O ‘Instant Karma’ da Radiação Cósmica de Fundo

“Duração temporal não é apenas um instante após o outro…se assim fosse, nunca haveria prolongamento sobre o passado; nenhuma evolução criadora. Duração é              o progresso contínuo do passado…batendo às portas do futuro.”  (Henri Bergson) 

Ao ligarmos o televisor num canal sem transmissão …  vemos na tela um ruído …  sem qualquer padrão. Esse ruído…deve-se às ‘ondas de rádio‘ … em que nosso planeta se encontra imerso – sejam sinais da civilização ou emissões de objetos astronômicos… chegando à Terra.  Parte dele…aproximadamente 3% da intensidade total…tem viajado, desde os primeiros instantes… do universo — até chegar aos nossos aparelhos…é a Radiação Cósmica de Fundo em Microondas (CMB).

Nosso planeta recebe essa radiação, vinda de todo o céu, nos fornecendo informações sobre uma época em que o universo tinha apenas…cerca de 380 mil anos de idade. As condições dessa era estão impressas nessa luz.

A origem da CMB (Cosmic Microwave Background)                                                              Como a matéria (prótons e elétrons), por efeitos gravitacionais, se aglomerou para    formar estruturas, com o passar do tempo, restaram apenas fótons, que viajaram            livres para contar a história. Portanto…estudar espectro e distribuição da ‘CMB‘ é            utilíssimo a ‘modelos cosmológicos’, para explicar o nascer das grandes estruturas.

O Universo, a partir da origem, por suposto um estado de alta temperatura e densidade, evoluiu constantemente, se expandindo. Ao chegar por volta dos 380 mil anos de idade, com sua temperatura em torno de 3000ºK … fótons e matéria que formavam o “plasma intermediário” ainda estavam fortemente acoplados. Nessa época…a energia média dos fótons se tornou menor do que o potencial de ionização do átomo de hidrogênio…Como consequência, elétrons livres, capturados por prótons, iniciaram a formação de átomos      de ‘hidrogênio neutro‘… Com a diminuição do número de elétrons livres, matéria e radiação  não mais interagiram de forma significativa…e ocorreu o que denominamos ‘desacoplamento‘ entre radiação e matéria. Dizemos então que o Universo se tornou transparente à radiação, e todos efeitos provocados por processos físicos, anteriores ao desacoplamento…surgem como uma “assinatura inicial” do universo… na distribuição espacial dessa radiação…que ainda hoje pode ser lida… – pelas observações da “CMB“.

A confirmação de que a RCFM possui um espectro de corpo negro quase perfeito foi obtida por meio das observações feitas com o instrumento Far InfraRed Absolute Spectrophotometer (FIRAS), em 1990, um dos experimentos que estavam a bordo do satélite Cosmic Background Explorer (COBE). Esse resultado se tornou uma das mais fortes evidências a favor do modelo conhecido por

A confirmação de que a RCFM possui um espectro de corpo negro quase perfeito foi obtida por meio das observações feitas com o instrumento Far InfraRed Absolute Spectrophotometer (FIRAS), em 1990, um dos experimentos que estavam a bordo do satélite Cosmic Background Explorer (COBE). Esse resultado se tornou uma das mais fortes evidências a favor do modelo conhecido por “Hot Big Bang” e mostra que o Universo à época do desacoplamento estava em um estado de quase equilíbrio termodinâmico.

Parâmetros cosmológicos

Tão importante quanto a deteção de um espectro de corpo negro, foi a descoberta de microperturbações na distribuição angular de temperatura da ‘CMB’ no céu;  isso porque tais…”anisotropias“…estão vinculadas à formação de estruturas hoje observadas, tais como superaglomerados galáticos… Sua deteção foi realizada pelo experimento ‘Differential Microwave Radiometer (DMR), em 1992, a bordo do satélite COBE”…tendo uma enorme repercussão na Cosmologia… pois pela 1ª vez foi obtido um sinal da anisotropia intrínseca à CMB‘…ou seja…não ligada    a… ‘qualquer efeito’… devido ao próprio observador … ou a algum fenômeno que tenha ocorrido atualmente no Universo; com efeito, a CMB revelava como era o Universo há mais de 13 bilhões de anos!

Em função disso, desde então vários outros experimentos começaram a medir flutuações de temperatura na distribuição angular da ‘CMB’…numa grande faixa de frequências, em diversas escalas angulares…e com grande sensibilidade. Sofisticados instrumentos foram desenvolvidos – os quais… dependendo da frequência em que operam, podem efetuar as medidas no solo  — em geral, em locais de grandes altitudes — ou no espaço, a bordo de aviões, sondas, satélites, ou balões estratosféricos…Tais experimentos proporcionam um grande avanço na definição dos “parâmetros cosmológicos”… a fim de tentar entender o Universo – do que é constituído… e, suas características, como densidade, topologia, etc.

São 3…as características que podem ser observadas na CMB – o seu ‘espectro‘, a sua ‘distribuição angular‘, e sua ‘polarização‘…Os astrofísicos buscam a medição delas por experimentos que observam            o céu em microondas… como meios fundamentais para se entender a evolução do universo… de uma estrutura simples e homogênea (sopa          de prótons, elétrons e fótons)…para algo tão complexo e heterogêneo.

A flutuação cósmica de temperatura em microondas em 5 anos de dados do WMAP é vista sobre o céu inteiro. A temperatura média é 2.725º Kelvin (graus acima do 0 absoluto; equivalente a -270º C ou -455º F), e as cores representam as sutis flutuações de temperatura, como em um mapa climático. As regiões vermelhas são mais quentes e as azuis mais frias por uma diferença de aproximadamente 0,0002 graus.

A flutuação cósmica de temperatura em microondas em 5 anos de dados do WMAP é vista sobre o céu inteiro. A temperatura média é 2.725º Kelvin (equivalente a -270º C), e as cores representam as sutis flutuações de temperatura, como num mapa climático. As regiões vermelhas são mais quentes, e as azuis mais frias, por uma diferença de aproximadamente 0,0002 graus (K).

Modelos teóricos nos permitem descrever o ‘gás primordial‘ como sendo bastante homogêneo, em termos de sua densidade, apresentando, porém… pequenos desvios, que chamamos…”flutuações“…Sabemos  atualmente…que no Universo…há regiões com grandes aglomerados galáticos… – e, outras áreas com grandes “vazios“. Pode-se concluir então, que…pequenos desvios de densidade da CMB evoluíram…para se tornar hoje – regiões com alta … ou baixa densidade galática. – Como previamente,  fótons (‘radiação’)… e matéria estavam fortemente acoplados qualquer flutuação ocorrida na…”densidade na matéria“, consequentemente…seria…”de imediato” refletiria na radiação…justamente, como uma… flutuação de temperatura“.

Para medir essas flutuações de temperatura, os receptores estão sintonizados numa certa frequência, e apontados – alternadamente – para 2 regiões diferentes do céu; medindo-se, dessa forma, a diferença de temperatura entre essas 2 regiões … Obtendo a intensidade da CMB para todo o céu, podemos fazer um ‘mapa‘ da temperatura desse gás. Estudando-se esse mapa, é possível inferir os parâmetros que descrevem o universo… No entanto, essas diferenças de temperatura da CMB são mínimas; o que muito dificulta a realização desses experimentos. É preciso então empregar entre outros recursos, os melhores receptores de microondas existentes, e as melhores técnicas de criogenia, para que estes possam medir algum sinal efetivo de origem cosmológica. É um ‘desafio tecnológico’…além de cientifico!

Vários fatores complicam a realização desses experimentos: a nossa atmosfera, que emite microondas…e também absorve uma parte das que vêm do céu; radiofontes cósmicas; e a nossa própria Galáxia, que ocupa uma grande área do céu… e, obviamente, atrapalha em muito a observação direta das microondas cosmológicas…entre outros. – Nesse sentido, o advento da era espacial foi crucial para que o progresso nessa área fosse enorme, já que um dos maiores  fatores de interferência é contornado de imediato… – nossa atmosfera.

A polarização e a CMB                                                                                                               Uma onda eletromagnética é dita linearmente polarizada quando o seu campo elétrico se encontra oscilando sempre numa mesma direção. Caso a direção varie com o tempo,   a onda será circularmente polarizada’.

Um ‘campo de radiação’ qualquer (em geral… – uma “superposição” de ondas eletromagnéticas polarizadas em todas direções) … só apresenta uma pequena porcentagem de sua ‘intensidade total’,     com polarização bem definida … capaz     de gerar um padrão. Para a CMB…esta fração, sempre linearmente polarizada, visto resultar de um… “espalhamento”, representa, de 0,1% a 1% da amplitude total das…”flutuações de temperatura”.

Quando as primeiras estrelas de grande massa surgiram (…cerca de 200 milhões de anos após o Big-Bang)…a luz por elas emitida foi capaz de ionizar as moléculas de Hidrogênio que permeavam o Universo, em um processo conhecido como re-ionização. Os elétrons liberados durante esse processo puderam interagir com os fótons lá presentes…inclusive aqueles da CMB… deixando a ‘radiação de fundo’…com um pequeno grau de polarização,   da ordem de 1% para grandes escalas angulares. Por outro lado, fenômenos presentes no momento anterior da ‘recombinação‘ também produziram polarização. O ‘espalhamento Thomson‘ de fótons por elétrons do fluido intermediário que expressavam o movimento ordenado de ‘ondas acústicas‘ se propagando no plasma, produziu polarização com uma intensidade da ordem de 1%.

Além desta perturbação escalar (ondas acústicas), o plasma também sofre a ação de ‘perturbações tensoriais’… – o espaço-tempo oscila … alongando, comprimindo, e torcendo o plasma. O termo tensorial – ao invés de escalar…indica que a ‘perturbação’ requer uma orientação definida… – Estas oscilações decorrem da passagem de “ondas gravitacionais” produzidas durante a “Inflação”… – O ‘espalhamento dos fótons pelos elétrons durante este processo de torção do plasma, também polariza a radiação…por  uma fração menor que…0,1%… devido à pequena amplitude das ondas gravitacionais.        A polarização assim gerada, possui características distintas, de tal forma, que permite  uma completa caracterização das ‘ondas gravitacionais’ que a geraram… – Em função dessa pequena intensidade da componente polarizada da CMB… sempre duas ordens        de grandeza abaixo da intensidade das…’anisotropias’… como não havia instrumento    com sensibilidade para tal – até o ano 2002 … nenhuma deteção havia sido realizada.

Foi quando o ‘DASI’instrumento desenvolvido por um consórcio liderado pela ‘Universidade de Chicago’, atingiu a sensibilidade necessária…unindo tecnologia de ponta a um ótimo local de observação: Continente Antártico.

Ele foi capaz de mapear o padrão de polarização em torno do Pólo Sul celeste, indicando que este tinha sido gerado por perturbações escalares…Em 2003, o instrumento WMAP confirmou esta medida, com um mapeamento do céu inteiro, indicando…em resultados preliminaresas assinaturas da…”reionização“…e, das…”perturbações escalares“.

A participação brasileira (texto de 2003)                                                                                    Neste experimento… foi feita uma das medidas mais precisas da anisotropia de dipolo da CMB, mostrando uma diferença de cerca de 3 miliKelvin, entre 2 distintas regiões do céu.

As pesquisas sobre a CMB, no INPE, iniciaram-se quando, em meados da década de 1980, um experimento realizado em um balão estratosférico a 33 km de altitude, mapeou pela 1ª vez o céu do Hemisfério Sul na frequência de 90 GHz. Esse experimento, coordenado pela Universidade da Califórnia/Berkeley…com a participação do INPE…era o protótipo de um dos canais do experimento ‘DMR’, que seria lançado em 1989…a bordo do satélite ‘COBE’.

Resultado do experimento HACME que mostra flutuações de temperatura da ordem de alguns microKelvin em duas regiões do céu próximas das estrelas gUMi e aLeo. Esse experimento foi realizado a bordo de balão estratosférico. A figura mostra uma comparação entre essas duas regiões vistas pelo satélite COBE e pelo HACME (Tegmark et al. 2000).

Experimento HACME, realizado a bordo de balão estratosférico, mostrando flutuações de temperatura da ordem de alguns microKelvin em 2 regiões diferentes do céu. A figura detalha uma comparação dessas regiões, pelo satélite COBE e pelo HACME.

Por meio de uma forte colaboração com      a Universidade da Califórnia…em Santa Bárbara… – outros experimentos foram realizados tentando medir, de um modo cada vez mais preciso, as características  da CMB e da Via Láctea… a maior causa perturbativa das medições… Um desses experimentos, representado pela figura      ao lado conseguiu detetar flutuações de temperatura na CMB com uma precisão maior… que a do próprio satélite COBE.

O grupo de cosmologia do INPE colabora cientificamente com diversas instituições, nacionais e internacionais … incluindo aí, relevantes “contribuições experimentais”.  Uma das contribuições, foi a participação  no experimento “BEAST“…(Background Emission Anisotropy Scanning Telescope)    

A researcher from University of California, Santa Barbara stands in front of the Background Emission Anisotropy Scanning Telescope--or BEAST.

Um pesquisador da Universidade da Califórnia, em Santa Barbara /EUA, posando em frente do BEAST.

A tecnologia usada no ‘BEAST’ … cujo radiotelescópio pode ser operado tanto no solo… como pendurado em um balão estratosférico a 40 km de altura é bem mais moderna que a do ‘COBE’, superando-o, por exemplo, em resolução angular… – de 7 graus no COBE, contra cerca de  30′ de arco no BEAST…sendo que, o projeto óptico desse telescópio — uma das partes ‘cruciais do experimento — foi totalmente desenvolvido no Brasil.  Efetuando observações a 3.800 m de altitude… numa estação chamada ‘White Mountain Research Station’,    o BEAST está competindo com os experimentos mais avançados, na medição de flutuações de temperatura,    e polarização da… “CMB” … na região de microondas.  Os 1ºs resultados divulgados, mostram flutuações de temperatura de alguns microºK na CMB, permitindo assim ideias mais precisas dos processos atuantes na formação das estruturas primordiais do Universo.

Mapas da RCFM. A figura no topo representa a temperatura absoluta do Universo. A figura do meio mostra o efeito de dipolo, quando subtraímos a temperatura de 2,7ºK da figura de cima. A figura de baixo mostra as anisotropias da RCFM, quando subtraímos o dipolo da figura do meio.

Mapas da CMB. A figura no topo representa a temperatura absoluta do Universo. A figura do meio mostra o efeito de dipolo, quando subtraímos a temperatura de 2,7ºK da figura de cima. A figura de baixo mostra as anisotropias da CMB, quando subtraímos o dipolo da figura do meio.

O “efeito dipolo” 

A Figura ao lado traz os dados obtidos pelo experimento DMR (Differential Microwave Radiometer)  a bordo do COBE, mostrando o céu…em microondas…As cores falsas dos mapas nos permitem perceber as pequenas variações de temperatura. – Na imagem de cima…com a temperatura do céu uniforme, não há qualquer estrutura aparente… – Ao melhoramos a qualidade da medida — mil vezes…como na figura do meio… surgem 2 distintas regiões, separadas por 180º…nas cores laranja e azul… – Tal efeito se deve a uma variação de temperatura da ordem de  3 milésimos de ºC – por nos movermos no céu em relação à CMB…Na figura do meio, a temperatura maior…é representada pela região laranja (…maior frequência…é para onde nos aproximamos)… e, a de cor azul,  temperatura menor, é a menor frequência de onde nos afastamos. – Essa situação, é similar ao som mais agudo… do carro que se aproxima, e mais grave — ao se afastar.

Esse  efeito…conhecido como ‘efeito Doppler’, acontece sempre quando há movimento relativo entre um observador e uma fonte de sinal. A variação de temperatura que pode ser observada no 2º mapa…é devido ao efeito Doppler resultante do nosso movimento. 

As primeiras indicações da existência desse fenômeno na “distribuição angular” da CMB, conhecido como ‘efeito dipolo, vieram de experimentos realizados em 1969, e no inicio da década de 70. A confirmação veio com medidas observacionais realizadas nessa época, em um experimento a 20 km de altitude a bordo de um avião U-2. Em meados da década de 80 esse efeito já era bem conhecido… graças a experimentos em balões estratosféricos, inclusive no Brasil, com a participação do INPE, confirmados posteriormente pelo COBE.

http://www.princeton.edu/physics/about/history/memorable-members/david-wilkinson/

David Wilkinson (1935-2002)

O responsável por um dos experimentos conduzidos no Brasil foi David Wilkinson, cosmólogo da Universidade de Princeton – colaborador de R. Dicke… no artigo que explicava o resultado de Penzias e Wilson – e… um dos mentores e líderes do projeto, batizado por… “WMAP”.

Wilkinson faleceu meses antes da divulgação dos 1ºs  resultados da sonda WMAP (lançada originalmente com o nome de “Microwave Anisotropy Probe” – em 30/06/2001)… – e a equipe resolveu homenageá-lo,   ao rebatizar o satélite, incluindo, então, seu nome… “Wilkinson Microwave Anisotropy Probe” (WMAP).

a sonda WMAP em uma

A sonda WMAP em uma “órbita estacionária” permanente em torno do Sol. [ilustração-NASA]

Projetada para proporcionar uma “visão” mais detalhada das diferenças sutis de temperatura na CMB, inicialmente detetadas em 1992, pela sonda COBE (‘Cosmic Background Explorer’),  a sonda espacial WMAP, após vasculhar o céu, por 9 anos, ininterruptos, finalmente concluiu  suas atividades… A coleta de dados científicos findou em 20/08/2010, e a 08 de setembro, a sonda disparou seus propulsores — para uma perpétua órbita estacionária, em torno do Sol.

Esta imagem representa o brilho do Universo primitivo, criado a partir de 7 anos de dados da sonda WMAP (em comparação com a COBE). A imagem revela flutuações de temperatura (mostradas como diferenças de cor) que correspondem às

Esta imagem representa o brilho do Universo primitivo, criado a partir de 7 anos de dados da sonda WMAP (em comparação com a COBE). A imagem revela flutuações de temperatura (mostradas como diferenças de cor) que correspondem às “sementes” que cresceram para se tornar as galáxias.[Imagem: NASA]

WMAP‘, e a composição do universo

A WMAP detetou sinais do que se acredita serem resquícios do princípio do universo, um padrão congelado, desde 380 mil anos após o Big Bang. Com a expansão cósmica nos 13 bilhões de anos seguintes…essa luz perdeu energia, esticando-se portanto em comprimentos de onda cada vez maiores; hoje na faixa de microondas. Foi também    a WMAP quem comprovou que a matéria comum, só constitui 4,6% da composição do universo atual. Todo restante consiste de 2 entidades ainda não compreendidas pelos cientistas… – A ‘matéria escura’, que responde por 23% do Universo é um material ainda não “experienciado”… em laboratório, e a ‘energia escura‘… uma entidade gravitacionalmente repulsiva – possivelmente…característica do próprio ‘vácuo‘ … preenchendo os 72% restantes.

A figura ao lado (parte superior) — mostra a atualdistribuição de componentes” do universo; enquanto a parte inferior mostra a distribuição desses componentes… ao serem emitidas as luzes da “CMB“. Tendo em vista que à medida que o universo se expande sua  distribuição de composição varia…a matéria bariônica (átomos) e a matéria escura, tal como um gás em expansão diminuem de densidade…enquanto fótons (radiação)…e,  as partículas de neutrino, também perdem energia com a expansão…sumindo do mapa. 

Aparentemente…a densidade da ‘energia escurapermanece constante… – desde a época da “CMB“…e assim é considerada a ‘componente dominante atual’… – mesmo com uma…contribuição… – relativamente desprezível…há 13,8 bilhões de anos atrás.

Obs. Os dados mais recentes mostram que a matéria normal compreende 4,9% da massa e densidade de energia do Universo. Outros 26,8%, compõem a chamada matéria escura, detetada apenas, através de seu “efeito gravitacional” – (…bem mais do que se supunha). A ‘energia escura‘… – componente misteriosa…que faz com que o Universo se expanda cada vez mais rápido… foi corrigida para uma taxa menor… – correspondendo a 68,3%.

Espectro de potência das flutuações da CMB

http://map.gsfc.nasa.gov/news/3yr_release.html

As anisotropias na distribuição angular da CMB são o retrato do universo à era da recombinação, apesar de sua forma geral ter sido estabelecida, a cerca de 1 picossegundo (10e-¹² s) pós ‘Big Bang’.  Por sua vez…a componente tensorial da polarização da CMB está conectada  à…deformação do espaçotempo, pelas ondas gravitacionais (primordiais)  geradas ao final da… ‘era de Planck‘, cerca de 10e-43 s … após o “Big Bang”.

O gráfico acima mostra a variação de temperatura para diferentes tamanhos angulares. Nota-se o largo pico inicial, sugerindo uma preferência angular, ou seja…um padrão de  comprimento para a “onda sonora” inicial do universo … igual a uma nota específica produzida devido ao comprimento de uma corda de violão. – Os picos seguintes…(2º e    3º) são os harmônicos secundários do 1º. – Sendo que o 3º harmônico, em observação      nos novos dados de 5 anos do WMAP…põe em evidência um “fundo de neutrinos“.

espectrodepotencia

Para podermos extrair informações desses gráficos…precisamos nos valer de algumas ferramentas estatísticas. – Uma delas, nos possibilita compor um espectro como o da figura ao lado, representando a amplitude de flutuações em função da escala angular.

Os picos vistos são reflexos das oscilações acústicas no plasma…Podemos associá-los com os modos harmônicos desta oscilação.

O 1º pico representa o “harmônico fundamental…e define o tamanho do Universo observável, ou a escala angular do horizonte (os outros…são ‘harmônicos secundários’.)  Dessa associação podemos determinar algumas quantidades fundamentais do universo  (idade, composição, geometria) – usando o número, largura, altura e posição dos picos.

geometria

Origem cosmológica da CMB

São muitos, os ‘indícios favoráveis’ a este argumento… — O 1º, e mais simples deles é sua ‘uniformidade’  em ‘larga escala’. – Não obstante a direção para qual se aponte… tem-se a medida de um mesmo “fluxo”O Universo brilha em microondas.

Outro indício vem da presença de um dipolo…o qual indica que fazemos parte de um grupo de objetos que se move em relação a um referencial, onde a radiação de 2,7ºK é perfeitamente isotrópica…Este efeito tem a mesma configuração que outros dipolos vistos em radiogaláxias e quasares…ou, mapeamentos de “emissão difusa em raios-X”.      O espectro da RCFM, caracterizando um corpo negro de 2,7ºK é o melhor argumento para um estágio no Universo de ‘equilíbrio térmico’ entre matéria e radiação… estado conhecido como “plasma intermediário” (o ‘plasma primordial‘ corresponde à    uma “sopa de quark-glúons“). Pela expansão, com o consequente resfriamento do plasma, tão logo a temperatura atingiu 3000ºK…se deu o “desacoplamento” entre radiação e matéria. Com o Universo se expandindo, a radiação tem esfriado, até hoje.

Caso este cenário seja o correto, deveria ser possível medir o efeito de uma radiação de fundo mais quente ao se observar objetos distantes. E isto de fato ocorre, como mostra mais uma prova conclusiva da natureza cosmológica da CMB… – Dados sobre diversas nuvens moleculares – compostas por moléculas de hidrogênio, CN, etc. – mostram      que elas estão envoltas por um fluxo de fótons uniforme e constante, que as impede de      se manterem em seus níveis mais baixos de energia… – E, a energia necessária para se manter este ‘mínimo de excitação‘, é exatamente aquela dada pelos fótons da CMB.  

O espectro de uma ‘nuvem molecular’… a uma distância de 20 milhões de anos-luz, por exemplo, mostra que ela está sendo bombardeada por uma radiação… – cuja temperatura, se encontra entre 6 e 14ºK – sendo que a previsão teórica é de…9,1ºK – o que está em grande acordo ao esperado.

Além disso, a distribuição angular das flutuações de temperatura, segundo precisas medidas recentes, são compatíveis com a previsão do modelo inflacionário de que      estas flutuações sejam resultado de ‘perturbações de densidade‘ produzidas nos primeiros instantes do Universo. Assim, podemos dizer que as ‘teorias alternativas’,      que tratam a CMB, como resultado da emissão de uma distribuição difusa de grãos          de poeira no espaço interestelar…estão – ‘fatalmente’… – fadadas ao esquecimento.

Novo mapa da “CMB” (Planck/2013)  Manchas azuis … mostram regiões mais frias, e as marrons…mais quentes, onde a matéria cósmica é menos concentrada.

A equipe do telescópio espacial ‘Planck‘ mostrou seu primeiro mapa da radiação cósmica de fundo em microondas sobre o céu inteiro… – confirmando assim em seus dados…muitos aspectos do modelo cosmológico padrão … — ao estabelecer seus parâmetros, numa precisão inédita.

Contudo, os pesquisadores também encontraram anomalias significativas, e uma falta de homogeneidade, que mostra que os lugares mais afastados do Universo, não são assim tão similares como a teoria faz crer, indicando aspectos do modelo padrão ainda controversos.

O mapa do céu inteiro foi feito com base nos primeiros meses de                      observações do “Planck”… e mostra a primeira luz do Universo,                        emitida quando o Universo tinha apenas 380 ml anos de idade.

Isso aconteceu quando o ‘plasma intermediário’ de prótons, elétrons e fótons permitiu que átomos de hidrogênio neutro se formassem (recombinação)… e a luz escapasse, ao     se resfriar gradualmente – Só então o Universo se iluminou.  À medida que o Universo continuou a se expandir e esfriar, essa radiação se deslocou aos comprimentos de onda mais longos, estando hoje na faixa microondas…A temperatura padrão atual da CMB é      de 2,7ºK. Pequenas variações refletem flutuações de densidade no universo primordial.

O telescópio Planck, com uma resolução inédita, foi projetado para medir essas flutuações em todo céu, ajudando assim na definição da composição evolutiva do universo, desde seu início, até os dias atuais. – Um de seus resultados mais significativos foi a definição de um novo valor para a taxa de expansão do Universo…a ‘Constante de Hubble’… Com um valor calculado em 67,15 Kms/seg/Megaparsec…este é significativamente menor do que o valor atual dos cálculos astronômicos; o aceito até então era 74,3 km/s/Mpc. Esta nova medida, nos permitiu recalcular a idade do universo em 13,82 bilhões de anos. Porém… com a alta precisão do Planck… seus dados também revelaram certas características inexplicáveis, que não se encaixam no…”modelo padrão cosmológico“… – Um dos mais surpreendentes desses resultados é que as “flutuações de temperatura da CMB’, em grandes escalas angulares…são bem menores que o esperado…Outra discrepância é uma assimetria nas temperaturas médias dos 2 hemisférios celestes, contrariando a previsão de um ‘universo isotrópico’, semelhante em qualquer direção. Ademais, há um grande vazio representado por uma extensa bolha fria (mancha azul); algo inexplicável em um universo homogêneo.

Estes dados podem apontar para complementos do modelo padrão,              ou até mesmo… novas teorias – conforme recentemente especulado,          como…por exemplo…com as observações do chamadofluxo escuro‘.

Com efeito…o estudo da CMB nos fornece informações extremamente interessantes    sobre a evolução do Universo em seus primeiros instantes. A nossa compreensão do Universo mudou radicalmente nos últimos anos… e, a julgar pelos problemas ainda         não resolvidos referentes à polarização; e outros aspectos relacionados ao processo       de formação de estruturas… – ainda existe vasto campo de estudos…no qual a CMB     deve continuar desempenhando papel de grande destaque em estudos cosmológicos.

Texto base: Radiação Cósmica de Fundo em Microondas  Introdução à CMB  ‘Efeito Dipolo’  WMAP-novos resultados-NASA  Polarização CMB  WMAP mapeamento final ‘PLANCK – 1º MAPA’ ## ‘Novos dados da Missão Planck’ ## ‘Princípio Cosmológico’   ***************************(texto complementar)********************************

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Representação artística do satélite Planck no espaço. Créditos: ESA / Planck Collaboration.

Telescópio espacial Planck (ESA)em 4 anos de dados sobre a “CMB” (dez/2014)

Os cientistas da ‘missão Planck’, administrada pela ESA (“agência espacial europeia”), numa conferência realizada em Ferrara… – na Itália, apresentaram os resultados obtidos durante 4 anos de dados fornecidos pelo satélite… Entre 2009 e 2013, o telescópio espacial ‘Planck’ fez mais de 1500 dias de observações da radiação residual do Big Bang, conhecida como “fundo cósmico de microondas” … medindo com alta precisão…em todas as direções do céu – para, assim produzir então… a imagem global mais detalhada… – da luz mais antiga do Universo.

O ‘satélite Planck‘ foi projetado para medir tanto a intensidade quanto a polarização da radiação proveniente do fundo de microondas cósmico. Esta luz pode ser descrita como a superposição de um ‘campo elétrico’ com um ‘campo magnético’ … oscilando em direções perpendiculares entre si, e com relação a sua direção de propagação. Normalmente, esses 2 campos podem oscilar em qualquer orientação… – mas, se o fizerem em uma específica direção, a luz estará polarizada…Estudando a polarização dessa luz…emitida por estrelas, gás e poeira interestelar deduzimos os processos físicos que a causaram, revelando assim as propriedades dos campos magnéticos atravessados por essa radiação, até nos alcançar.

Em 2013 já havia sido apresentado um mapa das variações na intensidade da radiação do fundo cósmico de microondas, mostrando com uma definição sem igual, a distribuição da matéria cerca de 380 mil anos após o ‘Big Bang‘. Agora, graças a medições da polarização dessa radiação em 4 frequências diferentes – os dados obtidos pelo Planck, nos permitem analisar seus movimentos, fazendo nossa visão do universo primitivo bem mais dinâmica.

A qualidade dessas medições … também permitiu verificar                              vários aspectos do Modelo Padrão cosmológico, entre eles,                      aqueles relacionados à “matéria escura” e aos “neutrinos”.

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Novos limites aos modelos atuais da “matéria escura”

A certeza sobre a existência da “matéria escura” se fortaleceu nos últimos anos – todavia… a natureza das partículas…que a compõem – ainda está ‘oculta’. Observações da missão Planck confirmaram uma quantidade de matéria escura, em 26% do total do Universo…Além disso, medições mostraram que… na explicação da dinâmica inicial do universo — é dispensável a hipótese de um forte processo de aniquilação matéria escura x antimatéria escura. Tal evento deveria ter produzido energia suficiente para influenciar a evolução da luz e da matéria, na época em que a radiação residual do Big Bang foi emitida.

As observações do Planck porém, não encontraram nenhuma evidência de que isso tenha ocorrido… – descartando completamente toda uma série de modelos que explicavam a matéria escura levando em conta esse processo.

Os resultados obtidos pelo “satélite espacial” são ainda mais interessantes… quando comparados com as medições de outros projetos. Os satélites Fermi e Pamela, assim    como o experimento AMS-02 a bordo da Estação Espacial Internacional…detetaram        um excesso de ‘raios cósmicos’…que poderia ser interpretado como consequência da aniquilação da matéria escura e antimatéria nos primórdios do universo. – Contudo,        de acordo com as observações de alta precisão da missão Planck os cientistas devem encontrar e confirmar ‘explicações alternativas’ para esses resultados experimentais.

Neutrinos primordiais/deteção indireta 

Os resultados da “missão Planck” também nos permitiram obter informações sobre neutrinos, ‘partículas fantasmas‘ que mesmo produzidas em abundância… – como por exemplo…no Sol, quase não interagem com a matéria…o que faz sua deteção… extremamente difícil. – Embora os primeiros neutrinos emitidos pelo universo sejam impossíveis de se observar diretamente,   a sonda espacial Planck registrou, indiretamente, os efeitos dessas partículas na “CMB“.

Os neutrinos primordiais detetados pelo Planck foram emitidos cerca de 1 segundo após o Big Bang – quando o Universo ainda era opaco à luz…mas transparente a essas partículas, capazes de escapar facilmente de ambientes opacos a fótons, como o núcleo do Sol. – Uns 380 mil anos mais tarde… – quando a radiação residual do Big Bang pôde finalmente ser transmitida através do Universo, ficou evidente a presença dos neutrinos, uma vez que os fótons interagiam gravitacionalmente com eles… – Ao observar os fótons mais antigos do Universo, os dados do Planck confirmaram as propriedades desses neutrinos, declarando um “limite superior”…para a soma das massas dos 3 tipos então conhecidos de neutrinos.

Ademais, os dados permitiram descartar a existência de um 4º tipo de neutrino, denominado…”estéril”… presente em alguns modelos cosmológicos alternativos.

Planck x BICEP2

Apesar da apresentação dos dados completos da missão Planck – não havia notícias sobre a controvérsia em torno da possível deteção…por parte dos astrônomos trabalhando no telescópio ‘BICEP2’…Antártida, do ‘fundo de ondas gravitacionais’,  a partir da polarização da radiação de fundo cósmico, em microondas.

Se confirmados estes dados, as observações do BICEP2 seriam a maior evidência até hoje da inflação exponencial no início do Universo, que de acordo com modelos cosmológicos veio apenas 10e-35 segundos após o… “Big Bang”. — Contudo, uma análise preliminar da emissão polarizada de poeira em nossa galáxia publicada por cientistas da missão Planck em setembro (2014), provou que a região do céu observado pelo BICEP2 continha muito mais poeira do que o previsto concluindo que a emissão de poeira é quase tão intensa, quanto a atribuída ao próprio fenômeno registrado pelo sinal do BICEP2. (texto original***********************************************************************************

Missão Planck e a nova história do Universo (ESA / NASA / JPL-Caltech)            Gás quente, poeira, e campos magnéticos se misturam num redemoinho colorido, nesse novo mapa da Via Láctea. A imagem é parte dos mais recentes dados da missão Planck.’

O disco principal da Via Láctea se estende no centro da imagem, envolto por correntes de poeira fria. Essa espécie de teia – é onde novas estrelas estão se formando…  – e o Planck achou muitas áreas onde estrelas estão prestes a nascer…ou, no início de suas existências.

Um animado retrato da nossa Via Láctea mostra uma mistura de gases, partículas carregadas, e vários tipos de poeira. A imagem composta vem da missão Planck. Ele foi construído a partir de observações feitas no microondas de comprimentos de onda milimétricos, que são maiores do que podemos enxergar com nossos olhos. (ESA / NASA / JPL-Caltech)

Conturbado retrato da Via Láctea mostra uma mistura de gases, partículas carregadas, e vários tipos de poeira.

O telescópio espacial Planck passou mais de 4 anos…observando a radiação remanescente do nascimento do nosso universo – chamada “radiação cósmica de fundo em microondas” (CMB), ajudando assim os cientistas a entender melhor a história estrutural do Universo, bem como da nossa própria galáxia (Via Láctea); como explicou Charles Lawrence/NASA:

“O Planck pode ver a velha luz nascente do universo;                              incluindo entre eles – gás e poeira de nossa galáxia;                                    quer diretamente, quer por seu efeito sobre a CMB”.

Os novos dados foram disponibilizados ao público no dia 05 de fevereiro (2015), e agora incluem observações feitas durante toda a missão. Para a equipe do Planck…estes dados estão refinando o que sabemos sobre o universo…ao fornecer medições mais precisas da matéria (inclusive matéria escura) e do modo como se aglutinams. Outras propriedades importantes do universo também são medidas com maior precisão – em testes cada vez mais exatos das teorias cosmológicas. Uma dessas ‘propriedades cósmicas’ aliás, parece    ter mudado com este novo ‘pacote de dados’… – trata-se do período de tempo em que o universo permaneceu na escuridão, durante seus primeiros estágios. – Uma preliminar análise dos dados, sugere que esta época, ocorrida antes da formação das 1ªs estrelas – período da “Idade das Trevas”, durou além do esperado (mais de 100 milhões de anos).

Especificamente, a Idade das Trevas terminou 550 milhões de anos após     o Big Bang, mais tarde do que as estimativas preliminares de 300 a 400 milhões de anos. A investigação está em curso para confirmar esta ideia.

matéria-escura

John Dubinski, Universidade de Toronto (simulação computacional)

Os ‘dados do Planck’ também confirmam…que a misteriosa energia escura está agindo contra gravidade, espalhando os vulgo limites do universo à velocidades cada vez maiores.  Além do que, o novo catálogo de imagens do Planck…agora é o maior já produzido… com mais de… 1.500 aglomerados galáticos observadas em todo universo… Tais aglomerados,  agindo como ‘atratores‘ no cruzamento dessas ‘enormes estruturas filamentosas’, em uma gigantesca… “teia cósmica“… ajudam os cientistas a traçar a evolução do universo.

Uma nova análise, feita pela equipe do Planck… com mais de 400 desses aglomerados, nos proporcionou uma nova ideia a respeito de suas massas – que variam de 100 a 1.000 vezes a massa da nossa Via Láctea…Nesse esforço pioneiro, a equipe do Planck obteve as massas dos aglomerados… ao observar como estes encurvam a luz do fundo em microondas. — Os resultados fornecem um…valor aproximado – da massa total de centenas de aglomerados; sendo então de grande ajuda… na compreensão das elusivas… “matéria e energia escuras”.

A radiação cósmica de fundo foi originada 380 mil anos após o Big Bang, numa época em que a temperatura do universo esfriou o suficiente para que sua luz já não fosse impedida (por partículas carregadas) de viajar livremente. Este telescópio espacial, bem como seus predecessores, captura a ‘luz primordial’…que viajou bilhões de anos, para chegar até nós.  Mapas do Planck…destas “manchas  de luz” nos mostram onde a matéria tinha começado a se acumular… formando as “sementes” das galáxias que vemos hoje em dia. Analisando tais propriedades deduzimos o modo como as “condições iniciais” do universo induziram    à aglutinação. E nessa luz ancestral, ao longo de sua jornada, temos a história do cosmos.

resultados-planck

Entre 2009 e 2013, o telescópio espacial Planck realizou medições da radiação residual do Big Bang, conhecida como “fundo cósmico de microondas”. Esta imagem, obtida no comprimento de onda 353 GHz pelo experimento LFI (“Instrumento de baixa freqüência”, na sigla em inglês) a bordo do satélite, mostra a luz polarizada emitida por uma área do céu de 30 graus quadrados. As cores correspondem à intensidade da emissão térmica da poeira, e os relevos mostram a interação com o campo magnético da nossa galáxia. Algumas das propriedades da luz são invisíveis aos olhos humanos. Uma delas, a polarização, armazena uma grande quantidade de informação sobre o que ocorreu ao longo da trajetória de um raio de luz qualquer. No espaço, a luz emitida pelas estrelas, gás, e poeira interestelar também podem estar polarizadas. Ao estudar esta propriedade de sua radiação, os astrônomos são capazes de deduzir seus processos físicos causadores, revelando a existência e as propriedades dos campos magnéticos que o raio de luz atravessou até chegar aqui. Créditos: ESA/Planck, Marc-Antoine Miville-Deschenes.

O grande desafio aos cientistas do Planck é peneirar toda essa luz de longo comprimento,  para identificar apenas a assinatura cósmica do fundo em microondas…Grande parte da nossa galáxia emite luz na mesma faixa, turvando nossa visão. Mas o que poderia ser lixo para uns, é tesouro para outros…como ilustrado no novo mapa da ‘Via Láctea’, divulgado hoje. A luz gerada a partir do interior da nossa galáxia… a mesma luz subtraída do antigo sinal – vem à tona numa nova imagem deslumbrante… Gás, poeira, e as linhas do campo magnético galático compõem um ativo frenesi… – nos mostrando como novas estrelas se formam…no interior da nossa própria galáxia…a “Via Láctea”. (texto original – fev/2015)  ***********************************************************************************

Neutrinos ajudaram a dar forma ao Universo (jan/2021)

neutrinos-formatam-universo

Distribuição da densidade dos neutrinos (esquerda) e da matéria escura (direita) na estrutura cósmica de grande escala. Enquanto os neutrinos se movem rapidamente e parecem difusos, a distribuição da matéria escura compõe teias cósmicas, formando uma estrutura filamentar. [Kohji Yoshikawa et al.]

Neutrinos são partículas tão ínfimasque poderiam viajar por um cubo de chumbo              de 1 ano-luz de aresta com altíssima probabilidade de passar sem bater em nenhum átomo. Assim, é difícil imaginar que essas partículas, que por bom tempo se pensou          que nem tivessem massa … possam ter sido protagonistas na formação do Universo.

Mas é justamente essa ideia que Kohji Yoshikawa e um grupo de físicos da Universidade de Tóquio está propondo… – Eles desenvolveram uma simulação cosmológica projetada para monitorar a função dos neutrinos na evolução do universo, analisando assim como      a irrelevante massa dos neutrinos poderia ter influenciadona massa e distribuição das outras partículas. Usando equações diferenciais (de Vlasov-Poisson) é possível deduzir    as massas dos neutrinos, só recentemente medidas (a teoria dos neutrinos data de 1956).

Papel dos neutrinos na formação do Universo

A simulação representou com boa precisão a “função de distribuição” da velocidade dos neutrinos, acompanhando sua evoluçãoao longo do tempo. Os pesquisadoresa partir daí, examinaram os efeitos dos neutrinos na formação…e na evolução das galáxias. Os resultados indicam que os neutrinos dissiparam os agrupamentos de ‘matéria escura’a massa indefinida do Universo, bem como das galáxias. Além disso, as regiões ricas em neutrinos estão fortemente correlacionadas com aglomerados gigantes de galáxias — e a temperatura efetiva dos neutrinos varia ‘substancialmente’ … conforme a massa de cada neutrino, como explicou Yoshikawa: “No geral, nossas descobertas são consistentes com  as previsões teóricas e com os resultados das simulações anteriores. É reconfortante que    os resultados de abordagens de simulação totalmente diferentes concordem entre si”. E, mais que isso … é importante lembrar que os experimentos mais rigorosos, usados para estimar a massa dos neutrinos são as observações cosmológicas, mas só se pode confiar nessas observaçõesse as previsões das simulações se mostrarem precisas. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para O ‘Instant Karma’ da Radiação Cósmica de Fundo

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