Conteúdo

1. Introdução
2. Como o sol funciona?
   • História
   • Estado do modelo solar padrão hoje
   • Heliosismologia
3. Problemas dos neutrinos solares
   • O que são neutrinos?
   • Neutrinos esperados do sol
   • Experimentos de neutrinos solares
4. Soluções para os neutrinos solares
   • Solução solar ou solução de neutrinos?
   • Oscilações de neutrinos
   • Experimentos de neutrinos não solares
   • Soluções propostas
   • Conclusões sobre neutrinos
5. Argumentos criacionistas solares
   • Encolhimento
   • Neutrinos e fusão solar
   • Lítio, berílio e heliosismologia
   • Sol jovem fraco
   • Sol cristalino
6. Referências

Introdução

O sol brilha de um céu azul, entregando um milhar de watts de energia para cada metro quadrado da Terra. Ele tem feito isso desde tempos imemoriais, sem mudanças notáveis. A única fonte de energia razoável que conhecemos, capaz de manter o sol funcionando assim, é a fusão nuclear. Um subproduto inevitável da fusão é um fluxo abundante de partículas chamadas neutrinos. Detectores de neutrinos na Terra realmente encontram neutrinos vindos do sol, e o fluxo observado está da ordem de grandeza correta, confirmando que a fusão está, de fato, ocorrendo no sol.

Mas quando cálculos detalhados do fluxo esperado de neutrinos foram confrontados com medições, há cerca de 30 anos, uma discrepância significativa foi encontrada. Apenas cerca da metade dos neutrinos esperados pôde ser detectada. Esta anomalia persistiu até bem recentemente e é conhecida como o "problema dos neutrinos solares". Para todos os detalhes minuciosos do problema dos neutrinos solares conforme apareceu antes de ser resolvido, consulte o livro autoritário de John Bahcall Astrofísica de Neutrinos (Bahcall 1989), complementado por suas atualizações mais recentes (Bahcall 1997a; Bahcall & Krastev & Smirnov 1998), e com uma introdução mais acessível em Bahcall (1990).

Como em muitas outras anomalias na ciência, criacionistas (por exemplo, Oard 1995, Snelling 1997, Sarfati 2000) invocaram o problema dos neutrinos solares como evidência de problemas mais fundamentais na ciência ortodoxa "uniformitarista". Argumenta-se, em resumo, que, como o fluxo de neutrinos está errado, não pode haver fusão suficiente no Sol; nesse caso, o Sol não pode continuar brilhando por bilhões de anos, logo, deve ter sido criado recentemente.

Nesta FAQ, descreverei primeiro a visão padrão sobre o funcionamento interno do Sol, e depois passarei aos neutrinos, o que são eles e o que esperamos deles vindos do Sol. Em seguida, discutirei várias soluções possíveis para o problema dos neutrinos solares. Finalmente, os argumentos criacionistas sobre neutrinos solares e outras anomalias solares, reais e fictícias, serão tratados. Esta seção final, com respostas às alegações criacionistas, é bastante curta; a maior parte da faq está nas longas seções introdutórias, contendo todo o conhecimento de fundo necessário para entender as respostas.

Como o sol funciona?

Hoje temos uma imagem coerente da estrutura interna e da função do Sol, sustentada por várias linhas independentes de evidência. Mas este modelo solar é uma construção relativamente recente, e as evidências de suporte ainda mais recentes.

História

Especulações sobre a natureza do Sol são tão antigas quanto a história registrada, mas não me aprofundarei nas versões mais fantasiosas do passado, pois não são pertinentes à questão dos neutrinos solares. Se nos restringirmos ao estudo sério do Sol, o meio do século XIX é um bom ponto de partida, com três descobertas importantes:

• O conceito de energia e a maquinaria termodinâmica associada, levando à compreensão de que o fluxo de energia solar deve vir de algum lugar.
• A descoberta de que o Sol não é único, mas tem equivalentes entre as estrelas. Cada estrela é um Sol.
• A descoberta (através da espectroscopia) de que o Sol é composto pelos elementos químicos padrão, os mesmos que encontramos aqui na Terra, e que brilha com uma temperatura de cerca de 6000 graus C.

Uma das principais teorias sobre a formação do Sol foi (e ainda é) a teoria nebulosa do século XVIII de Kant e Laplace, na qual o Sol se formou através da contração gravitacional de uma grande nuvem de gás. A energia gravitacional potencial da nuvem seria liberada como calor, à medida que ela se contrairia, e Hermann Helmholtz percebeu que isso era uma fonte de energia possível para o Sol, desde que ainda estivesse na fase de contração. William Thomson (melhor conhecido como Lord Kelvin) elaborou e promoveu essa teoria durante as últimas décadas do século 19. No entanto, ficou claro que essa fonte de energia, embora abundante pelos padrões humanos, não poderia durar para sempre. Vários cálculos forneceram limites da ordem de algumas dezenas de milhões de anos de sol constante: "...eu acho que seria extremamente precipitado assumir como provável qualquer coisa mais do que vinte milhões de anos de luz solar no passado histórico da Terra, ou contar com mais do que cinco ou seis milhões de anos de luz solar para o futuro" (Thomson 1889, p. 369).

Essa idade foi problemática para muitos; era muito longa para os literalistas bíblicos, mas muito curta para os geólogos e biólogos, que podiam ver que a Terra e sua fauna tinham uma história muito mais longa. Os físicos, como o Lord Kelvin, no entanto, não se importavam com a opinião de nem dos literalistas nem dos biólogos, de modo que seus argumentos tiveram pouco impacto. Mas essa idade para o Sol também era problemática na astronomia; o Sol era apenas uma estrela entre muitas, e se assumisse, razoavelmente, que todas as estrelas funcionavam da mesma maneira, seguiam-se contradições. Por um lado, a escala de tempo para a contração gravitacional varia fortemente com o tamanho da estrela (Eddington 1916, 1917; Hayashi 1961); estrelas maiores colapsam e esfriam muito mais rápido do que as do tamanho do Sol. Após vinte milhões de anos, todas as estrelas grandes deveriam ter desaparecido, se tivessem sido criadas ao mesmo tempo que o Sol.

Alternativamente, poderia-se assumir que o nascimento de estrelas é um processo contínuo, de modo que o céu esteja preenchido com estrelas de todas as idades diferentes. Mas, nesse caso, não deveria haver nenhum padrão particular se comparássemos tamanhos, temperaturas e luminosidades das estrelas. Estrelas de todos os tamanhos deveriam começar frias, ficar mais quentes e densas e, finalmente, esfriar novamente e terminar como objetos compactos e frios. Estrelas maiores e mais massivas deveriam geralmente ser mais luminosas do que as menores, mas não há razão para esperar uma relação com a temperatura. Isso entra em contradição flagrante com a descoberta de Hertzsprung e Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914) de que a vasta maioria das estrelas realmente apresenta tal padrão, quando plotada no que agora é conhecido como diagrama Hertzsprung-Russell (por exemplo, aqui). Eddington (1924) desenvolveu essas ideias mais adiante e mostrou que a única conclusão razoável é que as estrelas começam a se contrair (e a brilhar a partir de energia gravitacional), mas que depois atingem o equilíbrio ao longo do que agora é conhecido como "sequência principal". A energia gravitacional não pode explicar esse equilíbrio; é necessária uma nova fonte de energia.

Outro argumento vem de estrelas variáveis (Eddington 1920). Muitas estrelas oscilam regularmente, mas uma contração contínua alteraria mensuravelmente a frequência de oscilação, em questão de décadas. Tais mudanças não foram observadas, levando a limites superiores fortes para a taxa de contração possível, inconsistentes com o que a teoria da energia gravitacional prevê.

Assim, a busca por uma nova fonte de energia para o sol não, como é comumente acreditado, decorreu principalmente do desejo de fornecer tempo suficiente para a evolução biológica. Pelo contrário, Kelvin e outros foram bastante enfáticos quanto à sua opinião de que a biologia e a geologia teriam que se adaptar à escala de tempo dada pela física do século 19, e esquecer os bilhões de anos (Barnes 1974). Mas, como vimos, no início do século 20, descobriu-se que uma nova fonte de energia era necessária apenas por motivos astronômicos. A estrutura interna das estrelas havia sido trabalhada por Eddington e outros (Eddington 1920), muito antes da descoberta da fusão nuclear, e foi encontrada consistente com as observações astronômicas apenas se fosse postulada uma nova fonte de energia.

Na busca por uma nova fonte de energia que ocorreu no início do século 20, a radioatividade (descoberta acidentalmente por Henri Becquerel em 1896) desempenhou um papel proeminente. Eddington (1920) especulou sobre a possibilidade de transmutação de elementos, seguindo o padrão dos experimentos então recentes de Rutherford. Muitos outros, notadamente George Gamow, contribuíram para essa discussão durante as décadas de 1920 e 1930, mas Bethe (1939) é geralmente considerado o trabalho seminal, estabelecendo a fusão como uma fonte de energia viável para as estrelas.

Através do trabalho de Bethe e outros, rapidamente percebeu-se que a fusão era eminentemente adequada como fonte de energia desejada para as estrelas. Todos os diversos padrões e relações entre massa, temperatura, luminosidade e assim por diante, que eram conhecidos na época, foram bem explicados postulando a fusão no interior estelar. E as condições predominantes dentro do Sol e outras estrelas (calculadas por Eddington (1916, 1917) e outros muito antes do trabalho de Bethe) eram precisamente aquelas nas quais as reações de fusão prosseguiam a uma taxa apropriada. Por pura coincidência, também se descobriu que a vida útil de um Sol impulsionado por fusão é da mesma ordem de magnitude que a idade da Terra, resolvendo o problema dos geólogos.

Statuso do modelo solar padrão hoje

O status do modelo solar padrão hoje não pode ser descrito como qualquer coisa além de excelente saúde. Quase tudo se encaixa perfeitamente, inclusive os neutrinos atualmente. O Sol é uma enorme esfera de gás ionizado, principalmente hidrogênio e hélio, com uma porcentagem de todos os outros elementos misturados. O que é diretamente observável são as condições da superfície, e a massa total e a luminosidade. Essas observáveis, juntamente com a suposição de que a física como a conhecemos também se aplica no interior, são suficientes para calcular em considerável detalhe o que ocorre dentro do Sol. Não é necessário fazer nenhuma suposição específica sobre a idade do Sol ou sua fonte de energia.

Cálculos iniciais (pré-computador) foram realizados assumindo que o Sol está próximo do equilíbrio, irradiando em um estado estacionário. Esta ainda é uma aproximação bastante boa, mas requer a suposição de que o Sol é velho o suficiente para ter atingido o equilíbrio. Modelos mais completos partem, em vez disso, de um Sol de idade zero (ou mesmo de uma nuvem de gás em colapso) e, em seguida, seguem o desenvolvimento do Sol até que as condições de superfície calculadas correspondam às observadas hoje. Estes modelos fazem menos suposições, mas as equações não podem ser resolvidas senão numericamente, e mesmo assim exigem consideráveis quantidades de tempo de computador.

As equações de equilíbrio são descritas e derivadas em qualquer bom livro-texto de astrofísica, como o de Karttunen et al. (1994), que é o que estou seguindo aqui. Existem quatro condições principais de equilíbrio:

• Equilíbrio hidrostático: a pressão dentro do Sol é, em todos os raios, suficiente para suportar o peso do material acima. Qualquer desvio do equilíbrio aqui causaria que o Sol mudasse drasticamente em uma escala de tempo de horas, o que obviamente não é o caso.
• Distribuição de massa: o perfil de densidade dentro do Sol, integrado sobre todo o volume, deve dar a massa total do Sol, bem conhecida dos estudos orbitais.
• Fluxo de energia: a energia transportada para fora através do Sol deve, em todos os raios, ser igual à energia produzida (por qualquer meio) dentro desse raio. Na superfície, o fluxo de energia deve ser igual à luminosidade medida.
• Gradiente de temperatura: o gradiente de temperatura do centro à superfície deve ser tal que o fluxo de energia seja impulsionado na taxa correta, enquanto, ao mesmo tempo, a temperatura em todas as profundidades deve ser consistente com a pressão e densidade do gás nessa profundidade, de acordo com as versões de alta temperatura das leis dos gases padrão.

A equação do fluxo de energia é ainda mais complicada pelo fato de que existem dois mecanismos concorrentes de transporte de energia de magnitude comparável nas estrelas: radiação e convecção (a condução térmica é desprezível). O transporte de energia por radiação ocorre quando a radiação é emitida por material mais quente e reabsorvida por material mais frio mais distante do centro; este processo está sempre em operação, mas sua eficiência depende fortemente da transparência do material. A convecção, o movimento de ascensão familiar que pode ser observado ao aquecer sopa em uma panela, ocorre sempre que a densidade do material subjacente é menor que a densidade do material que está em cima. É um modo muito eficiente de transporte de energia, mas está em operação apenas em certas partes do Sol, onde o gradiente de densidade está correto. Uma diferença crucial entre radiação e convecção é que o material solar é misturado e homogeneizado em todas as partes onde ocorre a convecção, mas não é misturado pelo transporte radiativo. O equilíbrio exato entre radiação e convecção é diferente em diferentes tipos de estrelas; em nosso Sol, a convecção ocorre nos 30% mais externos, enquanto apenas o transporte radiativo está em operação no núcleo. Mas a produção de energia ocorre quase exclusivamente no núcleo, portanto, quaisquer novos elementos formados através de processos nucleares permanecem onde estão e não são espalhados por todo o Sol.

Resolver este sistema de quatro equações diferenciais fornece o estado interno do sol (ou de qualquer outra estrela) em termos de pressão, temperatura e densidade, utilizando a física de laboratório padrão, assumindo apenas que está brilhando em um estado estacionário.

Avançando para o próximo passo, com um modelo numérico completo de desenvolvimento estelar, obteremos informações adicionais sobre a idade, composição e processos internos da estrela. Um conjunto muito similar de equações é utilizado, com as condições de equilíbrio relaxadas, e a estrela é acompanhada em seu desenvolvimento desde o nascimento até os dias de hoje (ou além, se desejado), levando em conta todos os processos e fontes de energia conhecidos que possam estar operando. A energia de contração de Helmholtz é levada em conta, assim como os diversos processos nucleares possíveis, sempre que as condições forem adequadas para eles.

Quando os cálculos são realizados, verifica-se que a energia de Helmholtz domina durante o colapso inicial, até que a temperatura e a densidade no centro fiquem altas o suficiente para a ignição da fusão. Após um período muito breve de fusão de deutério, a principal reação de fusão entra em ação (no caso do Sol, fusão próton-próton), e a estrela estabiliza-se em um estado próximo ao equilíbrio, onde permanece durante a maior parte de sua vida. Durante esta fase estável, a luminosidade da estrela aumenta lentamente, na ordem de cinco por cento por bilhão de anos, no caso do Sol, um fato ao qual retornaremos sob o título "Sol jovem fraco". Estrelas de massa inicial diferente atingem o equilíbrio em temperaturas e luminosidades distintas, ao longo do que os astrônomos chamam de "Sequência Principal". Esta sequência de equilíbrio reproduz e explica perfeitamente o padrão encontrado por Hertzsprung e Russell (Hertzsprung 1905; Russell 1914). No entanto, se a fusão não fosse operante por algum motivo, nenhum equilíbrio seria alcançado e nenhum padrão deveria ser observado.

Este processo pode ser utilizado para calcular a idade de uma estrela. No caso do Sol, o resultado concorda bem com as expectativas da datação radiométrica do resto do sistema solar (cerca de 4,55 bilhões de anos (Strahler 1987), levando a uma idade prevista do Sol de 4,563 – 4,576 bilhões de anos (Wasserburg 1995)). Guenther & Demarque (1997) encontram 4,5± 0,1 bilhões de anos para a idade do Sol, enquanto Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) favorecem uma idade mais próxima de 4,6 bilhões de anos, assim como Dziembowski et al (1998). Todos os três resultados são bem consistentes com as previsões das teorias padrão de formação do sistema solar. Para outras estrelas, os resultados são menos precisos, o que é natural dada a nossa conhecimento limitado sobre elas; alguns exemplos, juntamente com uma descrição do processo de datação, podem ser encontrados em Ford & Rasio (1998).

Os cálculos do modelo solar padrão são descritos em detalhes em várias obras de John Bahcall e colaboradores (Bahcall 1989; Bahcall & Pinsonneault 1995; Bahcall & Basu & Pinsonneault 1998). Bahcall & Pinsonneault (1995) é o artigo de revisão padrão ao qual a maioria das outras pessoas se refere. Para outra revisão interessante, com uma apresentação detalhada das suposições e complicações, bem como uma perspectiva crítica sobre Bahcall et al., veja Dar & Shaviv (1996; também Dar 1998). Duas questões cruciais na física solar são as taxas de reação nuclear sob condições solares (Adelberger et al 1998; Junker 1998) e a opacidade do material solar (Iglesias & Rogers 1996).

Heliossismologia

Os cálculos do modelo solar fornecem apenas conhecimento indireto do interior solar, deixando espaço para questionamentos e dúvidas. O fato de que os modelos realmente convergem para uma imagem consistente do Sol e são capazes de reproduzir as condições atuais da superfície usando física conhecida e condições iniciais razoáveis é, é claro, um forte indício de que os modelos não estão completamente errados. No entanto, uma verificação independente seria desejável. A heliosismologia fornece exatamente tal verificação independente dupla do modelo.

A sismologia aqui na Terra é a ciência dos terremotos, então a heliosismologia trata de "terremotos solares". E os terremotos solares podem ser usados para investigar o interior do Sol, da mesma forma que os sismólogos terrestres têm sido capazes de mapear o interior da Terra usando terremotos. A forma como as ondas de choque se propagam pela matéria depende, em primeiro lugar, se ela é um sólido ou um fluido. As ondas de choque provenientes de terremotos podem ser ondas de pressão (ondas P) ou ondas de cisalhamento (ondas S). As ondas P se propagam por qualquer coisa (exceto o vácuo), mas as ondas S só podem viajar em um sólido. O fato de que as ondas S não penetram em algumas partes do núcleo da Terra levou à conclusão de que essas partes são líquidas. Da mesma forma, o fato de que não observamos ondas S no Sol demonstra que o Sol não é sólido, mas fluido em toda a sua extensão. Ondas P são observadas em abundância, em muitas frequências diferentes.

O Sol vibra e pulsa constantemente, em várias frequências, causando vibrações na superfície que podem ser observadas da Terra. A partir do padrão das vibrações da superfície, a velocidade das ondas P em diferentes profundidades pode ser determinada por um procedimento matematicamente um pouco árduo, que não detalharei aqui. Gough et al (1996a) fornecem uma introdução, assim como Bahcall (1989). Para mais detalhes, veja, por exemplo, Christensen-Dalsgaard (1997) ou Guenther & Demarque (1997), e as referências contidas nelas, bem como uma ampla gama de artigos em Science de 31 de maio de 1996: (Hathaway et al, 1996; Thompson et al, 1996; Gough et al, 1996b; Hill et al, 1996; Christensen-Dalsgaard et al, 1996; Harvey et al, 1996; Hellemans, 1996). Introduções não técnicas em todos os níveis (do jardim de infância ao ensino superior) podem ser encontradas em http://solar-center.stanford.edu/heliopage.html .

A velocidade das ondas P é a velocidade do som no material, que, para um gás, depende da temperatura e do peso molecular médio. A velocidade do son a diferentes profundidades no Sol pode, portanto, ser prevista a partir dos cálculos do modelo solar padrão e comparada com as medições heliosismológicas. Brun & Turck-Chieze & Morel (1998) fornecem comparações entre o modelo solar e as medições heliosismológicas, tanto para a velocidade do som quanto para as frequências vibracionais reais que os heliosismólogos medem. As frequências concordam com precisão superior a um microHertz, e as velocidades do som com precisão superior a um percento em todo o Sol (muito melhor do que um percento na maior parte, com uma desvio de um percento completo apenas exatamente na fronteira convectivo-radiativa). Comparações semelhantes podem ser encontradas em numerosos outros artigos recentes, como Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998) ou Christensen-Dalsgaard (1997). A concordância entre o modelo e os dados era boa desde o início (Christensen-Dalsgaard et al 1996), mas várias refinamentos no modelo solar (não ajustando-o para se adequar aos dados, mas levando em conta processos que anteriormente haviam sido negligenciados, notadamente a difusão) melhoraram ainda mais o ajuste (Bahcall 1998).

Em resumo, as medições heliosismológicas confirmam fortemente as previsões do modelo solar padrão e restringem severamente as teorias não ortodoxas sobre o Sol.

Problemas dos neutrinos solares

Os neutrinos são partículas elusivas, emitidas em uma variedade de reações nucleares e decaimentos. Eles são relevantes para o Sol, porque são um subproduto inevitável da fusão nuclear e porque são o único tipo conhecido de partícula capaz de escapar do núcleo do Sol sem interagir, trazendo informações diretas sobre o interior solar. Essa possibilidade foi notada desde o início, mas as dificuldades experimentais adiaram a busca por neutrinos solares até a década de 1960, quando John Bahcall (1964) calculou uma previsão específica para o fluxo de neutrinos e Raymond Davis (1964) propôs testar a previsão. Infelizmente, quando os resultados de Davis et al. (1968) posteriormente chegaram, eles discordaram da previsão. Isso foi a raiz do que ficou conhecido como o problema dos neutrinos solares.

O que são neutrinos?

Curiosamente, o neutrino foi primeiramente inventado como uma hipótese ad hoc, a fim de salvar as leis de conservação de energia e momento do falsificação. Por volta de 1930, nos primeiros estudos detalhados de decaimentos beta radioativos, descobriu-se que parte da energia e do momento estava faltando em cada decaimento. O decaimento beta envolve a conversão de um nêutron em um próton, acompanhada pela emissão de um elétron, e nada mais visível. A energia carregada pelo elétron deveria corresponder à energia liberada pelo átomo no processo – mas não era assim! Wolfgang Pauli propôs explicar essa discrepância postulando que uma partícula adicional, invisível, era emitida junto com o elétron, carregando consigo a energia e o momento faltantes. Esta "partícula fantasma" foi nomeada neutrino. (Para algumas das reflexões originais de Pauli sobre o neutrino, veja Mössbauer (1998)).

Agora, hipóteses ad hoc, inventadas puramente para salvar nossas teorias favoritas, são geralmente rejeitadas na ciência, e por boa razão. Mas a hipótese do neutrino acabou por ser confirmada, quando a partícula fantasma foi finalmente demonstrada a ter uma existência real, mais de vinte anos depois. Hoje, o neutrino está bem estabelecido como parceiro do elétron em nossa teoria padrão de partículas elementares. Ele possui as mesmas propriedades básicas que o elétron e participa das mesmas interações, exceto por não possuir carga elétrica e ter uma massa quase nula.

Além disso, existem três famílias de partículas elementares, cada uma composta por dois quarks e dois léptons. Os quarks são constituintes dos prótons e nêutrons e não precisam nos preocupar mais neste contexto. Lépton é o termo coletivo para elétrons e neutrinos e seus parentes nas outras famílias. O elétron e o (elétron-)neutrino formam o par de léptons da primeira família. Nas outras duas famílias, os equivalentes do elétron são chamados de múon e tau, cada um com seu parceiro neutrino, chamado de neutrino do múon e neutrino do tau. Assim, temos três léptons carregados diferentes: elétron, múon e tau; e três neutrinos, um associado a cada um dos três léptons carregados (embora não tenha sido até recentemente que o neutrino do tau foi realmente observado (Antia 1998))). As partículas correspondentes em diferentes famílias são idênticas, exceto por terem massas diferentes.

Neutrinos esperados do sol

Parece estabelecido, além de qualquer dúvida razoável, através do sucesso do modelo solar padrão, que o Sol brilha devido à fusão nuclear em seu núcleo. Uma reação de fusão envolve a fusão de dois núcleos atômicos em um. No Sol, uma cadeia de várias reações de fusão diferentes, ao longo de qualquer um dos cerca de quatro caminhos diferentes, leva de quatro núcleos de hidrogênio (prótons únicos) a um núcleo de hélio (dois prótons e dois nêutrons). Neste processo, dois prótons têm que ser convertidos em nêutrons através de decaimentos beta. Em cada decaimento beta, um neutrino é emitido (um neutrino de sabor elétron, ou seja). Portanto, é direto calcular que, se o Sol brilha através da fusão de hidrogênio, ele deve emitir dois neutrinos por cadeia de fusão. E em nossa teoria padrão de física de partículas, os neutrinos sairão diretamente do Sol, sem interagir com o material intermediário. O fluxo total de neutrinos do Sol deve ser de cerca de 200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 por segundo, correspondendo a um fluxo de cerca de 6,5 × 10¹⁰ neutrinos por centímetro quadrado por segundo atingindo a Terra.

A maioria desses neutrinos vem da principal cadeia de reações produtoras de energia no Sol: fusão próton-próton. Infelizmente, os neutrinos provenientes da fusão próton-próton (pp) têm uma energia muito baixa. A energia, neste contexto, é medida em elétron-volts (1 eV = 1,6 × 10^-19 Joule), ou milhões de elétron-volts (MeV), e a energia dos neutrinos pp é inferior a 0,42 MeV, tornando-os difíceis de detectar.

Espera-se um número menor (mas ainda enorme) de neutrinos de maior energia provenientes de várias reações secundárias, notadamente decaimentos de boro e berílio. Existe também uma cadeia alternativa de produção de energia, a fusão CNO, na qual a fusão de hidrogênio em hélio é catalisada pelo carbono. Esta cadeia CNO é esperada ser a principal fonte de energia em estrelas maiores e mais quentes, mas deve fornecer apenas uma contribuição modesta no Sol. Os neutrinos da cadeia CNO são, de outra forma, mais fáceis de detectar do que os neutrinos pp, tendo cada um três a quatro vezes mais energia.

Os detalhes da rede de reações de fusão solar podem ser encontrados em muitas obras, tanto em astrofísica quanto em física de neutrinos, como Karttunen et al (1994) ou Bahcall (1989). Livros de astronomia menos avançados, como Pasachoff (1995) ou Zeilik (1994), no entanto, frequentemente omitem as reações laterais que são altamente relevantes para os estudos de neutrinos solares. Um bom diagrama do fluxo de neutrinos solares do modelo solar padrão, em função da energia do neutrino, pode ser encontrado na página inicial de John Bahcall, http://www.sns.ias.edu/~jnb/ , juntamente com toneladas de informações, dados e software relacionados aos neutrinos solares. Se você é sério sobre neutrinos solares, sua página é uma mina de ouro!

Experimentos com neutrinos solares

O problema com os experimentos de neutrinos solares é que os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar e medir. (After all, they were invented for the purpose of sneaking away unnoticed... ) A única maneira de detectá-los é através de suas interações ocasionais com a matéria enquanto passam através. Mas a probabilidade de tal interação é extremamente baixa; a vasta maioria dos neutrinos passará diretamente através da Terra sem interagir de forma alguma. Os poucos que interagem podem fazê-lo de algumas maneiras diferentes:

• Colidindo com um elétron e depois continuando como antes. Todos os sabores de neutrinos podem fazer isso. O elétron é ejetado de sua órbita atômica e pode ser detectado. Isso é experimentalmente viável para neutrinos com energia cinética moderada a alta. "Energia moderada" de neutrino aqui significa vários milhões de elétron-volts (MeV).
• Colidindo com um núcleo e depois continuando como antes. É detectável apenas se houver energia suficiente transferida para desestabilizar o núcleo, centenas de MeV na maioria dos casos – e os neutrinos solares não carregam um "punch" suficiente, então esqueça isso.
• Interagindo com um elétron ou um núcleo e sendo convertido no lépton carregado correspondente (elétron, múon ou tau). O lépton carregado pode ser detectado com facilidade suficiente – mas o neutrino deve carregar energia suficiente para fornecer E=mc² para a criação de seu substituto carregado. Os neutrinos solares têm energia suficiente para criar elétrons, mas não o suficiente para os outros dois.
• Fazendo um decaimento beta reverso em um núcleo. Os neutrinos são normalmente emitidos em decaimentos beta. Mas alguns núcleos podem, em efeito, reverter o processo capturando um neutrino. Tecnicamente, isso pertence ao ponto anterior, mas é importante o suficiente para merecer seu próprio ponto, porque, neste caso, não é necessário capturar o neutrino no ato – os núcleos "revertidos" ficarão lá, e podem ser contados com calma, através de separação química (será um elemento diferente do original), ou através de sua radioatividade. Isso requer uma energia mínima que é diferente para diferentes núcleos; para alguns, notadamente cloro e gálio, a energia está ao alcance dos neutrinos solares. Apenas neutrinos-eletrônicos podem fazer isso (já que apenas neutrinos-eletrônicos são emitidos em decaimentos beta).
• Um processo relacionado é a "fusão reversa" que pode ocorrer quando um neutrino atinge um núcleo de deutério, dividindo-o em dois prótons.

O primeiro experimento de neutrinos solares (Davis 1964) baseou-se no "decaimento beta reverso" de átomos de cloro. Consiste em um tanque grande colocado profundamente em uma mina em Dakota do Sul, EUA. O tanque é preenchido com cerca de 600 toneladas de fluido de limpeza, percloroetileno, contendo mais de 10³⁰ átomos de cloro. A cada poucos dias, um desses átomos é convertido em argônio por decaimento beta reverso. De acordo com o modelo solar padrão, um átomo deveria ser convertido todos os dias, mas a taxa realmente medida foi no máximo metade disso. Em 2002, Davis recebeu o Prêmio Nobel por seu trabalho pioneiro em neutrinos solares.

O cloro é experimentalmente conveniente – é razoavelmente barato (importante quando você precisa de centenas de toneladas!), e o argônio resultante é quimicamente agradável, tornando viável encontrar as agulhas no palheiro e contar os átomos um por um. Infelizmente, o cloro tem um limiar de energia muito alto para os neutrinos provenientes da reação principal próton-próton do Sol. Ele detecta apenas os neutrinos de maior energia provenientes dos decaimentos do berílio e do boro, e da cadeia CNO. Agora, o berílio e o boro são produzidos em reações secundárias menores no Sol que são altamente sensíveis à temperatura exata no núcleo solar; é possível ajustar o modelo solar padrão o suficiente para reduzir significativamente sua taxa de produção (Bahcall 1989; Dar & Shaviv 1996), sem qualquer interrupção significativa da nossa compreensão de como o Sol funciona e de como os neutrinos funcionam. No entanto, a discrepância era perturbadora.

O gálio é melhor do ponto de vista da física, pois é sensível também aos neutrinos solares primários provenientes da fusão próton-próton. A taxa na qual estes são produzidos é fixada pela luminosidade do Sol e não pode ser alterada por qualquer ajuste menor do modelo. No gálio, o modelo padrão prevê cerca de 70 SNUs da fusão pp e mais uns 60 do resto (principalmente berílio) (Bahcall 1997b). O gálio, no entanto, é um elemento raro e caro; a quantidade necessária para um experimento de neutrinos representa uma fração considerável da produção anual mundial desse material. Por isso, os experimentos com gálio só foram construídos por volta de 1990, quando dois deles, chamados GALLEX e SAGE, começaram a coletar dados. Ambos os experimentos vêm sendo operados há alguns anos e produziram essencialmente o mesmo resultado: um fluxo de cerca de 70 SNUs detectados (Altmann 1998; Hampel et al 1999). Dentro das margens de erro, isso é igual ao número esperado apenas da fusão próton-próton, não deixando espaço algum para neutrinos provenientes de berílio e outras fontes. Além disso, ambos os experimentos foram calibrados com um fluxo conhecido de neutrinos de uma fonte terrestre de neutrinos, o que praticamente exclui o erro experimental como explicação para a discrepância dos neutrinos solares.

Em paralelo com os experimentos de gálio, um experimento de neutrino completamente diferente estava em andamento: Kamiokande (recentemente ampliado e modernizado, e renomeado para Super-Kamiokande). Originalmente construído para buscar decaimentos de prótons (Kamiokande = Kamioka Nucleon Decay Experiment), descobriu-se que era particularmente adequado para a astronomia de neutrinos também. Neutrinos solares são detectados quando eles colidem com elétrons – ou melhor, a cascata de luz do elétron é detectada. Isso tem a desvantagem de que neutrinos de baixa energia não podem ser detectados, então o Kamiokande é sensível apenas a neutrinos provenientes de decaimentos de boro (e algumas cadeias laterais ainda mais menores; veja, por exemplo, Bahcall & Krastev 1998). Mas há consideráveis vantagens também:

• A direção de onde o neutrino veio pode ser determinada a partir do caminho do elétron, fornecendo evidências sólidas de que os neutrinos estão, de fato, vindo do Sol, apresentado pela primeira vez por Hirata et al. (1990), e posteriormente corroborado com mais dados (Fukuda et al 1996; Fukuda et al 1998c; Fukuda 1998).
• O horário de chegada do neutrino pode ser determinado com precisão, tornando possível a busca por variações diurnas/noturnas ou sazonais (Fukuda 1998)
• A energia do elétron fornece uma estimativa grosseira da energia do neutrino (diferente dos experimentos de beta-reverso, onde sabemos apenas que os neutrinos excederam um certo limiar de energia), tornando possível distinguir neutrinos provenientes de diferentes cadeias de reações no Sol, e a buscar outros efeitos dependentes da energia (Fukuda et al 1996; Fukuda 1998).

Esses quatro experimentos de neutrinos solares (um de cloro, dois de gálio e o Super-K) eram até recentemente os únicos. Todos mostram um déficit significativo de neutrinos, medindo uma ordem de um terço a um meio do fluxo esperado. Suas medições implicaram, portanto, que ou o modelo solar padrão estava errado, ou o modelo padrão da física de partículas (e, portanto, o comportamento dos neutrinos) estava errado. Os dados eram sólidos o suficiente para excluir os modelos padrão, mesmo que se assumisse que um dos experimentos fosse inútil; qualquer três deles eram suficientes (Hata & Langacker 1997), (ou qualquer dois, se os dois não fossem ambos de gálio).

• Dois importantes novos experimentos de neutrinos solares reportaram resultados durante os últimos dois anos. O GNO (Altmann et al., 2000) é um novo experimento com gálio, maior, intendido para adicionar peso aos dados existentes. Mas o chamado SNO é inovador e altamente significativo. Ele utiliza, entre outras coisas, a reação de "fusão reversa" mencionada acima. Isso permite que ele distinga entre diferentes sabores de neutrinos e entre diferentes tipos de interações de neutrinos, algo que o Super-K faz apenas com dificuldade, e os experimentos de beta reverso não fazem de todo. O valor disso é discutido em, por exemplo, Fogli & Lisi & Montanino (1998) ou Villante & Fiorentini & Lisi (1999). O SNO começou a coletar dados em 1999 (Sincell 1999), e agora reportou seus primeiros resultados (Ahmad et al 2001a, 2001b, 2002a, 2002b). De um lado, o número de neutrinos elétron permanece muito baixo, igual ao que os outros experimentos veem. Mas o que é novo é que os resultados do SNO mostram inequivocamente que o número total de neutrinos, somando todos os sabores, corresponde precisamente às previsões do modelo solar padrão. Em outras palavras, os neutrinos parecem ser convertidos de um sabor para outro en route, e chegam como uma mistura de sabores. Esse tipo de mistura de sabores é explicado na seção Oscilações de neutrinos abaixo.

Soluções de neutrinos solares

O problema dos neutrinos solares existiu por três décadas, durante as quais foram propostas inúmeras soluções possíveis. O problema nunca foi considerado um mistério insolúvel – era mais uma questão de decidir entre diferentes possibilidades. Mas com os novos dados disponíveis durante o último ano, tanto dos novos experimentos de neutrinos solares, quanto da heliosismologia, a maioria das soluções propostas pode ser excluída, e apenas algumas possibilidades permanecem, todas as quais envolvem física de neutrinos modificada. A evidência para o comportamento não padrão dos neutrinos era forte já há alguns anos, e agora é conclusiva.

Solução solar ou solução de neutrinos?

As soluções concebíveis para o problema dos neutrinos solares podem ser divididas em duas classes amplas: soluções solares, baseadas em modificações do modelo padrão do Sol, e soluções de neutrinos, baseadas em modificações do modelo padrão da física de partículas. O erro experimental é, naturalmente, sempre uma possibilidade, mas com vários experimentos diferentes, cuidadosamente calibrados e operando em dois princípios totalmente distintos, todos fornecendo resultados semelhantes, essa possibilidade tornou-se remota.

A possibilidade de encontrar erros no modelo solar padrão tem sido investigada extensivamente (veja, por exemplo, Bahcall & Basu & Pinsonneault (1998)), com a conclusão de que, considerando o excelente ajuste a todos os outros dados, incluindo a heliosismologia, tais erros são altamente improváveis. Além disso, muitas pessoas diferentes implementaram suas próprias versões do modelo, com seu próprio código de computador e pequenas diferenças nos detalhes da física, sem diferenças significativas no resultado (veja a compilação na fig 1 de Bahcall (1998)). Da mesma forma, criar um modelo alternativo que se ajuste às medições de neutrinos e, simultaneamente, se ajuste à heliosismologia e a outros dados, parece muito difícil. Os modelos de Dar & Shaviv (1996) e Cumming & Haxton (1996) se aproximam mais, mas uma discrepância considerável de neutrinos permanece.

Um argumento ainda mais forte contra uma solução solar é a análise de Hata & Langacker (1997). Eles mostram que, mesmo que se ignore totalmente o modelo solar e permita que os fluxos relativos de neutrinos de diferentes fontes variem livremente, as discrepâncias dos neutrinos não são eliminadas. Nem mesmo ajuda assumir que o Sol não é totalmente alimentado por fusão! Hata & Langacker concluem que "...as soluções [solares] em geral têm dificuldades a menos que todos os experimentos estejam errados,..." (1997, p. 9). Outros autores fizeram cálculos semelhantes, com conclusões similares, por exemplo, Fiorentini & Ricci (1998), Ricci & Villante & Lissia (1999) ou Bahcall & Krastev & Smirnov (1998) e as referências contidas therein (mas veja também Dar & Shaviv (1999), que discordam).

Com uma solução solar tendo sido efetivamente excluída, à satisfação da maioria das pessoas no campo, restou-nos uma busca por uma solução de neutrino. Quanto às soluções no domínio da física de neutrinos, existem três possibilidades:

• Espaços espectrais de neutrinos não convencionais, ou outras anomalias no decaimento beta.
• Algo acontece com os neutrinos em seu caminho do núcleo do Sol até aqui.
• Interações não convencionais de neutrinos em nossos detectores.

A viagem de neutrinos através de distâncias astronômicas é obviamente inacessível a estudos laboratoriais e, há muito tempo, é considerada a área mais promissora para buscar anomalias que possam explicar os neutrinos solares faltantes. A conclusão de que a solução para o problema dos neutrinos solares é mais provavelmente o desaparecimento de neutrinos en route recebeu apoio adicional dos recentes relatórios de anomalias na viagem de neutrinos através de distâncias terrestres (Fukuda et al 1998a; Athanassopoulos et al 1997; Oyama 2001; discutido com mais detalhes abaixo), e a questão foi finalmente resolvida pelo SNO (Ahmad et al 2002a).

Oscilações de neutrinos

Fazer os neutrinos desaparecerem no ar seria altamente problemático, violando, entre outras coisas, a conservação de energia e momento (a preservação das quais foi o principal motivo para inventar o neutrino em primeiro lugar). Converter os neutrinos em algo mais é uma solução muito mais aceitável. Felizmente, há abundante precedente para tais conversões entre outras partículas elementares, e especulações sobre a possibilidade de comportamento semelhante entre neutrinos datam muito antes do problema dos neutrinos solares (Pontecorvo 1957). Este processo de conversão é conhecido como oscilações de neutrinos.

[Agora, explicar como funcionam as oscilações de neutrinos é um pouco delicado, pois depende de efeitos quânticos sutis, e eu não posso assumir aqui que todos os leitores estão familiarizados com a teoria quântica. A explicação abaixo é, por necessidade, altamente simplificada; se algum purista se opuser, é bem-vindo a propor uma melhor.]

Um conceito indispensável, mas contra-intuitivo, na mecânica quântica é o da superposição. Suponha que uma certa partícula tenha uma propriedade que possa assumir vários valores diferentes; o exemplo clássico é o do gato de Schrödinger (por exemplo, http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html), mas vou tomar um diferente: cartas de baralho comuns têm a propriedade 'naipes', com os quatro valores possíveis 'paus', 'copas', 'ouros' e 'espadas'. Na vida ordinária não-quântica, cada carta individual tem um naipe bem definido. Não é assim na mecânica quântica! Uma carta quântica pode estar em um estado misto, uma chamada 'superposição' de, digamos, 30% de paus, 60% de copas e 10% de ouros. Quando você verifica a qual naipe essa carta pertence, você tem 30% de chance de encontrar que é um pau, 60% de chance de encontrar que é uma copa e assim por diante. Note que isso é não apenas uma questão da sua ignorância sobre o naipe "verdadeiro" da carta – ela não tem um único naipe bem definido até que você a verifique (há algumas pontas filosóficas soltas aqui, mas ignore-as por enquanto).

Na física de partículas, o equivalente dos naipes são as três famílias, discutidas acima na seção 'O que são os neutrinos?'. Um neutrino pode pertencer a qualquer uma das três famílias, tornando-se um neutrino do elétron, ou um neutrino do múon, ou um neutrino do tau. Ou, pode ser uma superposição dos três sabores familiares, misturados em algumas proporções. Agora, o modelo padrão assume que os neutrinos emitidos pelo sol estão em um estado puro de neutrino do elétron, sem mistura. Se essa suposição estiver errada, no entanto, coisas interessantes podem acontecer en route.

Um caso similar, que tem sido extensivamente estudado em aceleradores de partículas, é o do méson K neutro (um méson é uma combinação de dois quarks (ou, para ser mais preciso, um quark e um anti-quark); no caso do méson K, trata-se de um quark 'down' (d) da primeira família e um quark 'strange' (s) da segunda família). O méson K neutro (K0) nos leva ao próximo conceito engraçado que precisamos, o de um estado próprio. Para simplificar, um estado próprio é um estado reconhecido como puro, não misturado, sem superposição, em um determinado contexto. Por exemplo, no contexto do poker, os quatro naus normais são estados próprios dos cartas naquele jogo; um naipe não misturado de espadas é reconhecido como uma espada e nada mais. Mas em um jogo diferente, os estados próprios podem ser diferentes! Se você jogar whist, os naipes reconhecidos naquele jogo como naipes puros podem (em um mundo quântico) ser diferentes daqueles reconhecidos como naipes puros no poker. Uma espada de whist pode ser uma mistura de 80% de espada de poker e 20% de paus de poker, e o mesmo vale para os outros naipes. Uma espada pura de poker seria considerada no whist como uma mistura, com apenas uma probabilidade de 80% de ser reconhecida como uma espada de whist. Em jogos de cartas, isso soa absurdo – mas na física de partículas, isso é exatamente o que acontece. Diferentes 'jogos' – diferentes interações – reconhecem e interagem cada um com um conjunto diferente de estados próprios para as partículas.

Os 'jogos' relevantes jogados no mundo subatômico são:

• Interações 'fortes', apenas entre quarks; a força principal dentro dos núcleos.
• Interações eletromagnéticas, entre todas as partículas carregadas.
• Interações 'fracas', nas quais todas as partículas podem estar envolvidas; a força por trás dos decaimentos beta.
• Massa. Como as partículas se deslocam entre interações (bem como muitas outras coisas) é determinado pelos seus autoestados de massa.

Para a maioria das partículas e interações, isso não é um problema; os diferentes autoestados são idênticos, tanto quanto podemos determinar. Mas as interações fracas nem sempre se conformam. Os autoestados fracos dos quarks são diferentes dos seus autoestados fortes/eletromagnéticos. Isso está bem estabelecido experimentalmente; veja, por exemplo, Halzen & Martin (1984) ou Parodi & Roudeau & Stocchi (1999). Os mésons K0 são produzidos em interações fortes de quarks, mas decaem através de interações fracas dos seus quarks constituintes. Há outras sutilezas envolvidas, mas para fazer uma longa história curta, o resultado final é que os autoestados de produção são diferentes dos autoestados de viagem/decaimento dos K0. Os autoestados de viagem/decaimento são chamados de K0_long e K0_short, devido às suas vidas médias mais longas e mais curtas. Assim, um K0 é produzido como um autoestado puro de interação forte, mas isso não é um autoestado de viagem/decaimento. Assim que ele se afasta do ponto de produção, ele viaja como uma mistura de K0_long e K0_short, os autoestados de viagem.

Agora, se K0_long e K0_short viajassem exatamente à mesma velocidade, permaneceriam "em sincronia" um com o outro, e a mistura não seria perceptível. No entanto, suas massas são ligeiramente diferentes, causando uma diferença na velocidade, fazendo com que percam a sincronia à medida que viajam. Experimentalmente, isso é observável como uma mudança na razão de mistura dependendo da distância percorrida, oscilando entre dois extremos. Diversos experimentos foram realizados com mésons K0, confirmando a existência dessas oscilações. (Veja, por exemplo, Perkins (1982) para mais detalhes). Oscilações semelhantes foram teoricamente previstas para mésons B0 (o equivalente da terceira família ao méson K0 da segunda família) e agora foram observadas experimentalmente (Schröder 1987; Abe et al 1999, e referências therein).

No que diz respeito à interação fraca, espera-se que os léptons se comportem da mesma forma que os quarks. Portanto, seria natural esperar efeitos de mistura semelhantes entre os léptons. Especificamente, os neutrinos ocupam o lugar correspondente nas famílias de léptons, assim como os quarks constituintes K0 e B0 o fazem nas famílias de quarks, de modo que a mistura seria esperada principalmente entre os neutrinos. No entanto, como no caso dos mésons K0, a mistura seria indetectável se todos os neutrinos tivessem a mesma massa. E, tanto quanto podemos determinar através de medições diretas, todos os três neutrinos possuem, de fato, a mesma massa, ou seja, zero (Klapdor-Kleingrothaus & Staudt 1995; Ackerstaff et al 1998). Assim, no modelo padrão da física de partículas, assumiu-se simplesmente que os neutrinos tinham massa zero, mas é uma modificação direta do modelo inserir uma massa adequada.

Se os neutrinos realmente possuem uma massa minúscula e diferentes neutrinos possuem massas diferentes, eles se comportarão da mesma forma que os mésons K0. Eles serão produzidos em um autoestado de interação fraca, mas viajarão em um autoestado de massa, que pode ser diferente do autoestado fraco. (Os autoestados de interação fraca são os três sabores de neutrino discutidos anteriormente: neutrino do elétron, neutrino do múon, neutrino do tau.) Quando chegam e interagem em nossos detectores, não chegam como o autoestado fraco original no qual foram produzidos, mas como uma mistura de dois ou mais sabores. Isso sempre foi uma solução potencial para o problema dos neutrinos solares, já que os experimentos solares originais mediram uma aparente desaparecimento de neutrinos do elétron, sem medir os outros sabores. Se os neutrinos oscilam do 100% de neutrino do elétron no qual são produzidos no Sol, para uma mistura com cerca de 40% de neutrino do elétron e 60% de outros neutrinos, obtemos um ajuste bastante bom para os dados experimentais. E agora que o SNO confirmou que os outros 60% realmente existem como outros sabores de neutrinos, o problema está efetivamente resolvido.

Lembre-se também que essa re-mistura é um processo oscilatório, indo e voltando. A uma certa distância (e duas, três, quatro vezes essa distância, etc) do ponto de produção, os neutrinos terão passado por um ciclo completo de oscilação e estarão de volta ao estado com que começaram. À metade dessa distância (e 1,5, 2,5, etc, vezes essa distância), a mistura estará no máximo. Essa escala de distância de oscilação depende da diferença de massa entre os neutrinos e da energia dos neutrinos. Uma pequena diferença de massa e uma alta energia significam uma distância de oscilação muito longa.

Com neutrinos solares, a distância é conhecida, 150 milhões de quilômetros, e a energia é conhecida. Mas o fato de que neutrinos solares de diferentes cadeias de fusão têm energias diferentes, pode fazê-los chegar à Terra em pontos diferentes de seus ciclos de oscilação. Isso pode explicar a aparente discrepância maior para neutrinos provenientes de berílio do que de fusão de boro ou próton-próton. Além disso, a distância varia ao longo da órbita elíptica da Terra ao redor do Sol, causando um efeito sazonal, que seria uma assinatura 'fumaça' para oscilações de neutrinos. Nenhum tal efeito foi observado até agora, mas as estatísticas ainda são insuficientes para excluí-lo.

Além dos efeitos de oscilação decorrentes apenas da distância percorrida, existe outro mecanismo de oscilação que pode ser relevante para neutrinos solares (assim como ocorre com os mésons K0). Diferentes sabores de neutrinos possuem diferentes probabilidades de interação ao saírem do Sol. No caso de um neutrino misto, os diferentes componentes da mistura sofrerão interações distintas, removendo frações diferentes deles da mistura. O resultado é uma mistura modificada, que então viajará pelo espaço até a Terra, possivelmente chegando como um sabor diferente daquele que foi originalmente produzido.

Essa conversão de neutrinos na matéria é chamada de efeito Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW), nomeado em homenagem às pessoas que o descobriram (Wolfenstein 1978; Mikheyev & Smirnov 1985). Uma descrição completa, embora um pouco técnica, do efeito MSW (assim como das oscilações ordinárias (no vácuo) de neutrinos) pode ser encontrada em Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Uma assinatura clara do efeito MSW seria uma diferença no fluxo medido de neutrinos entre dia e noite, porque à noite os neutrinos têm que atravessar a Terra e sofrer conversão adicional MSW.

As oscilações de neutrinos são hoje a solução mais promissora entre as propostas para o problema dos neutrinos solares. Mas até recentemente, o Sol não forneceu evidência direta de que as oscilações estavam, de fato, ocorrendo. A medição do SNO de neutrinos solares de outros sabores além dos neutrinos eletrônicos é, no entanto, uma prova irrefutável. Os neutrinos mu- ou tau- vindos do Sol devem ser neutrinos eletrônicos convertidos por oscilação, já que nenhum tipo desses neutrinos é produzido no Sol.

Experimentos com neutrinos não solares

Além dos experimentos com neutrinos solares, há uma grande variedade de outros experimentos com neutrinos em andamento, vários dos quais buscam oscilações de neutrinos e fenômenos relacionados. Nos últimos dois anos, resultados positivos foram relatados por alguns deles, dando suporte ao conceito de oscilações de neutrinos.

O resultado mais sólido não solar de oscilação de neutrinos até a data vem do Super-Kamiokande. O Super-K é um experimento altamente versátil, capaz de detectar neutrinos de muitas fontes diferentes além do sol. Uma fonte proeminente de neutrinos aqui na Terra são as interações de raios cósmicos com a atmosfera da Terra. Os raios cósmicos relevantes consistem principalmente de prótons de alta energia, que interagem com núcleos no ar, produzindo chuveiros de partículas subatômicas, algumas das quais sofrem decaimento beta em seu caminho até o solo. Esses decaimentos beta geram um fluxo de neutrinos de energia média a alta que atingem a superfície da Terra, atravessam o planeta e saem pelo outro lado. Se os neutrinos não oscilam, esperaria-se o mesmo número de neutrinos subindo através do solo quanto o que desceu do outro lado. O Super-K, no entanto, observa uma diferença significativa. Uma fração substancial dos neutrinos-múon aparentemente desaparece em seu caminho através da Terra. Para as apresentações do próprio grupo do Super-K, veja (Fukuda et al 1998a, b, d; Learned et al 1998; Super-Kamiokande 1998); para perspectivas, veja (Normile 1998b; Wilczek 1998).

Resultados semelhantes também foram relatados do experimento MACRO na Itália (Ambrosio et al 1998; Spurio 1998), e de Soudan2 e IMB (Gonzalez-Garcia et al 1998), embora todos tenham estatísticas piores e sistemática pior que a do Super-K. Os resultados negativos anteriores do Frejus e do NUSEX (Gonzalez-Garcia et al 1998) têm incertezas estatísticas tão grandes que são compatíveis, dentro dos erros, com os resultados do Super-K.

As buscas de oscilação de neutrinos atmosféricos complementam os neutrinos solares, pois possuem neutrinos de maior energia e percorrem uma distância menor, investigando, assim, uma faixa diferente de possíveis diferenças de massa dos neutrinos. Outra faixa é sondada em experimentos com aceleradores, onde neutrinos de alta energia são criados em aceleradores de partículas e deixam viajar por alguma distância. Muitos desses experimentos foram realizados, a maioria com resultados negativos (veja, por exemplo, Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995) e as referências therein, ou Altegoer et al (1998), CHORUS (1998), Armbruster et al (1998)). Houve, no entanto, uma alegação no ano passado de que oscilações de neutrinos haviam sido observadas, pelo experimento LSND (Athanassopoulos et al 1997; Glanz 1996). O resultado do LSND não é universalmente aceito, embora indique uma diferença de massa de neutrino muito maior do que a encontrada pelo Super-K ou implicada pelos neutrinos solares. Outro resultado positivo, mais consistente com o resto do que o LSND, pode ser encontrado nos relatórios preliminares do experimento K2K (Oyama 2001), no qual um feixe de neutrinos de um acelerador é direcionado ao Super-K a partir de uma distância de algumas centenas de km.

Os reatores nucleares são outra fonte de neutrinos, e vários experimentos têm procurado oscilações de neutrinos perto de reatores. O mais recente, CHOOZ (Apollonio et al 1997), exclui uma grande fração das explicações possíveis para os resultados do Super-K. Um experimento maior, KAMLAND (Dazeley 2002), outro descendente do Kamiokande, acabou de começar a coletar dados.

A física de neutrinos é, em geral, um tópico experimental "quente" hoje, com muito trabalho em andamento, não apenas sobre oscilações de neutrinos, mas também sobre outros aspectos da física de neutrinos, bem como sobre a astronomia de neutrinos. Apenas para mencionar alguns exemplos: o Lago Baikal (Balkanov et al 1997), ANTARES (Moorhead 1998b) e, por último, mas não menos importante, minhas próprias modestas contribuições nos grupos PAN (Johansson 1991) e AMANDA (Askebjer et al 1995; Halzen 1997). Revisões também podem ser encontradas em, por exemplo, Petrera (1998) ou Klapdor-Kleingrothaus & Staudt (1995). Para uma revisão de questões teóricas em aberto, veja Haxton (1998).

Soluções propostas

Os resultados dos neutrinos solares podem ser explicados tanto por oscilações diretas quanto pelo efeito MSW. As diferenças de massa e os parâmetros de mistura implicados pelo déficit de neutrinos solares são discutidos em vários trabalhos, por exemplo, Bahcall (1997a). Com as novas e convincentes evidências de oscilações de neutrinos apresentadas pelo Super-Kamiokande (Fukuda et al 1998a), um grande número de pessoas apresentou uma variedade de propostas para modificar o modelo padrão da física de partículas, a fim de incorporar as oscilações de neutrinos. Três categorias de soluções propostas emergem:

• Mantendo a maior parte do modelo padrão, apenas substituindo as massas nulas dos neutrinos por alguns valores não nulos adequados. Sem dor e direto, mas não excitante (a menos que haja algo estranho com a nova massa do neutrino, como a proposta de um neutrino taquion de Ehrlich (1999)). Exemplos incluem Jarlskog et al (1999), Fritzsch & Xing (1998), Barger & Weiler & Whisnant (1998), Jezabek & Sumino (1998), Chikira & Haba & Mimura (1998), Barbieri et al (1998), Esposito & Tancredi (1997), Akhmedov et al (1998), Thun & McKee (1998), Conforto et al (1998), Xing (1998) e também ninguém menos do que o homem que ganhou o Prêmio Nobel por inventar nossa teoria padrão atual de interações de neutrinos, Sheldon Glashow (Georgi & Glashow 1998; Glashow & Kernan & Krauss 1998). Mesmo assim, é um pouco complicado acomodar todos os resultados experimentais, tanto solares, atmosféricos, quanto experimentos de acelerador/reator (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998a; Kang & Kang 1998; LoSecco 1998; Ahluwalia 1998).
• Adicionar um quarto neutrino (por exemplo, Lipmanov (1998), Bilenky & Giunti & Grimus (1998) ou Liu & Smirnov (1998)). Também bastante direto, exceto que existem restrições experimentais sólidas sobre o número de neutrinos, tanto da física de partículas (por exemplo, Aarnio et al (1989), quanto da cosmologia (Schramm & Turner 1998; mas veja também Pal (1998), Valle (1998) e Kirilova & Chizhov (1998)), restringindo-o a três. Um quarto neutrino tem que escapar dessas restrições, e por isso deve ser fundamentalmente diferente dos outros três e ainda mais elusivo (Barger & Pakvasa & Weiler & Whisnant 1998b). Soluções de três e quatro neutrinos são comparadas por Yasuda (1998) e Gonzalez-Garcia et al (1999).
• Substituir as fundações do modelo padrão por algo mais exótico, como supersimetria (Chun et al 1998; King 1998; Brooijmans 1998) ou alguma versão de grande unificação (Pati 1998; Nomura & Yanagida 1998; Bando & Yoshioka 1998), ou outras novidades (Joshipura 1998; TBarenboim & Bernabeu & Jarlskog 1995; Elwood & Irges & Ramond 1998; Ahluwalia 1998).

Todas as soluções propostas afirmam ser consistentes com os dados disponíveis (ou, em alguns casos, afirmam que alguns dos dados, mais frequentemente o LSND, devem ser descartados como insuficientemente estabelecidos), e muitas delas são bastante semelhantes, pelo menos no que diz respeito aos aspectos acessíveis experimentalmente. São necessários experimentos adicionais para distinguir entre os modelos. Por enquanto, contudo, a conclusão deve ser que não há escassez de soluções de neutrinos para o problema dos neutrinos solares.

Conclusões sobre neutrinos

Com a chegada dos resultados do SNO, alcançamos um consenso sólido: as oscilações de neutrinos estão ocorrendo. O problema dos neutrinos solares por si só era sugestivo, mas não uma evidência convincente; os resultados dos neutrinos atmosféricos selaram o caso do comportamento não padrão dos neutrinos, e o SNO confirmou que isso resolveu o problema dos neutrinos solares. Isso também significa que podemos ter bastante confiança de que o modelo solar padrão é uma aproximação próxima do que ocorre no Sol, já que sua previsão para o fluxo total de neutrinos é confirmada com boa precisão pelo resultado do SNO. Os detalhes da nova física de neutrinos ainda não estão totalmente esclarecidos, e vários cenários de oscilação diferentes ainda são plausíveis, mas novos dados experimentais estão a caminho e devem resolver as questões pendentes menores dentro de alguns anos.

Argumentos criacionistas solares

Muito do que foi escrito sobre o sol em fontes criacionistas foca em sua idade. Os 4,5 bilhões de anos, que é o padrão, são, é claro, anátema para um criacionista da Terra jovem. Assim, várias tentativas são feitas para argumentar por uma idade mais jovem, corretamente notando que um sol jovem implica uma origem recente para a vida na Terra (mas deixando de lado o fato de que o inverso também é verdadeiro; evidências de uma longa história de vida na Terra implicam um sol antigo).

Encolhimento

Existem duas linhas de argumento diferentes sobre um sol em encolhimento. A primeira refere-se diretamente à clássica teoria de Kelvin-Helmholtz sobre o sol brilhar através da contração gravitacional. A segunda linha baseia-se numa suposta mudança na diâmetro medido do sol.

A teoria da contração gravitacional era uma ciência mainstream perfeitamente respeitável, no século XIX. Como descrito na seção histórica acima, ela foi abandonada no início do século XX, por boas razões científicas que nada tinham a ver com o criacionismo. Alguns criacionistas, notadamente Barnes (1974), parecem estar cientes dos desenvolvimentos na ciência além de cerca de 1895, e continuam a invocar os argumentos de Kelvin como se ainda fossem válidos. Mas mesmo que não soubéssemos nada sobre a fusão nuclear (ou se a fusão, por algum motivo, não funcionasse no Sol), a refutação da teoria da contração gravitacional por Eddington (1920; 1924) permaneceria sólida. Isso contradiz diretamente as alegações de Akridge (1980), de que a teoria foi abandonada apenas porque a evolução exigia mais tempo: "Os cientistas nem sempre atribuíram a fonte de energia do Sol à fusão termonuclear. Antes da descoberta da fusão termonuclear, Helmholtz previu que a energia do Sol era fornecida pelo colapso gravitacional do Sol. Este modelo foi aceito até que a teoria da evolução começou a dominar a cena científica. Então a explicação de Helmholtz foi descartada porque não fornecia a vasta extensão de tempo exigida pela teoria da evolução orgânica na Terra. A teoria substituta foi introduzida por Bethe na década de 1930 precisamente porque a fusão termonuclear era a única fonte de energia conhecida que duraria o vasto tempo exigido pela evolução. A ciência pode agora estar à beira de desprovar o modelo evolutivo substituto do Sol." (ibid, p. 3). A última frase de Akridge também é enganosa, na medida em que o modelo padrão do Sol não é "evolutivo" em nenhum sentido conectado com a evolução darwiniana à qual ele se refere em outro lugar da citação (e, claro, também enganosa na medida em que a ciência está longe de desprová-lo).

Akridge (1980) é também a fonte principal para a outra linha de argumento, alegando que a diminuição do tamanho do Sol foi medida. Ele baseia esta alegação inteiramente nos resultados de Eddy & Boornazian (1979). Remarkavelmente, no entanto, parece que ele nem sequer leu o seu artigo – ele não se refere diretamente a ele, mas apenas a uma popularização (Lubkin 1980, ver referência em Akridge 1980). É também interessante notar que Akridge implica que E&B observaram 400 anos de diminuição, enquanto o título do artigo de E&B é 'Diminuição secular do diâmetro solar, 1863-1953', com apenas um período de 90 anos. Apesar destas (e outras) falhas óbvias, a alegação de Akridge tornou-se, no entanto, um tema padrão do criacionismo, repetida em numerosas publicações criacionistas, desde Brown (1995) até Molén (1991).

Strahler (1987) revisa os dados disponíveis no momento da escrita de Akridge e contrasta-os com a apresentação de Akridge (1980). Ele observa que

1. Eddy & Boornazian (1979) eles próprios não interpretam seu resultado como evidência de uma mudança em curso. Sua interpretação de seus próprios dados é descartada de imediato por Akridge (1980).
2. Outras medições, que não mostravam qualquer redução significativa, estavam disponíveis em 1980, mas foram completamente ignoradas por Akridge (1980).
3. Medições subsequentes, publicadas entre 1980 e 1987, não sustentam a alegação de Akridge.

Uma medição recente do diâmetro solar é a de Brown & Christensen-Dalsgaard (1998). A partir de dados coletados no período de 1981-1988, eles relatam um raio de 695.508 ± 26 km, sem evidências de mudança ao longo do tempo. A questão da definição da superfície é discutida em detalhes, levando à conclusão de que sua definição é cerca de 500 km menor do que a utilizada na maioria das estimativas anteriores. Mesmo em um período tão curto de tempo, sua série temporal é suficiente para excluir uma contração contínua na taxa de Akridge de cinco pés por hora, embora em um nível modesto de confiança estatística. Extraí os dados da figura 2 em Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) e realizei alguns ajustes de linha, encontrando que o melhor ajuste aos dados é um leve, estatisticamente insignificante, aumento do diâmetro do sol. Nenhum suporte whatsoever para contração.

Para uma base de tempo ligeiramente mais longa, usarei o valor de Allen (1973), citado tanto por Brown & Christensen-Dalsgaard (1998) quanto por Castellani & Degl'Innocenti & Fiorentini (1998) como o valor de referência padrão antes da década de 1990. Trabalhando com Brown & Christensen-Dalsgaard (1998), recalculei tanto sua medição quanto a de Allen (1973) para o que acredito ser a mesma definição de superfície, obtendo um valor para o diâmetro angular do sol de 1919,31 ± 0,19 segundos de arco em 1973, e 1919,359 ± 0,018 segundos de arco em média entre 1981 e 1988. A suposta contração de Akridge corresponde a cerca de 0,25 segundos de arco ao longo do mesmo período, sem nenhum rastro visível. Parece que o sol parou de encolher.

Neutrinos e fusão solar

A fusão é a única fonte de energia conhecida capaz de manter o sol ativo por bilhões de anos. A escassez de neutrinos provenientes do sol tem sido invocada por vários criacionistas como evidência de que há algo de errado com o modelo solar padrão e como prova de que o sol não pode ter bilhões de anos. Este argumento está intimamente ligado à contração discutida na seção anterior; Davies (1996) conclui que, devido à falta de neutrinos, o sol ainda deve estar obtendo a maior parte de sua energia da contração gravitacional, sendo, portanto, jovem. Ainda assim, Davies admite que alguma fusão está ocorrendo, produzindo aqueles neutrinos que realmente observamos. Walter Brown (1995) também invocou a escassez de neutrinos como evidência contra o modelo solar padrão (juntamente com uma infinidade de outras falácias astrofísicas), e este argumento é repetido (juntamente com um conjunto similar de falácias astrofísicas) na Enciclopédia Criacionismo-Evolução dos Harvestime Books (http://www.pathlights.com/ce_encyclopedia/Index.htm). Akridge (1980) também atribui a maior parte da energia solar à contração gravitacional, mas ele tem o problema oposto – seu modelo de sol encolhido fornece duas ordens de grandeza a mais de energia gravitacional! Sobre a fusão, ele diz apenas que "nem toda essa [energia do] sol vem da fusão termonuclear." (ibid, p. 3), deixando em aberto a questão do que fazer com o excedente e como acomodá-lo com os resultados dos neutrinos solares.

Quanto à falta de neutrinos solares como "prova" de que não há (ou há muito pouco) fusão no Sol (por exemplo, Snelling 1997, Oard 1995), acredito que este argumento foi amplamente refutado nas seções anteriores deste FAQ. Existem fortes evidências de que o aparente déficit de neutrinos solares se deve às oscilações de neutrinos, e não a qualquer falha no modelo de fusão solar. Isso recebeu apoio independente tanto de resultados de oscilações de neutrinos solares quanto terrestres, e há também várias linhas independentes de evidências a favor do modelo solar padrão, com fusão. Um modelo do Sol como uma estrela jovem, com uma grande fração de sua energia vindo da contração gravitacional, é inconsistente com sua cor e luminosidade atuais, e grosseiramente inconsistente com os resultados heliosismológicos. O fato de que o Sol não pode ainda estar na fase de contração foi estabelecido já na década de 1920, muito antes da descoberta da fusão.

Sarfati (2000/2002) é outro criacionista que, na versão original de 2000 do seu artigo, invocou o problema dos neutrinos solares como evidência contra a fusão no Sol. No entanto, na versão online do seu artigo em http://www.answersingenesis.org/docs/4180.asp há uma nota adicionada em maio de 2002, após os resultados do SNO terem sido divulgados: "Isto é consistente com outras linhas de evidência de que a fusão é a fonte primária de energia, por exemplo, a temperatura do núcleo. Isto significa que os neutrinos devem ter, afinal, uma massa de repouso muito pequena—os dados experimentais devem ter precedência sobre as teorias dos físicos de partículas de que os neutrinos têm massa de repouso zero. Portanto, os criacionistas não devem mais invocar o problema dos neutrinos ausentes para negar que a fusão é a fonte primária de energia para o Sol." Isto é uma honestidade louvável — mas então ele estraga a boa impressão ao inserir uma citação totalmente obsoleta de segunda mão (de Eddy 1978) na mesma nota, como se ainda tivesse alguma relevância.

Como nota lateral, o criacionista Unruh (1995) parece aceitar o modelo solar padrão e reconhece explicitamente que a fusão é a principal fonte de energia. No entanto, ele comete outros erros astrofísicos, como alegar que "É um fato conhecido que a maioria das estrelas produz luz visível em pequenas proporções e é mais intensa na emissão de radiações letais como raios X e raios gama." (ibid, p. 3). Todas as estrelas da sequência principal emitem uma grande fração de sua radiação como luz visível. A prova está disponível em todas as noites estreladas – se as estrelas não brilhassem com muita luz visível, não as veríamos no céu! Ele também nota, corretamente, que a maioria das estrelas é menor que o Sol – mas depois afirma que o Sol é único, ignorando o fato de que mesmo a minoria de estrelas do tipo G (à qual o Sol pertence) soma bilhões de estrelas apenas na Via Láctea.

Lítio, berílio e heliosismologia

Além do déficit de neutrinos solares discutido acima, Davies (1996) apresenta dois argumentos adicionais para um Sol jovem:

• "A oscilação fundamental do Sol corresponde à de uma estrela jovem." (ibid, p 1)
• "A abundância de lítio e berílio no Sol é consistente com a de uma estrela jovem." (ibid, p 3)

Davies (1996) afirma que as evidências apontam para um Sol homogêneo, com um núcleo bem misturado. A possibilidade de um núcleo misturado foi, de fato, considerada e discutida no início dos anos setenta, mas quando as previsões dos modelos de núcleo misturado são comparadas com as recentes medidas heliosismológicas, verifica-se que todos os modelos com mistura em grande escala podem ser firmemente excluídos (Degl'Innocenti & Ricci 1998; Richard & Vauclair 1997; Stix 1998). Isso é implícito também nas recentes medições da idade do Sol (discutido acima), que igualmente excluem a possibilidade de um Sol jovem e homogêneo (Guenther & Demarque 1997; Brun & Turck-Chieze & Morel 1998).

No entanto, pequenas quantidades de mistura são indicadas por dados heliosismológicos (Brun & Turck-Chieze & Zahn 1998), não no interior profundo do núcleo, mas na fronteira entre as zonas radiativa e convectiva do Sol. Esta mistura superficial, no entanto, não ajuda em nada o argumento de Davies (1996) sobre um Sol jovem. Pelo contrário, serve para enfraquecer seu outro argumento, o que concerne ao berílio e ao lítio no Sol.

Lítio e berílio são dois elementos leves, que são ambos estimados terem feito parte da composição química original do sol em certas (baixas) concentrações. Ambos os elementos são facilmente consumidos por fusão, o lítio um pouco mais do que o berílio – são necessárias temperaturas de cerca de 2,5 milhões de graus para "queimar" o lítio, enquanto o berílio requer 4 milhões de graus (para ser comparado com a temperatura atual do núcleo do sol de cerca de 15 milhões de graus).

Curiosamente, como Davies (1996) corretamente aponta, o material da superfície do sol ainda possui todo o seu berílio original (Balachandran & Bell 1998), enquanto o lítio está severamente deplecionado. A partir disso pode-se concluir que o material da superfície tem sido exposto a uma temperatura de 2,5 milhões de graus, mas não 4 milhões de graus. Davies prossegue então para afirmar isso como evidência de que a temperatura do núcleo do sol ainda não atingiu 4 milhões de graus, implicando, é claro, que o sol ainda é jovem e não iniciou sua fusão corretamente.

Calculos cuidadosos da quantidade de mistura de material superficial e do núcleo em estrelas jovens resultam, no entanto, na previsão de que nenhuma quantidade significativa de lítio ou berílio deveria ser perdida em estrelas do tamanho do Sol durante sua fase inicial de contração, na qual Davies deseja colocar o Sol. Esta previsão é confirmada por observações de estrelas recém-nascidas, que ainda retêm seu lítio original. O lítio é perdido mais tarde, durante a vida na sequência principal das estrelas (Bahcall & Pinsonneault 1995).

Uma pequena quantidade de mistura ao longo da fronteira entre a zona convectiva superficial e a zona radiativa do núcleo, semelhante àquela encontrada por Brun & Turck-Chieze & Zahn (1998), pode explicar esse lento empobrecimento de lítio. Cálculos de Blöcker et al (1998) fornecem a quantidade exata de mistura necessária para reproduzir a abundância superficial atual de lítio (enquanto mantêm o berílio), encontrando uma solução consistente com o Sol com 4,5 bilhões de anos. Outras soluções propostas para o déficit de lítio também existem; consulte as referências em Blöcker et al (1998).

Em conclusão, um dos argumentos de Davies é simplesmente obsoleto, e o outro serve para confirmar a idade avançada do sol, em vez de provar sua juventude.

Sol jovem fraco

O chamado "paradoxo do Sol jovem fraco" refere-se ao fato de que o Sol, de acordo com o modelo solar padrão, aumenta lentamente sua luminosidade, conforme passam os gigas-anos. Durante a duração da vida na Terra, próxima de 4 bilhões de anos, a saída de energia do Sol aumentou em algo como 25% (Sagan & Chyba 1997). Apesar desse aumento no aquecimento solar, o clima aqui tem sido estável o suficiente para permitir que a vida continue.

Faulkner (1998) invoca o paradoxo do Sol jovem e fraco como evidência de que o Sol é jovem. Explicações ortodoxas do paradoxo (às quais retornaremos abaixo) são descartadas como improváveis demais, a menos que haja uma inteligência orientadora por trás delas. Se a Terra foi recentemente criada (presumivelmente com um Sol artificialmente envelhecido, para corresponder à sua luminosidade atual, que de fato não é a de uma estrela de 6000 anos), o paradoxo é trivialmente resolvido, pois não houve tempo para qualquer mudança apreciável na luminosidade.

Contudo, o argumento de Faulkner é menos do que perfeitamente convincente, por várias razões. A conexão entre a saída solar e o clima terrestre está longe de ser direta. Existem também detalhes menores enganosos em seu raciocínio, como ele citar uma mudança de 40% na luminosidade desde há 4,6 bilhões de anos, em vez da mudança de 25% mais interessante desde que a vida começou um pouco mais tarde. O clima antes que a vida começasse é bastante irrelevante, assim como quaisquer mudanças de luminosidade antes desse período. Selecionar o ponto de partida correto permite que você escolha qualquer mudança que deseje — a luminosidade do sol era 100% menor há 6 bilhões de anos, quando ele não estava brilhando de forma alguma...

Também deve ser notado que uma variação de 25% (ou 40%) na saída solar não se traduz numa variação correspondente na temperatura na Terra. Para começar, a temperatura é determinada pelo equilíbrio entre o influxo e o fluxo de calor. O influxo é diretamente proporcional à luminosidade solar, mas o fluxo é, em primeira aproximação, proporcional à quarta potência da temperatura da Terra (Lei de Stefan-Boltzmann; consulte qualquer livro de física). Na ausência de qualquer efeito de retroalimentação, uma variação de 25% na luminosidade solar traduz-se numa variação de 7% na temperatura superficial aqui, o que não precisa ser letal — é da mesma ordem de magnitude da diferença entre os climas tropicais e árticos hoje, o que é suportável.

Contudo, há bastante feedback no sistema climático da Terra, tanto positivo quanto negativo. Faulkner observa, corretamente, que o feedback positivo descontrolado será fatal, como ocorreu em Marte e Vênus (em direções opostas). Ele afirma também que qualquer feedback negativo precisa ser cuidadosamente "ajustado" para lidar com a grande mudança na insolação, e declara que tal ajuste fino em um framework naturalista é menos plausível do que a criação divina recente.

O sistema de feedback da Terra é altamente complexo, mas dois fatores principais podem ser discernidos:

• Albedo, que é uma medida de quanto da luz é refletida pela Terra sem aquecê-la. Um albedo mais alto significa um clima mais frio, tudo o resto sendo igual. Tanto o feedback positivo (o aquecimento diminui a cobertura de neve de alto albedo em altas latitudes) quanto o feedback negativo (o aquecimento pode aumentar a evaporação e, portanto, aumentar a cobertura de nuvens de alto albedo) estão presentes; não é óbvio qual predominaria na prática.
• Efeito estufa, que é causado por certos gases na atmosfera que deixam a luz solar entrar, mas impedem que o calor da Terra escape para o espaço. A Terra está atualmente cerca de 30 graus mais quente do que estaria sem nenhum efeito estufa, devido ao vapor d'água e dióxido de carbono na atmosfera (a bem-publicada ameaça do aquecimento global deve-se à nossa liberação de muita quantidade extra de dióxido de carbono da queima de combustíveis fósseis, aumentando assim o efeito estufa). Outros gases do efeito estufa que podem ter sido importantes há quatro bilhões de anos incluem metano e amônia. Os efeitos de feedback do efeito estufa são ainda mais complexos do que para o albedo, particularmente com a presença de vida.

Existem dois pontos principais a abordar, a fim de avaliar com que seriedade tomar os argumentos de Faulkner (1998):

• Quão fino o ajuste fino teve que ser? Sabemos que a vida poderia se formar e sobreviver (já que ainda está aqui), mas ela precisava prosperar o tempo todo? Quais são os extremos climáticos que a Terra poderia suportar sem ficar totalmente esterilizada?
• Quão plausíveis são os mecanismos de feedback que precisam ser invocados para explicar o registro climático?

Embora a vida possa ter se formado conceitualmente sob uma espessa cobertura de gelo, o registro fóssil indica a presença de uma superfície livre de gelo dentro de algumas centenas de milhões de anos a partir do início. Estromatólitos (comuns fósseis iniciais) são formações de águas rasas, e a fotossíntese parece ter sido um desenvolvimento precoce também (Cowen 1995). Há também evidências isotópicas de um clima quente nos tempos iniciais (Weisstein 1996). Portanto, ainda assim precisamos de um clima decente em um momento em que o sol era 20% mais fraco do que hoje. A maneira mais razoável de alcançar isso é invocando um efeito estufa maior.

Existe um conjunto considerável de evidências de que a atmosfera da Terra primitiva era bastante diferente da mistura de nitrogênio e oxigênio que respiramos hoje. O oxigênio é quase exclusivamente o produto de organismos fotossintetizantes, que não existiam no início. Também há evidências de minerais antigos de que a atmosfera estava livre de oxigênio no momento em que eles se formaram, e evidências de minerais posteriores (notadamente as chamadas "formações de ferro em camadas") de uma transição para uma atmosfera rica em oxigênio após talvez dois bilhões de anos (Cowen 1995; Kerr 1999).

Atualmente, grandes quantidades de carbono foram sequestradas por organismos, tanto na biomassa viva quanto nos sedimentos carbonáticos; é muito provável que grande parte desse carbono tenha estado originalmente na forma de dióxido de carbono (Sagan & Chyba 1997). Os atuais reservatórios de carbono, se totalmente convertidos em dióxido de carbono, resultariam em uma atmosfera semelhante à de Vênus, com efeito estufa mais do que suficiente para compensar um Sol menos brilhante. Não está claro exatamente quanto do carbono estava realmente na atmosfera (Kasting 1993; Sagan & Chyba 1997), mas mesmo que fosse apenas uma pequena fração do disponível, o resultado seria um considerável efeito estufa. Algumas medições de dióxido de carbono antigo já foram realizadas (Mora & Driese & Colarusso 1996), mas não nos períodos de tempo relevantes.

Além disso, existem outros gases que podem ser grandes contribuintes para o efeito estufa na Terra primitiva, notadamente metano e amônia (Kerr 1999). Sagan & Chyba (1997) propõem um modelo dominado por amônia, no qual é gerado aquecimento estufa suficiente para alcançar temperaturas acima de zero, apesar de um Sol fraco.

O dióxido de carbono, o metano e o amônia são todos gases comuns nas atmosferas de outros planetas e são componentes razoáveis (quase inevitáveis) da atmosfera original da Terra, dado nossos teorias atuais de formação planetária. É, portanto, altamente plausível que um efeito estufa substancial tenha compensado, pelo menos parcialmente, o Sol fraco do início.

As condições na Terra muito primitiva que permitem a aparição e a evolução inicial da vida parecem ser alcançáveis sem invocar demasiadas improbabilidades. Como o Sol então se tornou mais quente, no entanto, temos um problema; se a atmosfera de efeito estufa for mantida por muito tempo, conforme o Sol se ilumina, um efeito estufa descontrolado pode resultar de um feedback positivo, criando uma situação semelhante à de Vênus e tornando a Terra inabitável. É necessário um feedback negativo compensatório.

Algum feedback geoquímico pode ser possível, mas parece improvável que seja suficiente (Lenton 1998). Os organismos vivos também começaram a converter dióxido de carbono em oxigênio e matéria orgânica, diminuindo substancialmente o efeito estufa assim que a fotossíntese começou. No entanto, não há motivo óbvio para que esse processo mantenha exatamente o ritmo com o aumento da luminosidade do Sol. Talvez tenhamos simplesmente tido sorte, mas como explicação, isso não é inteiramente satisfatório. Se o ajuste precisava ser muito preciso, Faulkner (1998) teria razão ao chamá-lo de "milagroso".

Parece, no entanto, que a Terra pode tolerar oscilações climáticas substanciais, aliviando a necessidade de um ajuste fino de alta precisão e sorte/miraculoso. Há evidências de extensas glaciações na época do Pré-Cambriano (Kaufman & Knoll & Narbonne 1997; Jenkins & Frakes 1998), intercaladas com períodos muito mais quentes. Pelo menos uma das glaciações pode ter coberto todo o planeta, resultando em uma "Terra bola de neve" congelada profundamente (Hoffman & Kaufman & Halverson 1998; Kerr 1998; Hoffman et al 1998). A vida sob vários quilômetros de gelo pode sobreviver por um período razoável de tempo, usando, por exemplo, energia geoquímica (Gaidos & Nealson & Kirschvink 1999), mesmo que extinções em massa de formas de vida menos resistentes sejam esperadas. O registro fóssil do Pré-Cambriano é tão fragmentado que uma (ou até mais de uma) extinção em massa da magnitude esperada de tal congelamento profundo pode ter passado despercebida, mesmo que apenas alguns organismos sobrevivessem e, em seguida, se rediversificassem.

Se a vida poderia sobreviver a um clima tão instável, o argumento da implausibilidade de Faulkner (1998) é severamente enfraquecido.

Uma solução diferente para o problema do Sol jovem fraco é oferecida por adeptos da hipótese Gaia (Lenton 1998, e referências nele). A ideia básica é que o clima é mantido estável por feedback biológico ativo; seja através de algum mistico consciência planetária Gaiana, ou através de meios mais naturalistas, como argumentado por Lenton (1998; mas veja também Robertson & Robinson (1998)). Seria instrutivo para criacionistas estudarem publicações Gaianas, porque aqui temos outra hipótese não ortodoxa com aspirações científicas e afiliações religiosas. No entanto, ao contrário dos criacionistas, os Gaianos conseguem publicar-se em revistas de alto prestígio revisadas por pares (Lenton (1998) está em Nature), que não tocaria um papel como o de Faulkner com uma vara de dez pés. A diferença dificilmente pode ser explicada por um viés anti-religioso, já que há tanta religião na hipótese Gaia, nem por um viés anti-cristão específico -- estou disposto a apostar que há mais cristãos do que Gaianos religiosos entre os editores de Nature. Para qualquer um que esteja realmente familiarizado com como a ciência funciona, uma comparação de Lenton (1998) e Faulkner (1998) torna a resposta óbvia: Lenton é um cientista competente, que conhece as regras, e que é capaz de separar sua ciência e sua religião. Ele evita erros elementares, e evita cair em retórica estridente. Os criacionistas não fazem nenhuma dessas coisas, (embora o papel de Faulkner esteja muito acima da média de qualidade entre escritos criacionistas). Se os criacionistas pudessem escrever como Lenton, eles, também, poderiam publicar-se em revistas reais e ganhar algum respeito científico.

Sol cristalino

Entre as alegações mais estranhas sobre a natureza do sol está a de Leontiev (1998). De acordo com ele, o sol é um cristal gigante, sem feia fusão tipo Chernobyl ocorrendo; a energia é, em vez disso, fornecida através de algum tipo de magia eterna, limpa e não nuclear não especificada.

A maior parte do Sol, segundo Leontiev, consiste em matéria cristalina, de uma natureza distinta da matéria normal. Uma fina camada de matéria normal cobre a superfície, produzindo as linhas espectrais observadas e enganando os espectroscopistas para acreditarem que todo o Sol é composto de átomos. As manchas solares são supostas ser lacunas na camada superficial, onde o cristal é diretamente visível; é infeliz para a teoria de Leontiev que as linhas espectrais de átomos normais (incluindo fenômenos puramente atômicos como o efeito Zeeman) possam ser observadas também dentro das manchas solares (Karttunen et al 1994).

Agora, se o Sol fosse um enorme cristal, deveria girar como um corpo sólido. Não é o que acontece. As regiões equatoriais do Sol giram muito mais rapidamente do que em latitudes mais altas (Pasachoff 1995). Estudos heliosismológicos confirmaram que a rotação diferencial continua muito mais profundamente do que a base das manchas solares (Thompson et al. 1996). A heliosismologia também confirmou, além de qualquer dúvida razoável, que o interior do Sol é fluido em toda a sua extensão; um interior cristalino seria óbvio nos seus dados. Não que precisasse de confirmação; a noção de que o Sol era sólido foi abandonada logo após a descoberta das manchas solares, da qual se seguiu a observação da rotação diferencial.

Em conclusão, o sol cristalino é uma ideia completamente absurda, sem nem mesmo a verossimilhança enganosa do conteúdo criacionista padrão.

Referências

NOTA: Para sua conveniência, muitas das referências apontam para sites, às vezes além da referência formal à publicação em revistas revisadas por pares. O repositório de pré-prints do Los Alamos ( http://xxx.lanl.gov ) é amplamente utilizado, já que uma grande fração de todos os artigos relevantes de física e astronomia aparecem lá, antes de serem formalmente publicados. É um excelente site para quem deseja acompanhar os novos desenvolvimentos na área.

Pode ser menos conveniente as frequentes referências a artigos de pesquisa reais, que podem ser uma leitura não trivial para o leigo. Particularmente, os artigos teóricos com novas hipóteses de oscilação de neutrinos são frequentemente bastante opacos para qualquer pessoa que não seja um físico teórico.

Para citações de documentos disponíveis na Internet (notadamente as publicações do ICR), fornecemos os números de página das impressões do Netscape.

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