Três gerações de satélites levaram a um mapa do céu cada vez mais preciso da Radiação Cósmica de Fundo por Microondas (CMBR), em intervalos de aproximadamente 10 anos. O modelo cosmológico padrão (SCM) precisa da “hipótese da inflação” para justificar a planura do universo, enquanto a diferença de temperatura entre os dois hemisférios não pode ser justificada …
Há vezes em que a descoberta científica vem de onde menos se espera. No caso de Arno Penzias e Robert Wilson, eles nem sequer sabiam o que seus dados continham até que físicos teóricos começaram a fazer especulações sobre os primórdios do universo. Aconteceu que sua descoberta e aquelas hipóteses coincidiram, tanto que a então incipiente teoria do Big Bang convenceu o mundo científico, enquanto que revolucionou a visão cosmológica da humanidade. O universo, no século 20, deixou de ser estático (para a maioria) e imutável, para adquirir uma história, uma evolução e um começo. Foi há 50 anos e os fatos daquela descoberta de Penzias e Wilson da radiação de fundo de micro-ondas, às vezes chamada de eco do Big Bang, ainda são fascinantes. Um avanço: o Instituto Smithsonian lembrava há alguns dias “como duas pombas ajudaram os cientistas a confirmar a teoria do Big Bang”.
“Começamos procurando um halo em torno da Via Láctea e encontramos outra coisa”, lembra Wilson. “Quando um experimento vai mal, normalmente, é o melhor; o que vimos foi muito mais importante do que o que estávamos procurando: foi realmente o início da cosmologia moderna”. Em 1978, ele recebeu, com Penzias, o Prêmio Nobel de Física.
Entre os cientistas interessados no cosmos, a emoção vinha desde a descoberta de Edwin Hubble, em 1929, de que as galáxias no universo estão se afastando umas das outras e, quanto mais distantes, maior a sua velocidade de recessão. Então, se alguém retrocede a sequência fazendo com que as galáxias se aproximem umas das outras, chegaria um momento em que todo o universo estaria concentrado em um ponto de máxima densidade e temperatura a partir da qual, colocando o filme para frente, teríamos o cosmos na expansão que os astrônomos observaram. Curiosamente, foi uma ridicularização da ideia em si mesma por parte de Fred Hoyle, que nunca concordou com ela, a que deu o nome de Big Bang, a grande explosão inicial.
Vários físicos teóricos haviam estado explorando como e quando os elementos nesse cosmos superdenso inicial teriam se formado, e seus cálculos coincidiam perfeitamente com os dados observados. A ideia do Big Bang como a história do universo estava ganhando corpo. E chegou a hora de Penzias e Wilson. Em 1963, estes dois radioastrônomos estavam dispostos a preparar uma antena de comunicações nos laboratórios Bell para pesquisar o céu. Eles tinham que calibrar os equipamentos para subtrair a radiação terrestre e galáctica, assim como o ruído da própria antena, das observações científicas que fizeram.
Mas, em seguida, surgiu “o problema”, lembrava Wilson na semana passada, no dia do aniversário da descoberta realizada no Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica. O problema era um ruído de fundo imprevisto. Eles não chegaram a identificar a sua origem, revisaram tudo de novo e de novo e, inclusive, chegaram a suspeitar do “material dielétrico branco” – como Penzias o chamou muito elegantemente – depositado por dois pombos que rondavam a antena. Eles limparam e o sinal continuava lá. A direção em que apontavam para o céu era indiferente. Passaram a primavera e o verão de 1964 neste trabalho sem serem capazes de explicar a origem da radiação de micro-ondas que parecia envolver tudo e que tinha uma temperatura igual a cerca de 3,5 graus acima do zero absoluto.
Uma conversa com um colega rendeu uma pista: um grupo de físicos teóricos da Universidade de Princeton trabalhava com a hipótese de que a radiação daquele universo primitivo, superconcentrado e superquente teria se resfriado pela expansão do universo e seria, agora, equivalente a poucos graus acima do zero absoluto.
Penzias e Wilson publicaram o artigo histórico sobre sua descoberta da radiação em torno de 3,5 graus em maio de 1965, sem fazer qualquer interpretação da mesma e citando uma nota na mesma revista Astrophysical Journal de quatro cientistas de Princeton (Robert H. Dicke, Jim Peebles, P.G. Roll e David Wilkinson) sobre a interpretação cosmológica da radiação de fundo de micro-ondas. A verdade é que vários cientistas também tinham avançado nessas hipóteses.
“Então, soubemos que não só a vida é um fenômeno evolutivo e espontâneo, mas que todo o universo também é. A hipótese contrária já não era mais necessária e, quando digo soubemos, me refiro a quem não nega sistematicamente todas as evidências”, resume Álvaro de Rújula, físico teórico do Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) e o Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) .
“A descoberta de Penzias e Wilson marcou um antes e depois para a teoria do Big Bang. Desde então, como não levá-la sério? Sua experiência inaugurou o que chamamos de cosmologia observacional”, comenta Enrique Fernández, catedrático da Universidade Autônoma de Barcelona.
Mas o que era essa radiação difusa de micro-ondas na abóbada celeste?
Durante os primeiros tempos após a explosão inicial, o universo estava muito quente para que os átomos fossem estáveis. Neste ambiente de núcleos e elétrons soltos, os fótons de luz não podiam circular livremente e o cosmos era como uma sopa opaca. Mas quando o universo tinha cerca de 380.000 anos, havia se resfriado o suficiente para que se formassem átomos neutros e os fótons começaram a viajar livremente. O universo se tornou transparente. Aqueles fótons eram, então, de altíssima energia, mas agora, 13,820 bilhões de anos depois, se resfriaram no universo em expansão até essa temperatura equivalente de poucos graus kelvin da radiação que Penzias e Wilson descobriram.
Surgiu, então, outro problema com o Big Bang: se aquela radiação primitiva era tão uniforme, como explicar a origem das galáxias e os grupos delas vistos no céu? Os cientistas demoraram a resolver o paradoxo: em 1992, o satélite COBE descobriu que essa radiação de fundo não era uniforme, mas que tinha variações minúsculas de temperatura, o que abria a porta para uma explicação. Tais flutuações seriam como sementes das galáxias e grupos galácticos. Depois, outro satélite, o WMAP, conseguiu captar mais detalhes sobre o universo primitivo. E o último mapa feito pelo telescópio espacial europeu Planck, por ora, tem uma maior resolução das minúsculas variações de temperatura, da radiação de fundo.
“Meio século após a descoberta da radiação de fundo de micro-ondas, nos encontramos em uma época dourada da cosmologia de precisão”, diz Enrique Martínez, pesquisador do Instituto de Física de Cantábria. “Seu maior expoente”, enfatiza, são os resultados do Planck, que “permitiram determinar os parâmetros cosmológicos do modelo padrão [do Big Ban] com uma precisão melhor do que 1%”.
“A descoberta da radiação cósmica de fundo, prevista pela teoria do Big Bang, não só convenceu a comunidade científica da validade da origem quente do universo, mas abriu as portas para a busca das flutuações que mais tarde cresceriam para dar lugar às galáxias e toda a estrutura em grande escala do universo, que foi descoberta 30 anos mais tarde e que nos está permitindo hoje em dia conectar o universo primitivo (a teoria da inflação cósmica) com o universo atual em expansão acelerada”, resume Juan García Bellido, professor da Universidade Autônoma de Madrid.
Crédito: Colaboração ESA e Planck
E para onde tudo evoluiu:
Três gerações de satélites levaram a um mapa do céu cada vez mais preciso da Radiação Cósmica de Fundo por Microondas (CMBR), em intervalos de aproximadamente 10 anos.
O satélite Planck forneceu medições de grande precisão para a variação do CMBR, a planura do universo e as diferenças de temperatura entre os hemisférios norte e sul do universo. Ele confirmou medições anteriores menos precisas de seus predecessores COBE e WMAP.
O modelo cosmológico padrão (SCM) precisa da “hipótese da inflação” para justificar a planura do universo, enquanto a diferença de temperatura entre os dois hemisférios não pode ser justificada. Em contraste, todos esses três dados cosmológicos são previstos pelas equações da Teoria das Auto-variações (TSV) e seu modelo cosmológico, o universo auto-variável (SVU).
Em particular, as equações SVU predizem diretamente a planura do universo, uma vez que afirmam que o conteúdo total de energia do universo é zero. Eles também levam em consideração as variações da CMBR e a diferença de temperatura entre os dois hemisférios, através da variação do ‘potencial de carga elétrica dependente do espaço SV’ que afeta a auto-variação da carga elétrica e, portanto, o valor absoluto da carga elétrica das partículas de matéria.
As mais recentes descobertas sobre a Radiação Cósmica de Fundo
Há alguma coisa, mas apenas “indícios”… Pouco antes de morrer, no “Pi Day” de 2018, por coincidência, Stephen Hawking falou sobre isso e um conceito de que nem mesmo o tempo havia. O trabalho foi escrito cerca de duas semanas antes da sua morte e se chama “A Smooth Exit from Eternal Inflation” e cita o “antes” do Big Bang, embora trate mais especificamente do fim desse universo. Se você quiser, pode dar uma olhada nesse link aqui.
E também na radiação cósmica de fundo há indícios de universos anteriores em determinados padrões. Isso vocês podem ver aqui: https://arxiv.org/pdf/1808.01740.pdf
Saliento que não são teorias (ainda), são apenas hipóteses. E realmente é um trabalho grande e difícil de entender.
Os “redemoinhos” (se é que podemos chamar assim) na CMB – que é aquele famoso mapa da radiação cósmica de fundo, os restos da “luz” do Big Bang, primeiro identificada pelo Cobe e depois pelo WMap e o Planck, tem essas regiões estranhas (os redemoinhos) que poderiam ser restos de Buracos negros de universos anteriores.
Quem falou isso foi o Roger Penrose, que é um físico bem conceituado e que foi um dos autores do trabalho que está no Arxiv. Ali ele diz que esses redemoinhos são causados pela radiação de Hawking emitida por buracos negros e que causaram essas marcas na CMB. Foi isso que ele chamou de Conformal Cyclic Cosmology, a CCC, citada no trabalho.
Ou seja, o universo é cíclico. Ele se contrai e se expande novamente, segundo a CCC.
Mas nem todos concordam, há outras explicações para esses pontos, pois eles podem ser gerados por ondas gravitacionais do período da inflação do universo e essas ondulações causaram essas marcas na CMB.
E outros que dizem que se trata apenas de “poeira interestelar”.
O “detalhe” é que esses redemoinhos na CMB possuem uma polarização o que pode indicar uma diferença de temperatura muito grande, que poderia ser causada por campos magnéticos de buracos negros que evaporaram emitindo a tal da radiação de Hawking.
A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (Cosmic Microwave Background – CMB) é atualmente o melhor observável cosmológico.
Conhecer em detalhes as propriedades da CMB (espectro, distribuição angular e polarização) é um dos grandes desafios observacionais da astrofísica. No entanto, o sinal da CMB é muito fraco e são vários os fatores que causam problemas à sua medida, o que acarreta desafios observacionais bastante consideráveis. Ainda são poucas as observações sobre a polarização da CMB, mas o espectro e a distribuição angular da CMB já foram medidos por vários experimentos realizados no espaço (satélites, foguetes e balões estratosféricos) e no solo. Os resultados dessas observações colocam desafios teóricos interessantes. A distribuição angular da CMB apresenta anomalias e assimetrias, cujas causas ainda não são entendidas.
Medidas recentes do espectro da CMB pelo experimento ARCADE (Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission) acabaram por detectar um novo sinal que sugere a possibilidade da existência de um ruído cósmico de fundo em ondas de rádio (Cosmic Radio Background – CRB) cuja origem também não é ainda entendida.
É possível que emissões de rádio e micro-ondas provenientes da nossa própria galáxia ou de objetos e fenômenos físicos ainda não descobertos possam contribuir para a explicação dessas observações. Atualmente as análises das medidas recentes da distribuição angular da CMB são feitas pelo satélite Planck, do CRB, pelo experimento ARCADE, e pela emissão de micro-ondas da nossa galáxia pelo experimento GEM (Galactic Emission Mapping).
O grupo de cosmologia observacional do INPE participa dos experimentos ARCADE e GEM.
Publicado em 14/03/2021 16h19
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