Por milhares de anos, o ser humano tem contemplado o Universo e procurado determinar sua verdadeira extensão. No século 20, os cientistas começaram a entender o quão vasto (e talvez até infinito) o Universo realmente é.
E, ao olhar para mais longe no espaço e mais para trás no tempo, os cosmólogos descobriram algumas coisas realmente surpreendentes. Por exemplo, durante a década de 1960, os astrônomos perceberam a radiação de fundo de microondas detectável em todas as direções. Conhecido como Fundo Cósmico de Microondas (CMB), a existência dessa radiação ajudou a informar nosso entendimento de como o Universo começou.
Descrição:
O CMB é essencialmente radiação eletromagnética que resta da época cosmológica mais antiga que permeia todo o universo. Acredita-se que tenha se formado cerca de 380.000 anos após o Big Bang e contém indicações sutis de como as primeiras estrelas e galáxias se formaram. Enquanto essa radiação é invisível usando telescópios ópticos, os radiotelescópios são capazes de detectar o sinal fraco (ou brilho) mais forte na região de microondas do espectro de rádio.
O CMB é visível a uma distância de 13,8 bilhões de anos-luz em todas as direções da Terra, levando os cientistas a determinar que essa é a verdadeira era do Universo. No entanto, não é uma indicação da verdadeira extensão do Universo. Dado que o espaço está em um estado de expansão desde o início do Universo (e está se expandindo mais rápido que a velocidade da luz), o CMB é apenas o mais distante no tempo que somos capazes de ver.
Relação com o Big Bang:
O CMB é central para a Teoria do Big Bang e para os modelos cosmológicos modernos (como o modelo Lambda-CDM). Segundo a teoria, quando o Universo nasceu 13,8 bilhões de anos atrás, toda a matéria foi condensada em um único ponto de densidade infinita e calor extremo. Devido ao extremo calor e densidade da matéria, o estado do Universo era altamente instável. De repente, esse ponto começou a se expandir, e o Universo como o conhecemos começou.
Nessa época, o espaço era preenchido com um brilho uniforme de partículas de plasma incandescentes - que consistiam em prótons, nêutrons, elétrons e fótons (luz). Entre 380.000 e 150 milhões de anos após o Big Bang, os fótons estavam constantemente interagindo com elétrons livres e não podiam viajar longas distâncias. Por isso, essa época é coloquialmente chamada de "Idade das Trevas".
À medida que o Universo continuava a se expandir, esfriava até o ponto em que os elétrons eram capazes de se combinar com os prótons para formar átomos de hidrogênio (também conhecido como Período de Recombinação). Na ausência de elétrons livres, os fótons eram capazes de se mover sem obstáculos pelo Universo e começaram a aparecer como hoje (ou seja, transparentes e permeados pela luz). Nos bilhões de anos que se seguiram, o Universo continuou a se expandir e esfriar bastante.
Devido à expansão do espaço, os comprimentos de onda dos fótons aumentaram (se tornaram "redshift") para aproximadamente 1 milímetro e sua temperatura efetiva diminuiu para um pouco acima do zero absoluto - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Esses fótons preenchem a Revista Space e aparecem como um brilho de fundo que pode ser detectado nos comprimentos de onda do infravermelho distante e do rádio.
História do Estudo:
A existência do CMB foi teorizada pela primeira vez pelo físico ucraniano-americano George Gamow, junto com seus alunos, Ralph Alpher e Robert Herman, em 1948. Essa teoria foi baseada em seus estudos sobre as consequências da nucleossíntese de elementos leves (hidrogênio, hélio e lítio) durante o Universo primitivo. Essencialmente, eles perceberam que, para sintetizar os núcleos desses elementos, o Universo primitivo precisava ser extremamente quente.
Eles teorizaram ainda que a radiação restante desse período extremamente quente iria permear o Universo e seria detectável. Devido à expansão do Universo, eles estimaram que essa radiação de fundo teria uma temperatura baixa de 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - apenas cinco graus acima do zero absoluto - o que corresponde aos comprimentos de onda do microondas. Não foi até 1964 que a primeira evidência para o CMB foi detectada.
Este foi o resultado dos astrônomos americanos Arno Penzias e Robert Wilson usando o radiômetro Dicke, que eles pretendiam usar para experimentos de radioastronomia e comunicação por satélite. No entanto, ao realizar sua primeira medição, eles notaram um excesso de temperatura da antena de 4,2K que eles não podiam explicar e só poderiam ser explicados pela presença de radiação de fundo. Por sua descoberta, Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física em 1978.
Inicialmente, a detecção do CMB era uma fonte de disputa entre os proponentes de diferentes teorias cosmológicas. Enquanto os defensores da Teoria do Big Bang alegavam que essa era a "radiação de relíquia" que restava do Big Bang, os defensores da Teoria do Estado Estável argumentavam que era o resultado da luz das estrelas dispersa de galáxias distantes. No entanto, na década de 1970, emergiu um consenso científico que favoreceu a interpretação do Big Bang.
Durante a década de 1980, os instrumentos baseados no solo impuseram limites cada vez mais rigorosos às diferenças de temperatura do CMB. Isso incluiu a missão Soviética RELIKT-1 a bordo do satélite Prognoz 9 (lançado em julho de 1983) e a missão NASA Cosmic Background Explorer (COBE) da NASA (cujas descobertas foram publicadas em 1992). Por seu trabalho, a equipe do COBE recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2006.
O COBE também detectou o primeiro pico acústico da CMB, oscilações acústicas no plasma, o que corresponde a variações de densidade em larga escala no universo primordial, criadas por instabilidades gravitacionais. Muitos experimentos se seguiram na década seguinte, que consistiam em experimentos baseados no solo e em balões, cujo objetivo era fornecer medições mais precisas do primeiro pico acústico.
O segundo pico acústico foi tentativamente detectado por várias experiências, mas não foi detectado definitivamente até que a sonda de anisotropia de microondas de Wilkinson (WMAP) foi implantada em 2001. Entre 2001 e 2010, quando a missão foi concluída, o WMAP também detectou um terceiro pico. Desde 2010, várias missões monitoram o CMB para fornecer medições aprimoradas da polarização e variações de pequena escala na densidade.
Isso inclui telescópios terrestres como o QUEST na DASI (QUaD) e o telescópio do pólo sul na estação do pólo sul de Amudsen-Scott, o telescópio Atacama Cosmology e o telescópio Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) no Chile. Enquanto isso, a Agência Espacial Européia Planck a sonda continua a medir o CMB a partir do espaço.
Futuro da CMB:
De acordo com várias teorias cosmológicas, o Universo pode em algum momento parar de se expandir e começar a reverter, culminando em um colapso seguido por outro Big Bang - também conhecido como. a teoria do Big Crunch. Em outro cenário, conhecido como Grande Rasgo, a expansão do Universo acabará por levar toda a matéria e o próprio espaço-tempo a serem dilacerados.
Se nenhum desses cenários estiver correto, e o Universo continuar se expandindo a uma taxa acelerada, o CMB continuará mudando de vermelho para o ponto em que não será mais detectável. Nesse ponto, será ultrapassado pela primeira luz estelar criada no Universo e, em seguida, pelos campos de radiação de fundo produzidos por processos que se supõe que ocorrerão no futuro do Universo.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre o Cosmic Microwave Background aqui na Space Magazine. Aqui está o que é a radiação cósmica de fundo por microondas ?, Teoria do Big Bang: evolução do nosso universo, o que era inflação cósmica? A busca para entender o universo mais antigo, a descoberta de marcos: novos resultados fornecem evidências diretas da inflação cósmica e com que rapidez o universo está se expandindo? Hubble e Gaia se unem para realizar as medições mais precisas até o momento.
Para mais informações, consulte a página de missão WMAP da NASA e a página de missão Planck da ESA.
Astronomy Cast também tem informações sobre o assunto. Ouça aqui: Episódio 5 - O Big Bang e o Fundo Cósmico de Microondas
Fontes:
- ESA - Planck e o contexto cósmico das micro-ondas
- A Física do Universo - Radiação Cósmica de Fundo
- Cosmos - Fundo Cósmico de Microondas
- Wikipedia - Fundo Cósmico de Microondas
