Uma imagem da radiação cósmica de fundo em microondas, tirada pelo satélite Planck da Agência Espacial Européia (ESA) em 2013, mostra as pequenas variações no céu
(Imagem: © ESA / Planck Collaboration)
Pensa-se que o fundo cósmico de microondas (CMB) seja a radiação restante do Big Bang, ou o momento em que o universo começou. Como a teoria continua, quando o universo nasceu, passou por uma rápida inflação e expansão. (O universo ainda está se expandindo hoje e a taxa de expansão parece diferente dependendo de onde você olha). O CMB representa o calor que sobra do Big Bang.
Você não pode ver o CMB a olho nu, mas está em toda parte do universo. É invisível para os seres humanos porque é muito frio, apenas 2,725 graus acima do zero absoluto (menos 459,67 graus Fahrenheit ou menos 273,15 graus Celsius). Isso significa que sua radiação é mais visível na parte de microondas do espectro eletromagnético.
Origens e descoberta
O universo começou 13,8 bilhões de anos atrás, e o CMB remonta a cerca de 400.000 anos após o Big Bang. Isso ocorre porque nos estágios iniciais do universo, quando tinha apenas cem milhões de tamanho, sua temperatura era extrema: 273 milhões de graus acima zero absoluto, de acordo com a NASA.
Quaisquer átomos presentes na época foram rapidamente separados em pequenas partículas (prótons e elétrons). A radiação do CMB nos fótons (partículas que representam quantum de luz ou outra radiação) foi espalhada pelos elétrons. "Assim, os fótons vagavam pelo universo primitivo, assim como a luz óptica vagueia por uma densa neblina", escreveu a NASA.
Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo estava frio o suficiente para formar hidrogênio. Como os fótons da CMB quase não são afetados pelo hidrogênio, os fótons viajam em linhas retas. Cosmologistas se referem a uma "superfície de última dispersão" quando os fótons da CMB atingem a matéria pela última vez; depois disso, o universo ficou grande demais. Então, quando mapeamos o CMB, estamos olhando para trás no tempo, 380.000 anos após o Big Bang, logo após o universo ser opaco à radiação.
O cosmólogo americano Ralph Apher previu o CMB pela primeira vez em 1948, quando estava trabalhando com Robert Herman e George Gamow, segundo a NASA. A equipe estava fazendo pesquisas relacionadas à nucleossíntese do Big Bang, ou à produção de elementos no universo, além do isótopo mais leve (tipo) de hidrogênio. Esse tipo de hidrogênio foi criado muito cedo na história do universo.
Mas o CMB foi encontrado pela primeira vez por acidente. Em 1965, dois pesquisadores do Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) estavam criando um receptor de rádio e ficaram intrigados com o barulho que estava captando. Eles logo perceberam que o barulho vinha uniformemente de todo o céu. Ao mesmo tempo, uma equipe da Universidade de Princeton (liderada por Robert Dicke) estava tentando encontrar o CMB. A equipe de Dicke ficou sabendo do experimento Bell e percebeu que o CMB havia sido encontrado.
As duas equipes publicaram rapidamente artigos no Astrophysical Journal em 1965, com Penzias e Wilson falando sobre o que viram, e a equipe de Dicke explicando o que isso significa no contexto do universo. (Mais tarde, Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de 1978 em física).
Estudando com mais detalhes
O CMB é útil para os cientistas porque nos ajuda a aprender como o universo primitivo foi formado. Está a uma temperatura uniforme, com apenas pequenas flutuações visíveis com telescópios precisos. "Ao estudar essas flutuações, os cosmologistas podem aprender sobre a origem das galáxias e estruturas em larga escala de galáxias e podem medir os parâmetros básicos da teoria do Big Bang", escreveu a NASA.
Embora partes do CMB tenham sido mapeadas nas décadas seguintes à sua descoberta, o primeiro mapa espacial completo veio da missão Cosmic Background Explorer da NASA (COBE), lançada em 1989 e interrompida as operações científicas em 1993. Esta “foto de bebê ”Do universo, como a NASA o chama, confirmou as previsões da teoria do Big Bang e também mostrou dicas de estrutura cósmica que não eram vistas antes. Em 2006, o Prêmio Nobel de Física foi concedido aos cientistas do COBE John Mather, no Centro de Vôos Espaciais Goddard da NASA, e George Smoot, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
Um mapa mais detalhado foi publicado em 2003, cortesia da Sonda de Anisotropia por Microondas Wilkinson (WMAP), lançada em junho de 2001 e interrompida a coleta de dados científicos em 2010. A primeira imagem identificou a idade do universo em 13,7 bilhões de anos (uma medida refinada em 13,8 bilhões anos) e também revelou uma surpresa: as estrelas mais antigas começaram a brilhar cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang, muito antes do previsto.
Os cientistas acompanharam esses resultados estudando os estágios iniciais de inflação do universo (no bilionésimo segundo após a formação) e fornecendo parâmetros mais precisos sobre a densidade do átomo, a granulação do universo e outras propriedades do universo logo após sua formação. Eles também viram uma estranha assimetria nas temperaturas médias em ambos os hemisférios do céu, e um "ponto frio" maior que o esperado. A equipe do WMAP recebeu o Prêmio Breakthrough 2018 em Física Fundamental por seu trabalho.
Em 2013, foram divulgados dados do telescópio espacial Planck da Agência Espacial Europeia, mostrando a imagem de maior precisão da CMB até agora. Os cientistas descobriram outro mistério com essa informação: flutuações no CMB em grandes escalas angulares não correspondiam às previsões. Planck também confirmou o que o WMAP viu em termos de assimetria e ponto frio. O lançamento final dos dados de Planck em 2018 (a missão operada entre 2009 e 2013) mostrou mais provas de que a matéria escura e a energia escura - forças misteriosas que provavelmente estão por trás da aceleração do universo - parecem existir.
Outros esforços de pesquisa tentaram examinar diferentes aspectos do CMB. Um deles é determinar os tipos de polarização chamados modos E (descobertos pelo Interferômetro de Escala Angular de Graus baseado na Antártica em 2002) e modos B. Os modos B podem ser produzidos a partir de lentes gravitacionais dos modos E (essas lentes foram vistas pela primeira vez pelo Telescópio do Polo Sul em 2013) e ondas gravitacionais (que foram observadas pela primeira vez em 2016 usando o Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, ou LIGO). Em 2014, o instrumento BICEP2 baseado na Antártica teria encontrado modos B de ondas gravitacionais, mas outras observações (incluindo trabalhos de Planck) mostraram que esses resultados eram devidos à poeira cósmica.
Em meados de 2018, os cientistas ainda estão procurando o sinal que mostrou um breve período de rápida expansão do universo logo após o Big Bang. Naquela época, o universo estava ficando maior a uma velocidade mais rápida que a velocidade da luz. Se isso acontecesse, os pesquisadores suspeitam que isso deva ser visível no CMB através de uma forma de polarização. Um estudo daquele ano sugeriu que um brilho dos nanodiamantes cria uma luz fraca, mas discernível, que interfere nas observações cósmicas. Agora que esse brilho é contabilizado, investigações futuras poderão removê-lo para procurar melhor a fraca polarização no CMB, disseram os autores do estudo na época.
Recurso adicional
- NASA: Testes do Big Bang: o CMB
