pra trás um anel de gás e poeira, chamado de disco protoplanetário. Venta muitíssimo lá; redemoinhos de gás separam as partículas e fazem com que elas se choquem. A poeira é formada de fragmentos de metal, pedaços de rochas e, mais além, de gelo.
We’ve observed thousands of these disks in the sky, at various stages of development as dust clumps together into larger and larger masses.
Milhares desses discos podem ser observados no céu, em vários estágios de desenvolvimento à medida que a poeira se agrupa em massas cada vez maiores.
Dust grains 100 times smaller than the width of a human hair stick to each other through what’s called the van der Waals force. That’s where a cloud of electrons shifts to one side of a molecule, creating a negative charge on one end, and a positive charge on the other. Opposites attract, but van der Waals can only hold tiny things together.
Grãos de poeira 100 vezes menores que um fio de cabelo humano unem-se uns aos outros pela "Força de Van der Waals". Ocorre quando uma nuvem de elétrons se desloca para um lado de uma molécula, criando uma carga negativa em um extremo, e uma positiva no outro. Os opostos se atraem, mas Van der Waals consegue unir apenas pequenos objetos.
And there’s a problem: once dust clusters grow to a certain size, the windy atmosphere of a disk should constantly break them up as they crash into each other. The question of how they continue to grow is the first mystery of dust bunnies.
E há um problema: quando os aglomerados de poeira atingem um certo tamanho, a atmosfera de muito vento do disco deveria parti-los constantemente, já que colidem. O fato de continuarem a crescer é o primeiro mistério da poeira cósmica.
One theory looks to electrostatic charge to answer this. Energetic gamma rays, x-rays, and UV photons knock electrons off of gas atoms within the disk, creating positive ions and negative electrons. Electrons run into and stick to dust, making it negatively charged. Now, when the wind pushes clusters together, like repels like and slows them down as they collide. With gentle collisions they won’t fragment, but if the repulsion is too strong, they’ll never grow. One theory suggests that high energy particles can knock more electrons off of some dust clumps, leaving them positively charged. Opposites again attract, and clusters grow rapidly.
Uma teoria recorre à carga eletrostática para solucionar a questão. Raios gama, raios X e fótons UV energéticos repelem os elétrons dos átomos de gás dentro do disco, criando íons positivos e elétrons negativos. Os elétrons colidem com a poeira e unem-se a ela, que também fica com carga negativa. Agora, quando o vento empurra os aglomerados, os semelhantes repelem os semelhantes e os desacelera quando colidem. Com colisões mais suaves, eles não se fragmentarão, mas se a repulsão for muito forte, nunca crescerão. Uma teoria sugere que partículas de alta energia podem repelir mais elétrons de algumas aglomerações de poeira, gerando uma carga positiva. Os opostos se atraem de novo e os aglomerados crescem rapidamente.
But before long we reach another set of mysteries. We know from evidence found in meteorites that these fluffy dust bunnies eventually get heated, melted and then cooled into solid pellets called chondrules. And we have no idea how or why that happens. Furthermore, once those pellets do form, how do they stick together? The electrostatic forces from before are too weak, and small rocks can’t be held together by gravity either. Gravity increases proportionally to the mass of the objects involved. That’s why you could effortlessly escape an asteroid the size of a small mountain using just the force generated by your legs. So if not gravity, then what? Perhaps it’s dust. A fluffy dust rim collected around the outside of the pellets could act like Velcro. There’s evidence for this in meteors, where we find many chondrules surrounded by a thin rim of very fine material– possibly condensed dust.
Mas, em breve, trataremos de outra série de mistérios. Há evidências encontradas em meteoritos de que essas nuvens de poeira esponjosas finalmente aquecem, derretem e então se resfriam em grânulos sólidos chamados côndrulos. Não temos ideia de como ou por que isso acontece. Além disso, quando esses grânulos se formam, como se unem? As forças eletrostáticas de outrora eram muito fracas e a gravidade não poderia manter as rochas pequenas unidas. A gravidade aumenta proporcionalmente à massa dos objetos envolvidos. É por isso que se pode facilmente fugir de um asteroide do tamanho de uma montanha pequena usando apenas a força das pernas. Se não é a gravidade, o que é então? Talvez seja a poeira. Uma borda de poeira esponjosa coletada do exterior dos grânulos poderia atuar como Velcro. Há evidência disso em meteoros, nos quais são encontrados muitos côndrulos envoltos por uma borda fina de um material delicado, possivelmente poeira condensada.
Eventually the chondrule pellets get cemented together inside larger rocks, which at about 1 kilometer across are finally large enough to hold themselves together through gravity. They continue to collide and grow into larger and larger bodies, including the planets we know today.
Por fim, os grânulos de côndrulos se unem dentro de rochas maiores, as quais têm cerca de um quilômetro de extensão, e são grandes o bastante para se unirem pela força da gravidade. Elas continuam a colidir e se tornam corpos cada vez maiores, formando os planetas que conhecemos hoje.
Ultimately, the seeds of everything familiar– the size of our planet, its position within the solar system, and its elemental composition– were determined by an uncountably large series of random collisions. Change the dust cloud just a bit, and perhaps the conditions wouldn’t have been right for the formation of life on our planet.
Por fim, as origens de tudo o que conhecemos, o tamanho do nosso planeta, a posição que ocupa no sistema solar e a composição elementar foram determinados por inúmeras séries de colisões aleatórias. Se a nuvem de poeira tivesse sido mudada só um pouquinho, talvez as condições não teriam sido favoráveis para a formação da vida no nosso planeta.