Como provar o Big Bang com um aparelho de TV antigo
Se você tem um aparelho de TV antigo com antenas de 'orelha de coelho' e o configura no canal 03, essa estática de neve pode revelar o próprio Big Bang.- Uma das previsões mais loucas do Big Bang, que afirma que o Universo de hoje surgiu de um estado inicial, quente e denso, é que deve haver um banho de radiação remanescente de baixa energia permeando todo o espaço.
- Quando você calcula qual deveria ser o comprimento de onda dessa radiação hoje, muitos bilhões de anos depois, acaba sendo o correto interagir com as antenas de 'orelha de coelho' de um antigo aparelho de televisão.
- Se você ligar um aparelho de TV antigo para o canal 03, cerca de 1% dessa 'neve' estática que você vê se origina do próprio Big Bang, permitindo que você 'descubra' o Big Bang com um aparelho de TV antigo nas condições certas.
Quando se trata da questão de como nosso Universo veio a ser, a ciência estava atrasada no jogo. Por inúmeras gerações, foram filósofos, teólogos e poetas que pontificaram sobre a questão de nossas origens cósmicas. Mas tudo isso mudou no século 20, quando os desenvolvimentos teóricos, experimentais e observacionais em física e astronomia finalmente trouxeram essas questões para o reino da ciência testável.
Quando a poeira baixou, a combinação da expansão cósmica, a abundância primitiva dos elementos leves, a estrutura em grande escala do Universo e o fundo cósmico de micro-ondas combinaram-se para ungir o Big Bang como a origem quente, densa e em expansão do nosso Universo moderno. . Embora não tenha sido até meados da década de 1960 que o fundo cósmico de micro-ondas foi detectado, um observador cuidadoso poderia tê-lo detectado no mais improvável dos lugares: em um aparelho de televisão comum.
A pesquisa GOODS-North, mostrada aqui, contém algumas das galáxias mais distantes já observadas, muitas das quais já estão a mais de 30 bilhões de anos-luz de distância. O fato de que galáxias em distâncias diferentes exibem propriedades diferentes foi nossa primeira pista que nos levou à ideia do Big Bang, mas a evidência mais importante que o suporta não chegou até meados da década de 1960.Para entender como isso funciona, precisamos entender o que é o fundo cósmico de micro-ondas. Quando examinamos o Universo hoje, descobrimos que ele está repleto de galáxias: aproximadamente 2 trilhões delas que podemos observar, de acordo com as melhores estimativas modernas. As que estão por perto se parecem muito com as nossas, pois estão cheias de estrelas que são muito parecidas com as estrelas da nossa própria galáxia.
Isso é o que você esperaria se a física que governava essas outras galáxias fosse a mesma da nossa. Suas estrelas seriam feitas de prótons, nêutrons e elétrons, e seus átomos obedeceriam às mesmas regras quânticas que os átomos da Via Láctea obedecem. No entanto, há uma pequena diferença na luz que recebemos. Em vez das mesmas linhas espectrais atômicas que encontramos aqui em casa, a luz das estrelas em outras galáxias exibe transições atômicas que são deslocadas.
Cada elemento no Universo tem seu próprio conjunto único de transições atômicas que são permitidas, correspondendo a um determinado conjunto de linhas espectrais. Podemos observar essas linhas em galáxias diferentes da nossa, mas embora o padrão seja o mesmo, as linhas que observamos são sistematicamente deslocadas em relação às linhas que criamos com átomos na Terra.Essas mudanças são únicas para cada galáxia em particular, mas todas seguem um padrão específico: quanto mais distante uma galáxia estiver (em média), maior será a quantidade de suas linhas espectrais deslocadas em direção à parte vermelha do espectro. Quanto mais longe olhamos, maiores são as mudanças que vemos.
Embora houvesse muitas explicações possíveis para essa observação, ideias diferentes dariam origem a diferentes assinaturas observáveis específicas. A luz pode estar se espalhando pela matéria intermediária, o que a avermelharia, mas também a desfocaria, mas as galáxias distantes parecem tão nítidas quanto as próximas. A luz poderia ser deslocada porque essas galáxias estavam se afastando de uma explosão gigante, mas, se assim fosse, elas seriam mais esparsas quanto mais nos afastamos, mas a densidade do Universo permanece constante. Ou o próprio tecido do espaço pode estar se expandindo, onde as galáxias mais distantes simplesmente têm a mudança de luz em maiores quantidades à medida que viaja por um Universo em expansão.
As observações originais de 1929 da expansão do Universo pelo Hubble, seguidas por observações subsequentemente mais detalhadas, mas também incertas. O gráfico de Hubble mostra claramente a relação redshift-distância com dados superiores aos seus predecessores e concorrentes; os equivalentes modernos vão muito mais longe. Observe que velocidades peculiares sempre permanecem presentes, mesmo em grandes distâncias, mas que a tendência geral relacionada à distância ao redshift é o efeito dominante.Este último ponto acabou por estar de acordo com as nossas observações e ajudou-nos a compreender que era o próprio tecido do espaço que se expandia à medida que o tempo avançava. A razão pela qual a luz fica mais vermelha quanto mais longe olhamos é devido ao fato de que o Universo se expandiu ao longo do tempo, e a luz dentro desse Universo tem seu comprimento de onda esticado pela expansão. Quanto mais tempo a luz estiver viajando, maior será o desvio para o vermelho devido à expansão.
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!À medida que avançamos no tempo, a luz emitida é deslocada para comprimentos de onda maiores, que têm temperaturas mais baixas e energias menores. Mas isso significa que, se vermos o Universo da maneira oposta — imaginando-o mais distante no tempo — veríamos luz com comprimentos de onda menores, com temperaturas mais altas e energias maiores. Quanto mais para trás você extrapolar, mais quente e mais energética essa radiação deve ficar.
Embora tenha sido um salto teórico de tirar o fôlego, os cientistas (começando com George Gamow na década de 1940) começaram a extrapolar essa propriedade cada vez mais longe, até que um limiar crítico de alguns milhares de Kelvin foi alcançado. Nesse ponto, o raciocínio foi, a radiação presente seria energética o suficiente para que alguns dos fótons individuais pudessem ionizar átomos de hidrogênio neutros: o bloco de construção das estrelas e o conteúdo primário do nosso Universo.
Quando você fazia a transição de um Universo que estava acima desse limite de temperatura para um que estava abaixo dele, o Universo passaria de um estado cheio de núcleos e elétrons ionizados para um estado cheio de átomos neutros. Quando a matéria é ionizada, ela dispersa a radiação; quando a matéria é neutra, a radiação passa direto por esses átomos. Essa transição marca um momento crítico no passado do nosso Universo, se essa estrutura estiver correta.
A realização espetacular desse cenário é que isso significa que hoje, essa radiação teria esfriado de alguns milhares de Kelvin para apenas alguns graus acima do zero absoluto, já que o Universo deve ter se expandido em qualquer lugar de um fator de centenas a alguns milhares desde aquela época. Deve permanecer até hoje como pano de fundo vindo de todas as direções do espaço. Deve ter um conjunto específico de propriedades espectrais: uma distribuição de corpo negro. E deve ser detectável em algum lugar na faixa de micro-ondas a frequências de rádio.
Lembre-se de que a luz, como a conhecemos, é muito mais do que apenas a parte visível à qual nossos olhos são sensíveis. A luz vem em uma variedade de comprimentos de onda, frequências e energias, e um Universo em expansão não destrói a luz, simplesmente a move para comprimentos de onda mais longos. O que era luz ultravioleta, visível e infravermelha há bilhões de anos se torna luz de microondas e rádio à medida que o tecido do espaço se estende.
Não foi até a década de 1960 que uma equipe de cientistas procurou realmente detectar e medir as propriedades dessa radiação teórica. Em Princeton, Bob Dicke, Jim Peebles (quem ganhou Prêmio Nobel de 2019 ), David Wilkinson e Peter Roll planejavam construir e pilotar um radiômetro capaz de buscar essa radiação, com a intenção de confirmar ou refutar essa previsão até então não testada do Big Bang.
Mas eles nunca tiveram a chance. A 48 quilômetros de distância, dois cientistas estavam usando um novo equipamento — uma antena de rádio gigante, ultrassensível, em forma de chifre — e não conseguiam calibrá-lo repetidamente. Enquanto os sinais emergiam do Sol e do plano galáctico, havia um ruído omnidirecional do qual eles simplesmente não conseguiam se livrar. Estava frio (~3 K), estava em todos os lugares e não foi um erro de calibração. Após a comunicação com a equipe de Princeton, eles perceberam o que era: era o brilho restante do Big Bang.
Posteriormente, os cientistas passaram a medir a totalidade da radiação associada a esse sinal cósmico de fundo em micro-ondas e determinaram que, de fato, correspondia às previsões do Big Bang. Em particular, seguiu uma distribuição de corpo negro, atingiu o pico de 2,725 K, estendeu-se às porções de microondas e rádio do espectro e é perfeitamente uniforme em todo o Universo com precisão superior a 99,99%.
Se tivermos uma visão moderna das coisas, sabemos agora que a radiação cósmica de fundo em micro-ondas - a radiação que confirmou o Big Bang e nos fez rejeitar todas as alternativas - poderia ter sido detectada em qualquer uma das várias bandas de comprimento de onda, se apenas os sinais foram recolhidos e analisados com vista à sua identificação.
Notavelmente, um dispositivo simples, mas onipresente, começou a aparecer em lares de todo o mundo, particularmente nos Estados Unidos e na Grã-Bretanha, nos anos imediatamente após a Segunda Guerra Mundial: o aparelho de televisão.
A forma como uma televisão funciona é relativamente simples. Uma poderosa onda eletromagnética é transmitida por uma torre, onde pode ser recebida por uma antena de tamanho adequado e orientada na direção correta. Essa onda tem sinais adicionais sobrepostos a ela, correspondendo às informações de áudio e visual que foram codificadas. Ao receber essas informações e traduzi-las para o formato adequado (alto-falantes para produzir som e raios catódicos para produzir luz), pela primeira vez pudemos receber e desfrutar da programação de transmissão no conforto de nossas próprias casas. Diferentes canais transmitidos em diferentes comprimentos de onda, dando aos espectadores várias opções simplesmente girando um dial.
A menos que você tenha girado o dial para o canal 03.
O canal 03 era — e se você pode desenterrar um aparelho de televisão antigo, ainda é — simplesmente um sinal que nos parece “estático” ou “neve”. Essa “neve” que você vê na sua televisão vem de uma combinação de todos os tipos de fontes:
- ruído térmico do aparelho de televisão e seu ambiente circundante,
- transmissões de rádio feitas pelo homem,
- o sol,
- buracos negros,
- e todos os tipos de outros fenômenos astrofísicos direcionais como pulsares, raios cósmicos e muito mais.
Mas se você pudesse bloquear todos esses outros sinais, ou simplesmente levá-los em consideração e subtraí-los, um sinal ainda permaneceria. Seria apenas cerca de 1% do sinal total de “neve” que você vê, mas não haveria como removê-lo. Quando você assiste ao canal 03, 1% do que está assistindo vem do brilho remanescente do Big Bang. Você está literalmente observando o fundo cósmico de micro-ondas.
Se você quisesse realizar o experimento final imaginável, poderia alimentar um aparelho de televisão do tipo orelha de coelho no lado mais distante da Lua, onde seria protegido de 100% dos sinais de rádio da Terra. Além disso, pela metade do tempo em que a Lua experimentou a noite, ela também estaria protegida do complemento total da radiação do Sol. Quando você ligava a televisão e a colocava no canal 03, ainda veria um sinal de neve que simplesmente não parava, mesmo na ausência de sinais transmitidos.
Essa pequena quantidade de estática não pode ser eliminada. Não mudará em magnitude ou caráter de sinal conforme você altera a orientação da antena. A razão é absolutamente notável: é porque esse sinal vem do próprio fundo cósmico de micro-ondas. Simplesmente extraindo as várias fontes responsáveis pela estática e medindo o que resta, qualquer pessoa a partir da década de 1940 poderia ter detectado a radiação cósmica de fundo em casa, provando o Big Bang décadas antes dos cientistas.
Em um mundo onde os especialistas dizem repetidamente “Não tente isso em casa”, essa é uma tecnologia perdida que não devemos esquecer. Dentro as fascinantes palavras de Virginia Trimble , 'Prestar atenção. Algum dia, você será o último que se lembrará.”
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