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Evolução no Laboratório

Nos anos 30, Haldane ofereceu uma explicação para o gene que provoca o aparecimento da anemia falciforme persistir nas populações tropicais. A mutação oferece uma troca: embora as células em forma de foice aumentassem o risco de morte, deixavam a pessoa só com um décimo da probabilidade de contrair malária. Esta ideia, de uma doença infecciosa impulsionar a evolução pode ser testada.

Jose Luis Martínez, do Centro Nacional Espanhol de Biotecnologia, usou Caenorhabditis elegans. Em 2001, queriam averiguar como os seres são mortos em minutos pela bactéria Pseudomonas aeruginosa. Uma semana depois, uma placa de Petri com 152 vermes estava cheia de “sobreviventes”. Os mutantes não eram apenas imunes à bactéria, mas também subsistiam delas.

Os vermes normais prosperaram numa floresta granulada da bactéria Escherichia coli. Os descendentes dos mutantes, por outro lado, exibem um comportamento diferente, movimentando-se devagar.

A diferença nos movimentos demonstra que a capacidade de sobreviver à bactéria não acontece sem custos. Os mutantes respiram com dificuldade, consumindo menos 30% de oxigénio.

Esta evolução não deu origem a uma nova espécie, mas parecem estar perto disso. Constam-se, pelo menos, sete alterações nas proteínas entre os dois grupos. A diferenciação de populações é o primeiro passo, e esta experiência dá-nos uma ideia de como surge uma nova espécie.

Fonte: Scientific American

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Buracos Negros: Território Inexplorado II - Possibilidades

A emissão transporta energia e a massa do buraco negro diminui, pela equivalência E=mc2. Deste modo, um buraco negro é instável. Ao diminuir de tamanho aquece, emitindo partículas cada vez mais energéticas e encolhendo cada vez mais rapidamente. O tempo para um buraco negro evaporar é proporcional ao cubo da massa inicial (com 1012 Kg demora 1010 anos; com 2 x 1030 Kg (Massa Solar) demora 1064 anos).

Conforme a teoria da relatividade, toda a informação que entra num buraco negro é perdida para sempre. Se o buraco negro se evapora o que acontece com a informação? Stephen Hawking sugeriu que a informação é destruída, o que contradiz a mecânica quântica.

Uma alternativa à destruição da informação é:

- A hipótese de restos de buracos negros

Estes remanescentes de buracos negros guardariam a informação depois de o buraco negro evaporar. As leis da física prevêem que a taxa de produção de uma partícula é proporcional ao número de tipos possíveis dessa partícula. Deste modo, os remanescentes de buracos negros teriam de ser produzidos a uma taxa infinita. Isto tornaria a Natureza altamente instável.

Uma outra alternativa é:

- O princípio da localidade inválido

Eventos em pontos espacialmente separados só se podem influenciar mutuamente se a luz tiver tido tempo de viajar entre as duas partículas. Se este princípio for inválido.

Uma outra possibilidade é a detecção de buracos negros microscópicos primordiais, com 1012Kg a explodir no Universo actual. Explosões de raios gama mais curtas podem ser buracos negros primordiais a explodir.

No LHC (Large Hadron Collider), um protão atinge uma energia de 7 teraelectrão-volt, que é equivalente a uma massa de 10-23Kg. Quando duas partículas nestas condições chocam, a sua energia é concentrada numa região minúscula, ficando suficientemente perto para formar um buraco negro.

Surge, então, um problema. 10-23 Kg é menor que os 10-8Kg correspondente ao valor de Plank. No LHC, a região em que uma partícula pode ser confinada é de 10-19 metros, permitindo uma densidade de 1034Kg, que não é o necessário para criar um buraco negro.

Recentemente os físicos perceberam que a estimativa da densidade de Plank pode estar exagerada. A teoria das cordas prevê que o espaço tem mais dimensões. A gravidade propaga-se ao longo das várias dimensões extra e, como resultado, torna-se mais intensa a pequenas distâncias.

Em três dimensões – força da gravidade quadriplica quando a distância diminui para metade

Em nove dimensões – força da gravidade aumenta 256 vezes a metade da distância

O que se pode ver no LHC se houver produção de buracos negros? Em primeiro lugar observa-se a formação de buracos negros à taxa de um por segundo. Em segundo lugar, de acordo com Stephen Hawking, um buraco negro irradia um elevado número de partículas com alta energia em todas as direcções. Os produtos do decaimento incluem todas as espécies de partículas da Natureza.

Fonte: Scientific American 2008
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Buracos Negros: Território Inexplorado I

O conceito de buraco negro surge da relatividade geral de Einstein. Se a matéria for suficientemente comprimida, a sua gravidade torna-se tão poderosa que se afunda numa região do espaço-tempo da qual nada consegue escapar. Nos casos em que o espaço não apresenta dimensões escondidas, ou que estas são menores que o buraco negro, o seu tamanho é proporcional à sua massa.

Deste modo, quanto menor o buraco, maior a contracção para o criar. A densidade até à qual a matéria precisa ser comprimida varia no inverso do quadrado da massa. Para o Sol se tornar num buraco negro, é necessária uma densidade de 1019Kg/m3. Um objecto mais leve resiste ao colapso porque as forças quânticas repulsivas entre as suas partículas subatómicas lhe conferem estabilidade.

No início da década de 70, Stephen Hawking e Bernard Carr investigaram um mecanismo de geração de buracos negros no Universo jovem. Conforme o espaço se expande, a densidade média da matéria decresce logo, a densidade era muito maior no passado. A Física admite uma densidade máxima de 1097Kg/m3 (valor de Plank), que é quando a força gravítica se torna tão intensa que rompe o tecido do espaço-tempo. Uma densidade dessa amplitude terá sido suficiente para criar buracos negros com 10-35metros de diâmetro (comprimento de Plank) e uma massa de 10-8Kg (massa de Plank).

Em 1974, Stephen Hawking chegou à conclusão de que os buracos não só engolem partículas mas também as expelem. Hawking previu que um buraco negro emite calor, com uma temperatura inversamente proporcional à sua massa.

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Buracos Negros: Como Ondas II - Fonões

William Unruth, em 1981, demonstrou uma semelhança entre a propagação do som num fluido em movimento e a da luz no espaço-tempo curvo. Esta demonstração poderá permitir a observação experimental de um fenómeno idêntico ao de Hawking. Quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, o som pode-se comportar como partículas quânticas – fonões.

O comportamento dos fonões num fluido em repouso ou em movimento uniforme é análogo ao comportamento dos fotões no espaço-tempo plano, com uma propagação rectilínea, com comprimento de onda, frequência e velocidade constantes.

Se o fluido estiver suficientemente frio a analogia estende-se ao nível quântico. O horizonte sónico emite fonões térmicos similares à radiação de Hawking.

Outras simulações de buracos negros foram propostas por alguns físicos. Uma das ideias envolve ondulações na superfície de um líquido entre camadas de hélio superfluido, tão frio a ponto de ter perdido toda a resistência friccional ao movimento. Outra ideia é modelar a expansão acelerada do Universo, que gera uma radiação idêntica à de Hawking. Um condensado de Bose-Einstein (gás frio ao ponde dos seus átomos perderem a sua identidade individual) pode agir sobre o som como um Universo em expansão faz com a luz.

Os detalhes da estrutura molecular estão contidos na forma como a velocidade de uma onda sonora depende do seu comprimento de onda, chamada Relação de Dispersão e que determina a velocidade de propagação.

Podem ocorrer três comportamentos:

Tipo I – Ausência de dispersão. A onda em comprimentos curtos comporta-se como em comprimentos longos

Tipo II – A velocidade decresce quando o comprimento de onda diminui.

Tipo III – A velocidade aumenta.

O tipo I descreve fotões na relatividade; o tipo II descreve-os em hélio superfluido; e o tipo III em condensados de Bose-Einstein diluídos.

Numa visão de frente para trás no tempo, os fonões nadam a favor da corrente em direcção ao horizonte, e o seu comprimento diminui. Quando o comprimento se aproxima da distância intermolecular, a relação de dispersão torna-se um factor importante. No tipo II, os fonões reduzem a velocidade, invertem a direcção e voltam a deslocar-se contra a corrente. No tipo III, ultrapassam a velocidade do som e cruzam o horizonte.

A analogia com o efeito Hawking deve satisfazer uma condição: os pares de fonões virtuais devem iniciar a sua existência no estado fundamental, tal como os pares de fotões virtuais em torno do buraco negro.

Sob essa condição, o fluido emite uma radiação semelhante à de Hawking. Os comprimentos de onda atingem o menor nível na distância intermolecular. O desvio para o vermelho infinito é uma consequência da suposição não realística de que os átomos são infinitamente pequenos.

A analogia indica que o resultado de Hawking está certo. Sugere também que o desvio para o vermelho infinito no horizonte do buraco negro deve ser evitado devido à dispersão da luz de comprimento de onda curto. Uma contra é que a teoria da relatividade refere que a luz não sofre dispersão no vácuo. Perante este dilema, ou os cientistas retêm a injunção de Einstein contra um sistema de referência preferencial e admitem o desvio para o vermelho infinito, ou então concedem que os fotões não sofrem desvio para o vermelho infinito, e são forçados a introduzir um sistema de referência preferencial.

Suspeita-se, há muito tempo, que juntar a relatividade e a mecânica quântica envolve um atalho curto, provavelmente relacionado à escala de Plank. A analogia acústica reforça essa suspeita.

Fonte: Scientific American 2008
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Buracos Negros: Como Ondas I


Fonte: Scientific American 2008

Todos os dados experimentais, de escalas subnucleares a escalas galácticas, são explicados pelos três pilares da física moderna – Relatividade especial, relatividade geral e mecânica quântica.

Na relatividade geral, quando uma partícula passa o horizonte de eventos a sua frequência alonga-se em duração. Este efeito é chamado de desvio para o vermelho gravitacional (redshift). Este desvio, num campo gravítico tão forte, torna-se infinito.

Até agora, na descrição dos buracos negros, a luz era tratada como uma onda electromagnética. Stephen Hawking reconsiderou as implicações do redshift infinito quando se leva em conta a natureza quântica da luz. Na quântica nem o vácuo é perfeito, ele contém flutuações como resultado do princípio da incerteza de Heisenberg. Longe da influência gravitacional, os pares de fotões, responsáveis pelas flutuações quânticas, aparecem e desaparecem tão rapidamente que são chamados pares virtuais. No espaço-tempo não curvo as partículas aparecem e desaparecem sem parar porque não há influência gravitacional.

No espaço-tempo curvo curvo, em torno de um buraco negro, um dos fotões pode ficar aprisionado dentro do horizonte de eventos. O par passa, então, de virtual a real, resultando na emissão de luz e num decréscimo correspondente na massa do buraco negro.

A radiação Hawking – a emissão dos fotões e consequente perda de massa do buraco negro – ainda não foi possível confirmar experimentalmente. A emissão de fotões por buracos negros é fraca demais. A única esperança é encontrar buracos negros do início do Universo ou então produzi-los nos aceleradores de partículas.

Imaginemos, agora, o processo invertido no tempo: o fotão de Hawking aproxima-se do buraco negro e sofre um desvio para o violeta. Quanto mais recua no tempo mais próximo fica do horizonte de eventos e menor é o seu comprimento de onda. O fotão junta-se ao companheiro (que acaba de sair do horizonte de eventos do buraco negro) formando o par virtual.

O desvio para o violeta continua até uma distância de 10-35 metros, conhecida como comprimento de Plank, nem a relatividade, nem a teoria quântica podem descrever como a partícula se comporta. Torna-se necessária uma teoria quântica da gravidade.

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Água em Marte, Petróleo na Terra

As palavras de William Boynton, responsável pelo TEGA (Thermal and Evolved-Gas Analyzer) foram apenas: "Temos água".

A sonda Phoenix, que explora o solo de Marte desde maio, confirmou ontem a existência de água no planeta. A descoberta ocorreu depois de a Phoenix colocar amostras do solo num instrumento que identifica os vapores produzidos por substâncias.

Esta é a primeira vez que a existência de água fora do nosso planeta é detectada quimicamente



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27/08/2008

Evolução no Laboratório

Nos anos 30, Haldane ofereceu uma explicação para o gene que provoca o aparecimento da anemia falciforme persistir nas populações tropicais. A mutação oferece uma troca: embora as células em forma de foice aumentassem o risco de morte, deixavam a pessoa só com um décimo da probabilidade de contrair malária. Esta ideia, de uma doença infecciosa impulsionar a evolução pode ser testada.

Jose Luis Martínez, do Centro Nacional Espanhol de Biotecnologia, usou Caenorhabditis elegans. Em 2001, queriam averiguar como os seres são mortos em minutos pela bactéria Pseudomonas aeruginosa. Uma semana depois, uma placa de Petri com 152 vermes estava cheia de “sobreviventes”. Os mutantes não eram apenas imunes à bactéria, mas também subsistiam delas.

Os vermes normais prosperaram numa floresta granulada da bactéria Escherichia coli. Os descendentes dos mutantes, por outro lado, exibem um comportamento diferente, movimentando-se devagar.

A diferença nos movimentos demonstra que a capacidade de sobreviver à bactéria não acontece sem custos. Os mutantes respiram com dificuldade, consumindo menos 30% de oxigénio.

Esta evolução não deu origem a uma nova espécie, mas parecem estar perto disso. Constam-se, pelo menos, sete alterações nas proteínas entre os dois grupos. A diferenciação de populações é o primeiro passo, e esta experiência dá-nos uma ideia de como surge uma nova espécie.

Fonte: Scientific American

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14/08/2008

Buracos Negros: Território Inexplorado II - Possibilidades

A emissão transporta energia e a massa do buraco negro diminui, pela equivalência E=mc2. Deste modo, um buraco negro é instável. Ao diminuir de tamanho aquece, emitindo partículas cada vez mais energéticas e encolhendo cada vez mais rapidamente. O tempo para um buraco negro evaporar é proporcional ao cubo da massa inicial (com 1012 Kg demora 1010 anos; com 2 x 1030 Kg (Massa Solar) demora 1064 anos).

Conforme a teoria da relatividade, toda a informação que entra num buraco negro é perdida para sempre. Se o buraco negro se evapora o que acontece com a informação? Stephen Hawking sugeriu que a informação é destruída, o que contradiz a mecânica quântica.

Uma alternativa à destruição da informação é:

- A hipótese de restos de buracos negros

Estes remanescentes de buracos negros guardariam a informação depois de o buraco negro evaporar. As leis da física prevêem que a taxa de produção de uma partícula é proporcional ao número de tipos possíveis dessa partícula. Deste modo, os remanescentes de buracos negros teriam de ser produzidos a uma taxa infinita. Isto tornaria a Natureza altamente instável.

Uma outra alternativa é:

- O princípio da localidade inválido

Eventos em pontos espacialmente separados só se podem influenciar mutuamente se a luz tiver tido tempo de viajar entre as duas partículas. Se este princípio for inválido.

Uma outra possibilidade é a detecção de buracos negros microscópicos primordiais, com 1012Kg a explodir no Universo actual. Explosões de raios gama mais curtas podem ser buracos negros primordiais a explodir.

No LHC (Large Hadron Collider), um protão atinge uma energia de 7 teraelectrão-volt, que é equivalente a uma massa de 10-23Kg. Quando duas partículas nestas condições chocam, a sua energia é concentrada numa região minúscula, ficando suficientemente perto para formar um buraco negro.

Surge, então, um problema. 10-23 Kg é menor que os 10-8Kg correspondente ao valor de Plank. No LHC, a região em que uma partícula pode ser confinada é de 10-19 metros, permitindo uma densidade de 1034Kg, que não é o necessário para criar um buraco negro.

Recentemente os físicos perceberam que a estimativa da densidade de Plank pode estar exagerada. A teoria das cordas prevê que o espaço tem mais dimensões. A gravidade propaga-se ao longo das várias dimensões extra e, como resultado, torna-se mais intensa a pequenas distâncias.

Em três dimensões – força da gravidade quadriplica quando a distância diminui para metade

Em nove dimensões – força da gravidade aumenta 256 vezes a metade da distância

O que se pode ver no LHC se houver produção de buracos negros? Em primeiro lugar observa-se a formação de buracos negros à taxa de um por segundo. Em segundo lugar, de acordo com Stephen Hawking, um buraco negro irradia um elevado número de partículas com alta energia em todas as direcções. Os produtos do decaimento incluem todas as espécies de partículas da Natureza.

Fonte: Scientific American 2008

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Buracos Negros: Território Inexplorado I

O conceito de buraco negro surge da relatividade geral de Einstein. Se a matéria for suficientemente comprimida, a sua gravidade torna-se tão poderosa que se afunda numa região do espaço-tempo da qual nada consegue escapar. Nos casos em que o espaço não apresenta dimensões escondidas, ou que estas são menores que o buraco negro, o seu tamanho é proporcional à sua massa.

Deste modo, quanto menor o buraco, maior a contracção para o criar. A densidade até à qual a matéria precisa ser comprimida varia no inverso do quadrado da massa. Para o Sol se tornar num buraco negro, é necessária uma densidade de 1019Kg/m3. Um objecto mais leve resiste ao colapso porque as forças quânticas repulsivas entre as suas partículas subatómicas lhe conferem estabilidade.

No início da década de 70, Stephen Hawking e Bernard Carr investigaram um mecanismo de geração de buracos negros no Universo jovem. Conforme o espaço se expande, a densidade média da matéria decresce logo, a densidade era muito maior no passado. A Física admite uma densidade máxima de 1097Kg/m3 (valor de Plank), que é quando a força gravítica se torna tão intensa que rompe o tecido do espaço-tempo. Uma densidade dessa amplitude terá sido suficiente para criar buracos negros com 10-35metros de diâmetro (comprimento de Plank) e uma massa de 10-8Kg (massa de Plank).

Em 1974, Stephen Hawking chegou à conclusão de que os buracos não só engolem partículas mas também as expelem. Hawking previu que um buraco negro emite calor, com uma temperatura inversamente proporcional à sua massa.

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Buracos Negros: Como Ondas II - Fonões

William Unruth, em 1981, demonstrou uma semelhança entre a propagação do som num fluido em movimento e a da luz no espaço-tempo curvo. Esta demonstração poderá permitir a observação experimental de um fenómeno idêntico ao de Hawking. Quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, o som pode-se comportar como partículas quânticas – fonões.

O comportamento dos fonões num fluido em repouso ou em movimento uniforme é análogo ao comportamento dos fotões no espaço-tempo plano, com uma propagação rectilínea, com comprimento de onda, frequência e velocidade constantes.

Se o fluido estiver suficientemente frio a analogia estende-se ao nível quântico. O horizonte sónico emite fonões térmicos similares à radiação de Hawking.

Outras simulações de buracos negros foram propostas por alguns físicos. Uma das ideias envolve ondulações na superfície de um líquido entre camadas de hélio superfluido, tão frio a ponto de ter perdido toda a resistência friccional ao movimento. Outra ideia é modelar a expansão acelerada do Universo, que gera uma radiação idêntica à de Hawking. Um condensado de Bose-Einstein (gás frio ao ponde dos seus átomos perderem a sua identidade individual) pode agir sobre o som como um Universo em expansão faz com a luz.

Os detalhes da estrutura molecular estão contidos na forma como a velocidade de uma onda sonora depende do seu comprimento de onda, chamada Relação de Dispersão e que determina a velocidade de propagação.

Podem ocorrer três comportamentos:

Tipo I – Ausência de dispersão. A onda em comprimentos curtos comporta-se como em comprimentos longos

Tipo II – A velocidade decresce quando o comprimento de onda diminui.

Tipo III – A velocidade aumenta.

O tipo I descreve fotões na relatividade; o tipo II descreve-os em hélio superfluido; e o tipo III em condensados de Bose-Einstein diluídos.

Numa visão de frente para trás no tempo, os fonões nadam a favor da corrente em direcção ao horizonte, e o seu comprimento diminui. Quando o comprimento se aproxima da distância intermolecular, a relação de dispersão torna-se um factor importante. No tipo II, os fonões reduzem a velocidade, invertem a direcção e voltam a deslocar-se contra a corrente. No tipo III, ultrapassam a velocidade do som e cruzam o horizonte.

A analogia com o efeito Hawking deve satisfazer uma condição: os pares de fonões virtuais devem iniciar a sua existência no estado fundamental, tal como os pares de fotões virtuais em torno do buraco negro.

Sob essa condição, o fluido emite uma radiação semelhante à de Hawking. Os comprimentos de onda atingem o menor nível na distância intermolecular. O desvio para o vermelho infinito é uma consequência da suposição não realística de que os átomos são infinitamente pequenos.

A analogia indica que o resultado de Hawking está certo. Sugere também que o desvio para o vermelho infinito no horizonte do buraco negro deve ser evitado devido à dispersão da luz de comprimento de onda curto. Uma contra é que a teoria da relatividade refere que a luz não sofre dispersão no vácuo. Perante este dilema, ou os cientistas retêm a injunção de Einstein contra um sistema de referência preferencial e admitem o desvio para o vermelho infinito, ou então concedem que os fotões não sofrem desvio para o vermelho infinito, e são forçados a introduzir um sistema de referência preferencial.

Suspeita-se, há muito tempo, que juntar a relatividade e a mecânica quântica envolve um atalho curto, provavelmente relacionado à escala de Plank. A analogia acústica reforça essa suspeita.

Fonte: Scientific American 2008

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Buracos Negros: Como Ondas I


Fonte: Scientific American 2008

Todos os dados experimentais, de escalas subnucleares a escalas galácticas, são explicados pelos três pilares da física moderna – Relatividade especial, relatividade geral e mecânica quântica.

Na relatividade geral, quando uma partícula passa o horizonte de eventos a sua frequência alonga-se em duração. Este efeito é chamado de desvio para o vermelho gravitacional (redshift). Este desvio, num campo gravítico tão forte, torna-se infinito.

Até agora, na descrição dos buracos negros, a luz era tratada como uma onda electromagnética. Stephen Hawking reconsiderou as implicações do redshift infinito quando se leva em conta a natureza quântica da luz. Na quântica nem o vácuo é perfeito, ele contém flutuações como resultado do princípio da incerteza de Heisenberg. Longe da influência gravitacional, os pares de fotões, responsáveis pelas flutuações quânticas, aparecem e desaparecem tão rapidamente que são chamados pares virtuais. No espaço-tempo não curvo as partículas aparecem e desaparecem sem parar porque não há influência gravitacional.

No espaço-tempo curvo curvo, em torno de um buraco negro, um dos fotões pode ficar aprisionado dentro do horizonte de eventos. O par passa, então, de virtual a real, resultando na emissão de luz e num decréscimo correspondente na massa do buraco negro.

A radiação Hawking – a emissão dos fotões e consequente perda de massa do buraco negro – ainda não foi possível confirmar experimentalmente. A emissão de fotões por buracos negros é fraca demais. A única esperança é encontrar buracos negros do início do Universo ou então produzi-los nos aceleradores de partículas.

Imaginemos, agora, o processo invertido no tempo: o fotão de Hawking aproxima-se do buraco negro e sofre um desvio para o violeta. Quanto mais recua no tempo mais próximo fica do horizonte de eventos e menor é o seu comprimento de onda. O fotão junta-se ao companheiro (que acaba de sair do horizonte de eventos do buraco negro) formando o par virtual.

O desvio para o violeta continua até uma distância de 10-35 metros, conhecida como comprimento de Plank, nem a relatividade, nem a teoria quântica podem descrever como a partícula se comporta. Torna-se necessária uma teoria quântica da gravidade.

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05/08/2008

Água em Marte, Petróleo na Terra

As palavras de William Boynton, responsável pelo TEGA (Thermal and Evolved-Gas Analyzer) foram apenas: "Temos água".

A sonda Phoenix, que explora o solo de Marte desde maio, confirmou ontem a existência de água no planeta. A descoberta ocorreu depois de a Phoenix colocar amostras do solo num instrumento que identifica os vapores produzidos por substâncias.

Esta é a primeira vez que a existência de água fora do nosso planeta é detectada quimicamente



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