Pergunte a Ethan #75: Como ainda podemos ver o Big Bang?
Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.
Se aconteceu há bilhões de anos, o que ainda está fazendo aqui?
Gostamos de admitir apenas o que já brilha, embora seja mais nobre sustentar o brilho antes que ele brilhe, não depois. – Dejan Stojanovic
Às vezes, as perguntas mais simples trazem as respostas mais profundas e nos dão a oportunidade de realmente nos aprofundarmos em como vemos o próprio tecido do Universo. Esta semana, depois de vasculhar seus perguntas e sugestões para a nossa coluna Ask Ethan, não poderia deixar passar a pergunta espetacular, mas direta, de Joseph McFarland, que quer saber:
Por que continuamos a detectar a radiação cósmica de fundo?
O fato de continuarmos a ver eternamente a radiação cósmica de fundo bilhões de anos depois que ela foi gerada é prova de inflação ou de que o universo deve ser curvado sobre si mesmo (ou seja, que é finito, mas ilimitado)?
Ou se nenhum destes são requisitos, então quais são as outras explicações?
Eu quero que você pense sobre a história do Universo.
Crédito da imagem: NASA / CXC / M.Weiss.
Em particular, eu quero que você pense por que é uma coisa tão notável que nós Faz detectar o Fundo de Microondas Cósmica. A história começa no momento do Big Bang, ou mais especificamente, no quente Big Bang .
Crédito da imagem: colaboração RHIC, Brookhaven, via http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11403 .
O Big Bang quente refere-se a uma época de cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, quando o Universo surgiu pela primeira vez de um estado inflacionário - um onde toda a energia nele era inerente ao próprio espaço - e foi convertida em matéria, antimatéria e radiação. Podemos pensar nisso como a inflação sendo um campo que está em um estado instável, como uma bola no topo de uma colina, que então rola por aquela colina e entra em um vale.
Enquanto a bola está no topo da colina, o próprio espaço se expande a uma taxa exponencial. Quando a bola rola no vale e começa a oscilar para frente e para trás, essa energia do espaço é convertida em matéria, antimatéria e radiação: um processo conhecido como reaquecimento .
Crédito da imagem: E. Siegel. A inflação termina quando a bola rola para o vale.
O Universo ainda continua a se expandir, mas por estar cheio de matéria, antimatéria e radiação, não mantém mais uma taxa de expansão muito grande por muito tempo. A taxa de expansão está ligada – na Relatividade Geral – à densidade de energia do Universo, ou quanta energia existe por unidade de volume.
Quando tudo o que você tinha era energia inerente ao próprio espaço, à medida que o Universo se expandia, você simplesmente fez mais espaço vazio , e a densidade de energia permaneceu a mesma. Mas agora que você tem coisas no Universo, elas se diluim (e ficam menos densas) à medida que o Universo se expande. No caso da radiação, o comprimento de onda da luz também se estende, razão pela qual o Universo não só fica menos denso, como também esfria com o passar do tempo.
Crédito das imagens: TAKE 27 LTD / Science Photo Library, via Natureza (L), Chris Palma de Penn State / Chaisson e McMillan, Astronomy (R).
À medida que o Universo se expande e esfria, de um ambiente incrivelmente quente, denso, uniforme, rapidamente expandindo para um estado frio, esparso, grumoso e de expansão lenta, um grande número de eventos importantes acontece:
- As simetrias fundamentais da natureza que são restauradas nas energias mais altas se quebram, dando origem a coisas como massas de partículas em repouso.
- O Universo esfria o suficiente para que os fótons parem de formar espontaneamente pares de matéria/antimatéria. O excesso de antimatéria se aniquila, deixando apenas 1 partícula de matéria por ~ 1.400.000.000 fótons.
- A força e a taxa de interação caem significativamente o suficiente para que os neutrinos parem de interagir com tudo o mais no Universo.
- A temperatura do fóton cai o suficiente para que os primeiros núcleos atômicos estáveis possam se formar sem serem imediatamente destruídos.
- A temperatura cai ainda mais - em cerca de outro fator de um milhão - para que os átomos neutros possam se formar de forma estável.
- E depois disso, as regiões superdensas crescem em estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, dando origem ao Universo que vemos hoje, enquanto a energia dos fótons continua a cair graças à expansão contínua.
Crédito da imagem: NASA/GSFC, via http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/universemashup/archive/pages/expanding_universe.html .
Esse penúltimo passo – aquele sobre os átomos se tornarem neutros – é onde o Fundo Cósmico de Microondas (CMB) se origina. Antes disso, os átomos estavam todos ionizados, o que significa que eram simplesmente núcleos carregados positivamente e elétrons livres, banhados em um mar de fótons. Mas os fótons têm uma seção transversal de espalhamento extremamente grande com os elétrons, o que significa que eles ricochetearam em torno de uma tremenda quantidade.
É somente quando o Universo esfriou o suficiente para se tornar neutro que os fótons parou vendo elétrons livres e começou a ver apenas átomos neutros e estáveis. Porque os átomos neutros só absorvem fótons em frequências muito particulares, e a maioria dos fótons que existem são não nessas frequências, esses átomos são efetivamente transparentes para todos os fótons que existem no Universo!
Crédito das imagens: Amanda Yoho, do plasma ionizado (L) antes da emissão do CMB, seguido pela transição para um Universo neutro (R) transparente aos fótons. Através da https://medium.com/starts-with-a-bang/the-smoking-gun-of-the-big-bang-b1d341a78cc0 .
Mas como o Universo está se expandindo e esfriando há tanto tempo, você pode pegar nossa localização no espaço e corrigi-la, e reconhecer um fato desconcertante: toda a luz do Big Bang nas regiões ao redor da nossa foi passando por nós , continuamente, para 13,8 bilhões de anos .
Todas as estrelas, galáxias, estrutura em grande escala, nuvens de gás e vazios cósmicos localizados a milhares, milhões, bilhões ou mesmo dezenas de bilhões de anos-luz de distância viram sua luz CMB passar por nós há eras e eras.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons O mesmo objetivo ; de uma visão logarítmica do Universo centrado na Terra.
No entanto - ao ponto da pergunta original de Joseph - nós ainda veja o CMB, que corresponde (hoje) a uma superfície a cerca de 45,3 bilhões de anos-luz de distância.
O fato de nós ainda ver o CMB nos diz algo muito importante: o Big Bang aconteceu em todos os lugares ao mesmo tempo em uma região do espaço que é pelo menos 45,3 bilhões de anos-luz de raio, visto da nossa perspectiva.
Crédito da imagem: EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA/WMAP.
E o fato de o CMB não ser apenas visível em todas as direções, mas ter uma temperatura uniforme em todas as direções nos diz – no contexto de um Universo inflacionário – que a quantidade que o Universo (observável) inflado deve tê-lo retirado de um tamanho inicial que era, no máximo , 10^-29 metros (ou menos de um trilionésimo de 1% do tamanho de um próton) e o fez crescer pelo menos um fator de 10.000.000.000.000.000.000.000.
A parte do Universo que vemos, hoje, como nosso Universo observável poderia ter sido menor do que aquela escala de 10^-29 metros, inicialmente, e a quantidade que a inflação cresceu naquele pedaço inicial de espaço poderia ter sido arbitrariamente maior que o fator de 10^22; não há limite superior para isso.
Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.
Então, quando olhamos para o Fundo Cósmico de Microondas, sua uniformidade e suas flutuações de pequena escala e baixa magnitude, e o fato de que não há regiões dele que sejam identificáveis umas com as outras (ou seja, que o Universo não não exibem uma topologia fechada), podemos concluir apenas com isso que o Big Bang deve ter ocorrido em todos os lugares ao mesmo tempo em uma grande região vista de nossa perspectiva.
No contexto da inflação — algo sabemos muito sobre – isso nos dá um limite inferior quanto à duração e escopo da inflação e o vincula ao nosso Universo observável. A razão pela qual o CMB ainda existe é porque o Big Bang, que surgiu no final da inflação, aconteceu em uma região incrivelmente grande do espaço, uma região que é pelo menos tão grande quanto onde observamos que o CMB ainda está. Com toda a probabilidade, essa região verdadeira é muito maior, e não só os observadores qualquer lugar no Universo vemos aproximadamente o mesmo CMB, mas que continuaremos a vê-lo (embora, desviado para o vermelho um pouco mais) arbitrariamente no futuro.
Crédito das imagens: usuários do Wikimedia Commons Theresa Knott e chris 論, modificado por mim (L); Equipe científica da NASA / COBE (R), DMR (topo) e FIRAS (abaixo).
Obrigado por uma ótima pergunta, Joseph, e obrigado a todos vocês por enviando uma grande seleção de perguntas e sugestões para Pergunte ao Ethan! As verdades do Universo estão escritas na face do próprio Universo, e estamos fazendo todo o possível para descobri-las!
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