Uma fotografia do cosmos infantil revela as quantidades precisas de matéria escura e energia escura no universo, deixando pouco espaço precioso para discussão.
No início de 2003, Chuck Bennett aprendeu o conteúdo preciso do cosmos.
Até então, a maioria dos cosmólogos havia concluído que o universo contém muito mais do que aparenta. Observações de galáxias giratórias sugeriam que estruturas de matéria invisível mantinham suas estrelas unidas, enquanto uma forma repulsiva de energia separava as galáxias. Para saber mais, Bennett e sua equipe Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) passaram um ano coletando microondas vindas de todas as direções no céu – raios de luz que deixaram sua fonte há muito tempo, quando o universo tinha apenas 380.000 anos de idade. Ao tirar esta fotografia do jovem cosmos, a equipe do WMAP poderia determinar sua idade e forma e determinar exatamente quanto a matéria escura e a energia escura que ela contém.
“De repente, tínhamos essa lista de números”, lembra Bennett, astrofísico da Universidade Johns Hopkins.
A equipe anunciou seus primeiros resultados em fevereiro de 2003. Seu mapa do “fundo cósmico de microondas” (CMB), que eles refinaram nos anos subseqüentes, indicou que a questão familiar de planetas, gases e estrelas compõe apenas 4,6% do cosmos, enquanto a matéria escura invisível compreende 24%. Os 71,4% restantes do gráfico de pizza cósmico tinham que ser energia escura, que supostamente infunde o tecido do próprio espaço. Os números mudaram apenas um pouco quando o sucessor do WMAP, o satélite Planck, tirou uma imagem ainda mais nítida do CMB 10 anos depois. E enquanto outras evidências de energia escura e matéria escura continuam sendo contestadas, suas impressões digitais na CMB foram praticamente inquestionáveis.
O CMB é “definitivamente um dos pilares da cosmologia moderna, se não o mais importante”, disse Yacine Ali-Haïmoud, astrofísico da Universidade de Nova York.
Veja como o universo rabiscou uma mensagem tão reveladora no fundo cósmico das microondas e como os pesquisadores aprenderam a lê-la.
No começo, antes que as microondas deixassem sua fonte, o universo era um fluido quase inexpressivo feito de matéria escura e visível. Essa substância primordial brilhou em branco quente e depois esfriou para uma laranja clara nos primeiros cem mil anos do universo. Os raios de luz não podiam viajar muito antes de ricochetear nas partículas vizinhas. Essa luz dispersa mantinha o fluido embaçado e pressurizado.
Mas as sementes das estrelas e planetas de hoje já foram semeadas. Nada na natureza é perfeito, e a sopa primordial suave ficou um pouco coagulada, com algumas regiões cerca de um milésimo de por cento mais densas que o fluido circundante e outras muito mais finas.
O fluido estremeceu quando a gravidade juntou a matéria e as ondas de luz a separaram. Esse cabo de guerra afinou pontos densos à medida que o excesso de matéria derramava para fora e engrossava pontos finos à medida que o material corria para dentro. Quando uma área fica muito fina, as partículas se precipitam novamente e vice-versa, de modo que cada bolha oscila entre a alta e a baixa densidade. Felizmente, os físicos têm todas as ferramentas teóricas necessárias para analisar essas ondulações de um fluido simples a uma temperatura razoável. “A física é realmente muito antiga”, disse Ali-Haïmoud.
O CMB captura o fluido de deslizamento em um determinado momento. Depois de se expandir por cerca de 380.000 anos, o cosmos esfriou o suficiente para que prótons e elétrons se unissem em átomos de hidrogênio, um evento chamado recombinação. Com poucas partículas carregadas para penetrar, os feixes de luz subitamente se libertaram, liberando a pressão e congelando as bolhas de densidade no local. Desde então, o universo em expansão estendeu os comprimentos de onda dos raios de luz liberados para microondas. Ao colecioná-los de todas as partes do céu, os telescópios WMAP e Planck capturaram o universo primitivo e seu conteúdo no meio da confusão. Seus mapas revelam um padrão manchado de pontos mais densos e mais finos, significados por microondas que medem uma fração de grau mais quente ou mais fria (assim como o azul indica uma chama mais quente que o amarelo).
A chave para decifrar as ondulações confusas do CMB é que a recombinação concedeu a uma série seleta de bolhas um significado cósmico duradouro. Considere uma bolha espessa de matéria primordial grande o suficiente para levar 380.000 anos para se afinar completamente; nesse ponto, a recombinação a congelou como uma eterna mancha fina. Pontos maiores não tiveram tempo de ficar totalmente finos, e pontos menores teriam começado a engrossar novamente. Um conjunto específico de bolhas menores teve tempo suficiente para passar da espessura do pico ao pico de espessura e voltar ao pico de espessura novamente. Ainda outro conjunto de pontos ainda menores completou exatamente três transições e outros quatro.
Os pesquisadores analisam a estática sobreposta do CMB desfocando o mapa em diferentes extensões e plotando as variações de densidade que eles veem. O gráfico resultante, chamado espectro de potência CMB, possui uma série de picos representando os tamanhos dos blobs especiais que atingiram a espessura ou a espessura máxima no momento da recombinação. Se o universo tivesse se desenvolvido de outra forma ou contido alguma outra mistura cósmica, um padrão tonal diferente teria congelado na recombinação, um que os cientistas poderiam distinguir assim como o ouvido pode distinguir entre um piano e um clarinete, disse Scott Dodelson, cosmologista da Carnegie Mellon. Universidade.
Os maiores pontos medem 1 grau angular no céu moderno, aproximadamente o dobro da largura da lua cheia. A partir disso, os cosmólogos podem inferir a forma do universo – se o espaço é plano, para que os raios de luz paralelos permaneçam paralelos ou curvos como uma sela ou uma esfera. A matéria e a energia curvam o espaço, um efeito que experimentamos como gravidade. A expansão do universo, entretanto, arrasa o espaço e, por um tempo, os cosmólogos não tinham certeza se um lado estava vencendo. Curvaturas diferentes fariam com que os maiores blobs parecessem maiores ou menores no CMB (pense em como os tamanhos aparentes da África e da Groenlândia ficam distorcidos se aplainarmos o globo redondo), mas o tamanho de 1 grau dos maiores blobs corresponde às expectativas de um flat universo. O WMAP encontrou um universo com conteúdo suficiente para manter os raios de luz voando dentro de 0,4%.
Blobs menores revelam a composição do cosmos. O tamanho e a espessura ou espessura de cada um deles dependia dos ingredientes do líquido, da mesma forma que o ensopado de mariscos salpica de maneira diferente da sopa de galinha. No fluido primordial, a matéria escura sentiu a força da gravidade, mas não o impulso eletromagnético dos raios de luz. A matéria normal respondeu a ambos. Tesla Jeltema, cosmologista da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, explicou que os pesquisadores podem distinguir esses dois componentes fluidos comparando a intensidade com que gotas de tamanhos diferentes caem para dentro e para fora – as alturas relativas dos picos no espectro de potência.
Ninguém identificou partículas de matéria escura, mas o CMB revela o comportamento em larga escala da substância ilusória. Ali-Haïmoud compara a situação aos cientistas pré-modernos que entendem a flutuabilidade e a pressão, mesmo sem saber que a fórmula química da água era o H2O. Qualquer tentativa de explicar a aparente influência da matéria escura, como ajustar as leis da gravidade, terá de corresponder às pulsações particulares do fluido primordial. Nenhum modelo ainda enfrentou o desafio.
Enquanto isso, a energia escura desempenhou um papel insignificante na juventude do universo. Sua presença pode ser inferida a partir da indicação da CMB de que o universo é plano hoje. As quantidades medidas de matéria escura e visível simplesmente não têm músculos para achatar o espaço. Mas adicione 71,4% de energia escura ao universo moderno, e tudo se equilibra.
Essa imagem não é perfeita, pois observações astronômicas recentes sugeriram que o universo de hoje está se expandindo em um clipe mais rápido do que a receita da CMB indica que deveria ser. Mas os dados do WMAP e Planck estabeleceram um nível alto para os teóricos que buscam explicações alternativas e não obscuras para os movimentos de estrelas e galáxias. “Agora que temos esses mapas detalhados”, disse Dodelson, “o CMB por si só é muito bom em obter quase tudo”.
Publicado em 30/01/2020
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