Os cosmologistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia usaram observações que remontam à época remota do universo quando os átomos se formaram pela primeira vez para detectar movimentos entre as sementes que deram origem a aglomerados de galáxias. Os novos resultados mostram o movimento da matéria primordial em seu caminho para formar aglomerados e superaglomerados de galáxias. As observações foram obtidas com um instrumento alto nos Andes chilenos, conhecido como Cosmic Background Imager (CBI), e proporcionam nova confiança na precisão do modelo padrão do universo primitivo, no qual a inflação rápida ocorreu um breve instante após o Big Bang .
A característica nova dessas observações de polarização é que elas revelam diretamente as sementes dos aglomerados de galáxias e seus movimentos à medida que passam a formar os primeiros aglomerados de galáxias.
Reportando-se na edição online de 7 de outubro da Science Express, Rawn Professor de Astronomia da Caltech, e principal pesquisador do projeto CBI, Anthony Readhead e sua equipe afirmam que os novos resultados de polarização fornecem forte suporte ao modelo padrão do universo como um local em que matéria escura e energia escura são muito mais prevalentes que a matéria cotidiana como a conhecemos, o que representa um grande problema para a física. Um artigo complementar descrevendo observações precoces de polarização com o CBI foi submetido ao Astrophysical Journal.
Os antecedentes cósmicos observados pelo CBI originam-se da época apenas 400.000 anos após o Big Bang e fornecem uma riqueza de informações sobre a natureza do universo. Nesta época remota, nenhuma das estruturas familiares do universo existia - não havia galáxias, estrelas ou planetas. Em vez disso, havia apenas pequenas flutuações de densidade, e essas eram as sementes das quais galáxias e estrelas se formaram sob a mão da gravidade.
Instrumentos anteriores ao CBI haviam detectado flutuações em grandes escalas angulares, correspondendo a massas muito maiores que os superaglomerados de galáxias. A alta resolução do CBI permitiu que as sementes das estruturas que observamos à nossa volta na Revista Space fossem observadas pela primeira vez em janeiro de 2000.
O universo em expansão esfriou e, por 400.000 anos após o Big Bang, era frio o suficiente para que elétrons e prótons se combinassem para formar átomos. Antes desse período, os fótons não podiam viajar muito antes de colidir com um elétron, e o universo era como uma névoa densa, mas nesse momento o universo se tornava transparente e, desde então, os fótons fluíram livremente pelo universo para alcançar nossos telescópios hoje, 13,8 bilhões de anos depois. Assim, as observações do fundo das microondas fornecem um instantâneo do universo, uma vez que foram apenas 400.000 anos após o Big Bang - muito antes da formação das primeiras galáxias, estrelas e planetas.
Os novos dados foram coletados pelo CBI entre setembro de 2002 e maio de 2004 e cobrem quatro áreas do céu, abrangendo uma área total trezentos vezes o tamanho da lua e mostrando detalhes finos apenas uma fração do tamanho da lua. Os novos resultados são baseados em uma propriedade da luz chamada polarização. Esta é uma propriedade que pode ser demonstrada facilmente com um par de óculos de sol polarizadores. Se olharmos para a luz refletida em um lago através desses óculos escuros e depois girá-los, vemos a luz refletida variando em brilho. Isso ocorre porque a luz refletida é polarizada e os óculos polarizados transmitem apenas luz cuja polarização está alinhada corretamente com os óculos. O CBI também escolhe a luz polarizada, e são os detalhes dessa luz que revelam o movimento das sementes dos aglomerados de galáxias.
Na intensidade total, vemos uma série de picos e vales, onde os picos são harmônicos sucessivos de um "tom" fundamental. Na emissão polarizada, também vemos uma série de picos e vales, mas os picos na emissão polarizada coincidem com os vales na intensidade total e vice-versa. Em outras palavras, a emissão polarizada está exatamente fora de sintonia com a intensidade total. Esta propriedade da emissão polarizada estar fora de sintonia com a intensidade total indica que a emissão polarizada surge do movimento do material.
A primeira detecção de emissão polarizada pelo Interferômetro de Escala Angular de Grau (DASI), o projeto irmão do CBI, em 2002, forneceu evidências dramáticas de movimento no universo primitivo, assim como as medições pela Sonda de Anisotropia por Microondas de Wilkinson (WMAP) em 2003 Os resultados do CBI anunciados hoje aumentam significativamente essas descobertas anteriores, demonstrando diretamente, e nas pequenas escalas correspondentes aos aglomerados de galáxias, que a emissão polarizada está fora de sintonia com a intensidade total.
Outros dados sobre a polarização cósmica de fundo em microondas foram divulgados apenas duas semanas atrás pela equipe da DASI, cujos três anos de resultados mostram evidências convincentes de que a polarização é de fato devido ao fundo cósmico e não está contaminada pela radiação da Via Láctea. Os resultados desses dois projetos irmãos, portanto, se complementam lindamente, como foi a intenção de Readhead e John Carlstrom, o principal investigador da DASI e co-autor do artigo do CBI, quando planejaram esses dois instrumentos uma década atrás.
Segundo Readhead, “a física não tem uma explicação satisfatória para a energia escura que domina o universo. Esse problema apresenta o desafio mais sério à física fundamental desde as revoluções quântica e relativística de um século atrás. Os sucessos desses experimentos de polarização dão confiança em nossa capacidade de sondar detalhes finos do fundo cósmico polarizado, o que acabará por lançar luz sobre a natureza dessa energia escura. ”
"O sucesso desses experimentos de polarização abriu uma nova janela para explorar o universo, o que pode nos permitir sondar os primeiros instantes do universo através de observações de ondas gravitacionais da época da inflação", diz Carlstrom.
A análise dos dados do CBI é realizada em colaboração com grupos no Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO) e no Instituto Canadense de Astrofísica Teórica (CITA).
“Este é realmente um momento emocionante na pesquisa cosmológica, com uma notável convergência de teoria e observação, um universo cheio de mistérios como matéria escura e energia escura e uma fantástica variedade de novas tecnologias - há um tremendo potencial para descobertas fundamentais aqui” diz Steve Myers, da NRAO, co-autor e membro-chave da equipe do CBI desde o início.
De acordo com Richard Bond, diretor da CITA e co-autor do artigo, “Como um teórico no início dos anos 80, quando mostramos pela primeira vez que a magnitude da polarização cósmica de fundo do microondas provavelmente seria um fator de cem em potência, abaixo do esperado. as variações de temperatura minúsculas que elas mesmas eram um esforço heróico para descobrir, pareciam ilusórias que, mesmo em um futuro distante, tais sinais minuciosos seriam revelados. Com essas detecções de polarização, o desejado se tornou realidade, graças aos notáveis avanços tecnológicos em experimentos como o CBI. Foi nosso privilégio na CITA estar totalmente engajado como membros da equipe do CBI em revelar esses sinais e interpretar seu significado cosmológico para o que emergiu como o modelo padrão de formação e evolução da estrutura cósmica. ”
O próximo passo para Readhead e sua equipe do CBI será refinar significativamente essas observações de polarização, obtendo mais dados e testar se a emissão polarizada está ou não exatamente exata com a intensidade total, com o objetivo de encontrar algumas pistas sobre a natureza. da matéria escura e energia escura.
O CBI é um conjunto de telescópios de microondas que compreende 13 antenas separadas, cada uma com cerca de um metro de diâmetro e operando em 10 canais de frequência, configuradas em conjunto para que todo o instrumento atue como um conjunto de 780 interferômetros. O CBI está localizado em Llano de Chajnantor, um alto planalto no Chile a 16.800 pés, tornando-o de longe o instrumento científico mais sofisticado já usado em altitudes tão elevadas. O telescópio é tão alto, de fato, que os membros da equipe científica precisam cada um transportar oxigênio engarrafado para fazer o trabalho.
A atualização do CBI para a capacidade de polarização foi apoiada por uma doação generosa do Kavli Operating Institute, e o projeto também é o destinatário grato pelo apoio contínuo de Barbara e Stanley Rawn Jr. O CBI também é apoiado pela National Science Foundation, a O Instituto de Tecnologia da Califórnia e o Instituto Canadense de Pesquisa Avançada, também receberam apoio generoso de Maxine e Ronald Linde, Cecil e Sally Drinkward e do Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago.
Além dos cientistas mencionados acima, o artigo da Science Express de hoje é coautor por C. Contaldi e J. L. Sievers, da CITA, J.K. Cartwright e S. Padin, ambos da Caltech e da Universidade de Chicago; B. S. Mason e M. Pospieszalski, da NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus e J. May, todos da Universidade do Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson e M. Shepherd de Caltech; W. Holzapfel, da UC Berkeley; E. M. Leitch e C. Pryke, da Universidade de Chicago; D. Pogosyan da Universidade de Toronto e da Universidade de Alberta; e R. Bustos, R. Reeves e S. Torres da Universidade de Concepción, Chile.
Fonte original: Comunicado de imprensa Caltech
