Pergunte ao Ethan nº 54: Qual é o primeiro sinal do universo?
Existe uma maneira de ver além da barreira que o Universo coloca antes de se tornar transparente à luz?
Crédito da imagem: Mark Kamionkowski, de ondas gravitacionais.
Desde os primeiros tempos, os humanos – exploradores e pensadores – queriam descobrir a forma de seu mundo. Para sempre, a maneira como fizemos isso é através da narrativa. É difícil deixar a verdade atrapalhar uma boa história. – Adam Savage
Depois de um breve hiato na semana passada por motivos pessoais , Tenho o prazer de anunciar o retorno de Ask Ethan! A cada semana, você é incentivado a enviar seus perguntas e sugestões para uma chance de ter seu tópico analisado e explicado em profundidade com o melhor de nosso conhecimento científico. Como não pudemos fazer uma coluna na semana passada, pensei em dar-lhe um três por um especial, cortesia de Gerard, que pergunta:
Duas questões de astronomia:
1) Presumivelmente, as ondas de gravidade não seriam afetadas pelo fato de a matéria estar carregada ou não. Então, é possível que as ondas de gravidade nos deixem ver mais longe do que o tempo da CMB? Quebrando efetivamente a barreira da CMB?
2) Os fótons são espalhados por partículas carregadas mais do que por átomos de hidrogênio neutros. Os fótons de algumas frequências são dispersos mais do que outros por partículas carregadas?
Uma pergunta pessoal:
O que fez você se interessar pela astronomia em primeiro lugar? Um professor na faculdade? Uma relação? Uma visita a um Planetário? Uma foto?
Vamos começar com as duas primeiras perguntas e começar nos dias atuais.
Crédito da imagem: NGC 7331 por Don Goldman, Sierra Remote Observatory.
Quando olhamos para o Universo, sua primeira reação pode ser pensar que o que vemos é limitado apenas pela quantidade de luz que podemos coletar. Se quisermos detectar um objeto mais distante ou intrinsecamente mais fraco, tudo o que precisamos fazer é coletar luz em uma área maior (com um telescópio de abertura maior) ou por um período de tempo maior (com uma exposição mais longa), e nós eventualmente seria capaz de vê-lo. Esta é, de fato, uma técnica astronômica que usamos com frequência e como somos capazes de construir imagens como o Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field e – mais recentemente – o Hubble eXtreme Deep Field, abaixo.
Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.
Mas só podemos ver essas galáxias, por mais distantes que sejam, porque a luz é livre para se propagar através do espaço (principalmente vazio) ao longo de nossa linha de visão para essas galáxias. Embora a matéria neutra – coisas como gás e poeira – absorva e reemite determinados comprimentos de onda de luz e não outros, o Universo não foi sempre em um estado onde a matéria existia em estados ligados estáveis e neutros.
Quando o Universo era mais quente, mais jovem e mais denso, os átomos neutros eram instáveis devido às altas temperaturas e grandes energias cinéticas de tudo ao seu redor. Nosso cosmos pode ter cerca de 13,8 bilhões de anos agora, e um lugar frio e relativamente vazio. Mas quando éramos apenas alguns cem mil anos velho, era tão quente e denso que os átomos neutros eram incapazes de se formar! Nosso Universo era simplesmente um plasma ionizado de elétrons, núcleos, fótons e outras partículas.
Crédito da imagem: Martin Hendry, via http://www.astro.gla.ac.uk/~martin/ase/runaway_ase.htm .
Isto é mau para obter informações de fótons. Quando o Universo é ionizado, os fótons se espalham de elétrons livres de forma muito eficiente. A segunda pergunta de Gerard era se os fótons de certas frequências eram espalhados de forma mais eficiente do que os fótons de outras frequências. Para as energias com as quais estamos lidando quando o Universo tem milhares de anos, os fótons de frequências mais altas tendem a se deslocar para as mais baixas em colisões com elétrons (espalhamento de Compton), os fótons de frequências mais baixas mudam para as mais altas em colisões com elétrons energéticos ( Espalhamento Compton Inverso), mas quanto à probabilidade de uma colisão?
Isso é dado pela seção transversal de Thomson:
Fórmula via Wikipedia em: http://en.wikipedia.org/wiki/Thomson_scattering .
Isto é independente da energia do fóton, frequência e comprimento de onda, então a resposta para a segunda pergunta é não, fótons de todas as frequências se espalham com muita frequência para que suas informações se propaguem desde os tempos pré-CMB até nossos olhos.
Mas as ondas gravitacionais não têm esses problemas.
Crédito da imagem: IOP / Physics World, via http://physicsworld.com/cws/article/news/2010/apr/11/black-hole-twins-spew-gravitational-waves .
Ondas gravitacionais (ou grávitons, se você preferir uma descrição baseada em partículas) são ondulações no próprio tecido do espaço. Eles se movem em c , a velocidade da luz no vácuo, mas tudo o que eles fazem é distorcer o espaço. Eles podem ser emitidos, mas - tanto quanto sabemos - não absorvido por mudanças nas configurações das massas.
E enquanto normalmente falamos sobre fontes astrofísicas convencionais que as geram, coisas como estrelas de nêutrons, buracos negros, anãs brancas, sistemas orbitais e supernovas, os momentos que antecederam o próprio Big Bang deveriam Além disso os gerou!
Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por mim.
Você vê, durante a época da inflação cósmica , que precedeu e deu origem ao Big Bang , havia dois tipos de flutuações quânticas que ocorreram e se estenderam pelo Universo. Um tipo eram as flutuações em todos os campos quânticos vetoriais, espinor e escalares que existiam, levando a flutuações de densidade e, muito mais tarde, regiões que se transformariam em estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, ou vazios cósmicos vastos e vazios. Mas o outro tipo eram as flutuações no tensor campos quânticos do Universo, que resultam em radiação gravitacional. Essa radiação gravitacional pode ser detectada, em princípio, por versões avançadas de interferômetros a laser terrestres ou espaciais. (Embora, reconhecidamente, mais avançado do que qualquer coisa que propusemos até hoje.)
Crédito da imagem: Eanna Flanagan, Universidade de Cornell.
A inflação faz classes muito específicas de previsões sobre qual deve ser o espectro de ondas gravitacionais que devem ser geradas, e diferentes modelos fazem previsões que diferem em seus detalhes específicos.
Se a inflação for errado , então haveria um espectro muito diferente de ondas gravitacionais produzidas no Universo primitivo.
Crédito da imagem: Eanna Flanagan, Universidade de Cornell.
Mas de qualquer forma, os seguintes fatos permanecem:
- O Universo primitivo – quando tínhamos um estado muito quente, denso e em expansão, mais alto do que quaisquer energias alcançadas em laboratórios terrestres ou astrofísicos – devemos geraram ondas gravitacionais.
- Essas ondas gravitacionais não teria mudado , além de um desvio para o vermelho cósmico, pois passaram por toda a matéria, radiação e espaço daquela época até hoje.
- Essas ondas gravitacionais devem ter um conjunto específico de amplitudes que está dependente do comprimento de onda. Quer tivéssemos inflação ou não, as medições da onda gravitacional de fundo devem nos dar informações adicionais sobre o nascimento do nosso Universo.
Se a inflação estiver correta, as únicas variáveis reais, além de uma ligeira inclinação no espectro, são a amplitude das flutuações do tensor do Universo primitivo.
Crédito da imagem: Equipe de ciência do Planck.
Eles aparecerão no fundo cósmico de micro-ondas, a propósito, e particularmente em certos modos de polarização de fótons. Quando podemos medir com precisão esses modos - e é isso que BICEP2 e Planck estão tentando, entre outros - devemos ser capazes de aprender mais sobre a inflação cósmica!
Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A preprint; anotações por mim.
Então sim, Gerard, ondas gravitacionais Faz fornecer uma janela para os primeiros estágios do Universo. Só porque eles não são praticamente acessíveis agora com nossa tecnologia atual não significa que não devemos alcançá-los, e não significa que devemos investir no desenvolvimento da tecnologia que nos permitirá diretamente sondar os primeiros estágios do Universo. Em princípio, devemos ser capazes de chegar lá dentro de uma única geração, se investirmos os recursos adequados para responder a esta pergunta.
E quanto ao seu de outros pergunta: o que é que primeiro despertou minha interesse em astronomia? Há duas coisas que aconteceram comigo quando eu estava relativamente jovens, mas eles provavelmente vão surpreendê-lo. De todos os astrônomos e astrofísicos que conheço, minha história é incrivelmente diferente da deles.
Crédito da imagem: Jason Kinnan.
Eu sempre amei acampar. Como alguém que cresceu em Nova York e nos arredores, conectar-se com florestas, montanhas, fogueiras e céus escuros era uma raridade para mim, mas também uma das melhores coisas que lembro da minha infância. E, em particular, uma experiência que tive quando tinha talvez 11 anos se destaca para mim: apenas deitada de costas em um campo com outro garoto da minha idade e seu irmão mais velho.
Minha visão ainda era boa o suficiente para que eu não precisasse de óculos, e provavelmente havia alguns milhares de estrelas que podíamos ver. Nós apenas olhamos para cima, falando sobre tudo e nada, e deixamos nossa imaginação correr. Foi lindo, e parecia que havia uma história por trás de tudo o que eu estava absorvendo e da qual eu precisava fazer parte. O que talvez seja estranho, porque nenhuma das minhas outras experiências — nem em planetários, nem com professores, nem com livros, nem com imagens, nem olhando através de um telescópio — jamais me fez sentir isso. Mas essa experiência, apenas deitar na grama e olhar para um céu escuro e estrelado, me deu uma sensação que nunca esqueci.
E alguns anos depois, quando eu tinha talvez 13 ou 14 anos no acampamento de verão, eu estava em um barco em uma noite escura e tive uma sensação semelhante. Só que desta vez, eu tinha um conhecimento um pouco mais profundo de matemática.
Crédito da imagem: 2014 Philipp Langer (Berlim/Alemanha), via https://www.flickr.com/photos/philipp_langer/12681097373/ .
E comecei a me perguntar: assim como se você navegasse este barco em uma direção por tempo suficiente, você voltasse para onde começou, o que aconteceria se você fosse em uma direção por tempo suficiente no espaço? Você voltaria ao seu ponto de partida?
Enquanto eu olhava para as estrelas e me perguntava sobre a estrutura matemática e física do Universo, sobre dimensões superiores e como o Universo se parecia em escalas maiores, senti a mesma sensação de espanto, curiosidade e conexão. Por falta de um termo melhor, senti que esta era o que eu precisava saber. Não foi algo que eu vi, algo que aprendi ou alguém que conheci, mas sim algo que eu pensei que acendeu aquele fogo dentro de mim.
Minha vida me levou em muitas direções diferentes, mas sempre voltei a perguntas como essa e a esses sentimentos que tive e – sei que parece ridículo – mas sinto que há um poço infinito dentro de mim que nunca pode ser esvaziado quando se trata de minha paixão por isso. E essas duas experiências foram como eu descobri pela primeira vez.
Obrigado por um ótimo Series de perguntas, Gerard, e se você quiser uma chance de ser o próximo Ask Ethan, vá em frente e envie seu perguntas e sugestões ! Enquanto isso, espero que tenham gostado, e nos vemos na próxima semana para mais maravilhas do Universo e muito mais Começa com um estrondo !
Deixe seus comentários em o fórum Starts With A Bang em Scienceblogs !
Compartilhar:
