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CONFIRMADO: A última grande previsão do Big Bang!

Crédito da imagem: Ken Crawford no Observatório Rancho Del Sol, via RC Optical Systems em http://gallery.rcopticalsystems.com/gallery/ngc7331_stephans.html.

Um brilho remanescente diferente de qualquer outro – de neutrinos – finalmente foi visto.

Quando você vê como a vida pode ser frágil e delicada, tudo o mais fica em segundo plano. – Jenna Morasca

Setenta anos atrás, demos passos fascinantes em nossa concepção do Universo. Em vez de viver em um universo governado por espaço absoluto e tempo absoluto, vivíamos em um onde espaço e tempo eram relativos, dependendo do observador. Não vivíamos mais em um universo newtoniano, mas sim em um universo governado pela relatividade geral, onde matéria e energia fazem com que o próprio tecido do espaço-tempo se curve.

E graças às observações do Hubble e outros, aprendemos que nosso Universo não era estático, mas estava se expandindo ao longo do tempo, com as galáxias se afastando cada vez mais à medida que o tempo passava.

Crédito da imagem: Take 27 Limited / Science Photo Library.

Mas em 1945, George Gamow deu talvez o maior salto de todos: o grande salto para trás . Se o Universo estivesse se expandindo hoje, com todos os objetos não ligados se afastando uns dos outros, então talvez isso significasse que todos esses objetos estavam mais próximos no passado. Talvez o Universo em que vivemos hoje tenha evoluído de um estado mais denso há muito tempo. Talvez a gravitação tenha aglomerado e agrupado o Universo ao longo do tempo, enquanto era mais uniforme e uniforme no passado distante. E talvez - uma vez que a energia da radiação está ligada ao seu comprimento de onda - essa radiação era mais energética no passado e, portanto, o Universo foi mais quente muito tempo atras.

Crédito da imagem: E. Siegel.

E se esse fosse o caso, isso trouxe um conjunto incrivelmente interessante de eventos à medida que olhamos cada vez mais para o passado:

• Houve um tempo antes da formação de grandes galáxias, onde apenas pequenas proto-galáxias e aglomerados de estrelas surgiram.
• Antes disso, houve um tempo antes que o colapso gravitacional se formasse algum estrelas, e tudo estava escuro: apenas átomos primitivos e radiação de baixa energia.
• Antes disso, a radiação era tão energética que poderia arrancar elétrons dos próprios átomos, criando um plasma ionizado de alta energia.
• Ainda antes disso, a radiação atingiu níveis tais que até mesmo núcleos atômicos seriam explodidos, criando prótons e nêutrons livres e proibindo a existência de elementos pesados.
• E, finalmente, em épocas ainda mais antigas, a radiação teria tanta energia que - por meio do pensamento de Einstein E = mc^2 — pares de matéria e antimatéria seriam criados espontaneamente.

Esta imagem faz parte do que é conhecido como o Big Bang quente e faz uma série de previsões.

Ilustração: NASA/CXC/M.Weiss.

Cada uma dessas previsões, como um Universo em expansão uniforme cuja taxa de expansão foi mais rápida no passado, uma previsão sólida para as abundâncias relativas dos elementos leves hidrogênio, hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio, e mais famosa, o estrutura e propriedades de aglomerados e filamentos de galáxias nas maiores escalas, e a existência do brilho remanescente do Big Bang - o fundo cósmico de microondas - foi confirmado ao longo do tempo. Foi a descoberta desse brilho remanescente em meados da década de 1960, de fato, que levou à aceitação esmagadora do Big Bang e fez com que todas as outras alternativas fossem descartadas como inviáveis.

Crédito da imagem: Revista LIFE, de Arno Penzias e Bob Wilson com a Antena Holmdel Horn, que detectou o CMB pela primeira vez.

Mas havia outra previsão sobre a qual não falamos muito, porque se pensava que não era testável. Você vê, fótons – ou quanta de luz – não são a única forma de radiação neste Universo. Quando todas as partículas estão voando com tremendas energias, colidindo umas com as outras, criando e aniquilando à toa, outro tipo de partícula (e antipartícula) também é criado em grande abundância: o neutrino . Hipotetizados em 1930 para explicar a falta de energia em alguns decaimentos radioativos, os neutrinos (e antineutrinos) foram detectados pela primeira vez na década de 1950 em torno de reatores nucleares e, mais tarde, do Sol, de supernovas e de outras fontes cósmicas.

Mas os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar, e são cada vez mais difíceis de detectar quanto mais baixas forem suas energias. Isso é um problema.

Crédito da imagem: COBE / FIRAS, grupo de George Smoot na LBL .

Você vê, quando chegamos aos dias atuais, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) está apenas a 2,725 K, menos de três graus acima do zero absoluto. Embora isso tenha sido tremendamente energético no passado, o Universo se esticou e se expandiu tanto ao longo de sua história de 13,8 bilhões de anos que isso é tudo o que nos resta hoje. Para os neutrinos, o problema é ainda pior: porque eles param de interagir com todas as outras partículas do Universo quando se trata apenas de um segundo após o Big Bang, eles têm ainda menos energia por partícula do que os fótons, já que os pares elétron/pósitron ainda estão por aí naquele momento. Como resultado, o Big Bang faz uma previsão muito explícita:

• Deve haver um fundo cósmico de neutrinos (CNB) que é exatamente (4/11)^(1/3) da temperatura de fundo cósmico de microondas (CMB).

Isso resulta em ~ 1,95 K para o CNB, ou energias por partícula no ~ 100-200 micro faixa de -eV. Esta é uma tarefa difícil para nossos detectores, porque o neutrino de menor energia que já vimos está no mega faixa de -eV.

Crédito da imagem: colaboração IceCube / NSF / University of Wisconsin, via https://icecube.wisc.edu/masterclass/neutrinos . Observe a enorme diferença entre as energias do CNB e todos os outros neutrinos.

Então, por muito tempo, assumiu-se que o CNB seria simplesmente uma previsão não testável do Big Bang: muito ruim para todos nós. No entanto, com nossas observações incríveis e precisas das flutuações no fundo dos fótons (o CMB), havia uma chance. Graças ao satélite Planck, medimos as imperfeições no brilho remanescente do Big Bang.

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Inicialmente, essas flutuações tinham a mesma força em todas as escalas, mas graças à interação da matéria normal, matéria escura e fótons, há picos e vales nessas flutuações. As posições e níveis desses picos e vales nos dão informações importantes sobre o conteúdo de matéria, conteúdo de radiação, densidade de matéria escura e curvatura espacial do Universo, incluindo a densidade de energia escura.

Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint.

Há também um efeito muito, muito sutil: os neutrinos, que representam apenas uma pequena porcentagem da densidade de energia nesses primeiros tempos, podem mudar sutilmente o fases desses picos e vales. Esta mudança de fase - E se detectável - forneceria não apenas fortes evidências da existência do fundo de neutrinos cósmicos, mas também permite-nos medir a sua temperatura , colocando o Big Bang à prova de uma maneira totalmente nova.

Crédito da imagem: Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea e Zhen PanPhys. Rev. Lett. 115 , 091301 — Publicado em 26 de agosto de 2015.

No mês passado, um artigo de Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea e Zhen Pan saiu, detectando esta mudança de fase pela primeira vez. A partir dos dados publicamente disponíveis de Planck (2013), eles conseguiram não apenas detectá-lo definitivamente, mas também usar esses dados para confirmar que existem três tipos de neutrinos - as espécies de elétron, múon e tau - no Universo: nem mais, nem menos.

Crédito da imagem: Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea e Zhen PanPhys. Rev. Lett. 115 , 091301 — Publicado em 26 de agosto de 2015.

O que é incrivelmente promissor sobre isso é que há é uma mudança de fase vista, e que quando os espectros de polarização do Planck forem divulgados e se tornarem publicamente disponíveis, eles não apenas nos permitirão restringir ainda mais a mudança de fase, mas - como anunciado pelo cientista do Planck Martin White na reunião da AAS em janeiro de este ano - eles finalmente nos permitirão determinar qual é a temperatura deste Fundo de Neutrino Cósmico!

Este fundo de neutrinos está definitivamente lá; os dados de flutuação nos dizem que deve ser assim. Definitivamente tem os efeitos que sabemos que deve ter; essa mudança de fase é uma descoberta totalmente nova, detectada pela primeira vez neste artigo. E assim que a equipe do Planck liberar seus dados/espectros de polarização completos, poderemos determinar – finalmente – se a imagem padrão do Big Bang está correta dessa maneira final: em termos de temperatura.

Dois graus acima do zero absoluto nunca foi tão quente.

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