• Começa Com Um Estrondo

Nosso Universo é normal! Sua maior anomalia, o ponto frio da CMB, agora é explicada

Quando exibido em uma esfera celestial, o ponto frio da CMB pode ser visto como correspondendo ao supervazio de Eridanus, mas a extensão e profundidade total do vazio está apenas começando a ser quantificada hoje. É plausível que a razão pela qual esse ponto seja tão frio seja devido à influência gravitacional do supervazio encolhido ao longo do tempo. (Crédito: Piquito veloz/Celestia)

• Nas maiores escalas, supõe-se que o Universo seja isotrópico e homogêneo: o mesmo em todos os lugares e em todas as direções.
• Como o Universo tem pequenas imperfeições de 1 parte em 30.000 impressas nele, esperamos ver um padrão de pontos frios e quentes na radiação remanescente do Big Bang: o Fundo Cósmico de Microondas.
• Mas um ponto no Universo, chamado de 'ponto frio CMB', é uma anomalia que não conseguimos explicar. Enfim, tudo se encaixou.

Desde a descoberta do Fundo de Microondas Cósmica (CMB) há quase 60 anos, os cientistas têm procurado por uma dica – qualquer dica – de uma rachadura na fachada do Big Bang quente. A cada passo ao longo do caminho, à medida que nossos instrumentos se tornavam mais sensíveis e nosso alcance observacional se estendia mais do que nunca, as previsões do Big Bang foram confirmadas de maneira espetacular, uma após a outra.

A expansão do Universo e como essa expansão mudou ao longo do tempo foi medida e considerada precisamente consistente com o Universo em expansão previsto pela cosmologia física. O espectro do CMB foi medido, confirmando que era o corpo negro mais perfeito já visto no Universo. As abundâncias cósmicas iniciais dos elementos leves e seus isótopos foram determinados e encontrados em concordância direta com as previsões da nucleossíntese do Big Bang. E a formação de estrutura em larga escala e o crescimento da teia cósmica coincidiram com as previsões do Big Bang sem exceção.

Mas com os lançamentos do WMAP e do Planck, as imperfeições em pequena escala no CMB foram medidas, e uma anomalia se destacou: um ponto frio que simplesmente não podia ser explicado com base no Universo que conhecíamos. Afinal, esse mistério pode finalmente ser resolvido , já que o culpado foi finalmente identificado: o maior supervazio no Universo próximo . Se essa pesquisa se confirmar, ela nos ensina que nosso Universo é normal, afinal, e que o ponto frio da CMB não é uma anomalia.

As flutuações iniciais que foram impressas em nosso universo observável durante a inflação podem entrar em ação apenas no nível de ~ 0,003%, mas essas pequenas imperfeições levam às flutuações de temperatura e densidade que aparecem no fundo cósmico de micro-ondas e que semeiam a estrutura em grande escala que existe hoje. Medir o CMB em uma variedade de locais cósmicos seria a única maneira viável de separar o dipolo intrínseco do CMB daquele induzido pelo nosso movimento através do Universo. ( Crédito : Chris Blake e Sam Moorfield)

O fato de o CMB ser tão perfeito é, por si só, uma maravilha moderna do Universo. Para onde quer que olhemos, em todas as direções, é fácil ver o quão diferente o Universo é de um lugar para outro. Algumas regiões do espaço são extremamente ricas em estrutura, com dezenas, centenas ou mesmo milhares de grandes galáxias, todas reunidas na mesma estrutura gravitacionalmente ligada. Outros locais têm galáxias, mas estão relativamente esparsamente localizadas em pequenos agrupamentos e coleções espalhadas pelo espaço. Ainda outros lugares têm apenas galáxias isoladas. Nos locais menos densos, não há galáxias encontradas para volumes que abrangem dezenas ou mesmo centenas de milhões de anos-luz de lado.

E, no entanto, a teoria do Big Bang vem com uma previsão inextricável: que nos estágios iniciais do Big Bang quente, o Universo deve ter sido tanto isotrópico, ou o mesmo em todas as direções, quanto homogêneo, ou o mesmo em todas as direções. locais, com um tremendo grau de precisão. Ele só pode surgir com pequenas imperfeições minúsculas, ou regiões de densidade ligeiramente maior ou menor que a média. É apenas por causa da tremenda quantidade de tempo cósmico que passa – e da natureza implacavelmente atraente da força gravitacional – que temos um Universo rico e cheio de estrutura hoje.

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. As distribuições de matéria normal (à esquerda) e matéria escura (à direita) podem afetar uma à outra, assim como coisas como formação de estrelas e feedback podem afetar a matéria normal, que por sua vez exerce efeitos gravitacionais sobre a matéria escura. As flutuações superdensas e subdensas da semente permitiram que essa teia cósmica de estrutura surgisse. ( Crédito : Colaboração Ilustre / Simulação Ilustre)

O Fundo Cósmico de Microondas foi descoberto em meados da década de 1960, e os primeiros objetivos eram:

• medir a quantidade de radiação emitida em diferentes frequências,
• medir o pico de sua temperatura,
• determinar se era realmente um corpo negro perfeito, como previsto, ou se era melhor aproximado como a soma de uma série de corpos negros (que é uma propriedade da luz das estrelas),
• para descobrir a natureza da emissão interferente de nossa galáxia,
• e para testar se realmente tinha as mesmas propriedades em todos os lugares e em todas as direções.

Com o tempo, fomos capazes de refinar nossas medições. Inicialmente, o CMB foi anunciado em 3,5 K, que foi revisado para 3 K, depois 2,7 K e, um pouco mais tarde, um terceiro número significativo foi adicionado: 2,73 K. Em meados da década de 1970, uma pequena , uma imperfeição de 1 parte em 800 foi descoberta: um artefato de nosso próprio movimento através do Universo.

Não foi até a década de 1990 que as primeiras imperfeições primordiais foram encontradas, chegando ao nível de 1 parte em 30.000. Por fim, tivemos a evidência observacional para não apenas confirmar uma origem consistente com o Big Bang para o CMB, mas para medir com que tipo de imperfeições o próprio Universo começou.

COBE, o primeiro satélite CMB, mediu flutuações em escalas de apenas 7º. O WMAP foi capaz de medir resoluções de até 0,3° em cinco bandas de frequência diferentes, com o Planck medindo até apenas 5 minutos de arco (0,07°) em nove bandas de frequência diferentes no total. Todos esses observatórios espaciais detectaram o Fundo de Microondas Cósmica, confirmando que não era um fenômeno atmosférico e que tinha uma origem cósmica. ( Crédito : NASA/COBE/DMR; equipe científica da NASA/WMAP; ESA e a colaboração do Planck)

Veja bem, o Big Bang quente, embora tenha sido o início do nosso Universo observável como o conhecemos, não foi o muito começo de tudo . Existe uma teoria que existe desde o início dos anos 80 – inflação cósmica – que postula um conjunto de propriedades que o Universo possuía antes do início do Big Bang quente. De acordo com a inflação:

• o Universo não estava cheio de matéria ou radiação, mas uma nova forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço,
• essa energia fez com que o Universo se expandisse em um ritmo rápido e implacável,
• esticando uma região do espaço não maior que o comprimento de Planck para maior que a escala do Universo observável algo como a cada ~ 10^-32segundos,
• e então a inflação termina, despejando essa energia inerente ao espaço em partículas (e antipartículas) pela primeira vez, desencadeando as condições quentes, densas, uniformes, mas em rápida expansão que identificamos com o Big Bang quente.

A única razão pela qual o Universo não é perfeitamente, absolutamente uniforme em todos os lugares é porque as pequenas flutuações inerentes à física quântica, durante essa época de rápida expansão, podem se estender por todo o Universo, criando as sementes superdensas e subdensas da estrutura. A partir dessas flutuações iniciais de sementes, toda a estrutura em grande escala do Universo pode surgir.

Os pontos frios (mostrados em azul) na CMB não são inerentemente mais frios, mas representam regiões onde há uma maior atração gravitacional devido a uma maior densidade de matéria, enquanto os pontos quentes (em vermelho) são apenas mais quentes porque a radiação em aquela região vive em um poço gravitacional mais raso. Com o tempo, as regiões superdensas terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto as regiões subdensas terão menos probabilidade de fazê-lo. No entanto, o ponto frio CMB é anormalmente frio, inconsistente com uma origem na superfície de último espalhamento. (Crédito: E.M. Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

De acordo com a teoria da inflação, deve haver um conjunto muito específico de flutuações com as quais o Universo começa no início do Big Bang quente. Em particular:

• as flutuações devem ser gaussianas, o que significa que devem seguir uma distribuição semelhante à curva de Bell em torno de alguma média,
• eles devem ter aproximadamente a mesma amplitude em todas as escalas, com escalas cósmicas maiores tendo flutuações ligeiramente maiores por apenas alguns por cento do que as menores,
• essas flutuações devem ser adiabáticas (com entropia constante) na natureza, com nenhuma delas sendo isocurvatura (a outra opção) na natureza,
• e que, à medida que o Universo se expande, essas flutuações devem começar a entrar em colapso gravitacional primeiro em pequenas escalas, com escalas maiores apenas alcançando quando o horizonte cósmico crescer até um certo tamanho.

Todas essas previsões foram confirmadas e confirmadas por observações, algumas dentro dos limites de nossa precisão de medição e outras de forma bastante espetacular.

As oscilações do CMB são baseadas em oscilações primordiais produzidas pela inflação. Em particular, a “parte plana” em grandes escalas (à esquerda) não tem explicação sem inflação. A linha plana representa as sementes das quais o padrão de pico e vale emergirá ao longo dos primeiros 380.000 anos do Universo, e é apenas alguns por cento mais baixo no lado direito (pequena escala) do que no lado esquerdo (grande escala). lado. ( Crédito : equipe científica da NASA/WMAP)

No entanto, sempre vale a pena procurar por anomalias, pois por mais que suas previsões concordem com a realidade, você deve sempre antecipar, esperando descobrir algo inesperado. Afinal, é a única maneira de descobrir algo novo: olhando como nunca antes. Se você tem previsões e expectativas específicas sobre como será o seu Universo, então qualquer coisa que desafie suas expectativas vale – no mínimo – uma segunda olhada.

Talvez a característica remanescente mais incomum que vemos no céu de micro-ondas, uma vez que subtraímos o efeito da Via Láctea, é o fato de que há um ponto frio que não se alinha com essas explicações teóricas. Depois de quantificarmos os tipos e escalas de flutuações de temperatura que deveriam existir, podemos correlacioná-los e ver como as flutuações em escalas menores e maiores devem estar relacionadas.

Em uma região específica do espaço, descobrimos que há um ponto frio muito profundo: cerca de 70 microkelvin abaixo da temperatura média em uma escala angular relativamente grande. Além disso, esse ponto frio parece estar cercado por uma região mais quente que a média, tornando-a ainda mais anômala. Para muitos, o ponto frio na CMB representava um desafio potencial à inflação e ao modelo cosmológico padrão, pois não faria sentido se o Universo nascesse de alguma forma com essa região de temperatura anormalmente baixa.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. É um exemplo espetacular de como a natureza quântica da realidade afeta todo o universo em grande escala. ( Crédito : E. Siegel; ESA/Planck e a Força-Tarefa Interagências DOE/NASA/NSF em pesquisa CMB)

É importante reconhecer de onde vêm essas flutuações de temperatura em primeiro lugar. O Universo, mesmo no início do Big Bang quente, realmente tem exatamente a mesma temperatura em todos os lugares. A coisa que é diferente de local para local é a densidade do Universo, e este é o componente que tem essas imperfeições de 1 parte em 30.000, impressas pela inflação. A razão pela qual observamos que o Universo possui temperaturas diferentes em diferentes regiões do espaço é por causa do fenômeno do redshift gravitacional: a matéria curva o espaço, e onde o espaço é mais severamente curvo, a luz tem que perder mais energia para sair desse potencial gravitacional bem . Na comunidade astrofísica, isso é conhecido como o efeito Sachs-Wolfe , e é a principal causa das diferenças de temperatura que observamos no CMB.

Mas há outro efeito mais sutil: o efeito Sachs-Wolfe integrado . À medida que a estrutura se forma no Universo, à medida que a gravitação reúne mais e mais massa, à medida que os aglomerados crescem e os vazios se formam, e à medida que as proporções relativas de radiação, matéria e energia escura mudam uma em relação à outra, os efeitos gravitacionais da viagem para dentro uma certa região do espaço não é necessariamente igual aos efeitos gravitacionais de viajar de essa mesma região do espaço mais tarde. O Universo evolui, as estruturas se formam e se tornam mais ricas em matéria em algumas áreas e mais pobres em matéria em outras, e qualquer luz que passa por essas regiões é afetada.

Quando vemos um ponto quente, um ponto frio ou uma região de temperatura média no CMB, a temperatura diferente que vemos normalmente corresponde a uma região subdensa, superdensa ou de densidade média no momento em que o CMB foi emitido: apenas 380.000 anos após o Big Bang. Esta é uma consequência do efeito Sachs-Wolfe. ( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)

Imagine, se quiser, que você tem duas regiões diferentes do espaço: uma superdensidade em grande escala (como um superaglomerado) e uma subdensidade em grande escala (como um grande vazio cósmico). Agora, imagine, assim como em nosso Universo real, você tem alguma forma de energia escura: um componente do Universo que se comporta de maneira diferente da matéria e não se dilui em densidade à medida que o Universo se expande. Agora, vamos imaginar o que acontece quando o fóton, viajando pelo espaço, encontra uma grande superdensidade ou uma grande subdensidade.

• À medida que o fóton começa a ver essa superdensidade (subdensidade), ele ganha (perde) energia à medida que viaja de uma região média do espaço para a nova região que se afasta significativamente da densidade média.
• Mas devido à energia escura, o poço de potencial gravitacional (corcova), seja positivo ou negativo, se alonga e fica mais raso, e o faz à medida que o fóton viaja através dele.
• Como resultado, quando o fóton sai da região superdensa (subdensa), ele perde (ou recupera) uma quantidade menor de energia do que ganhou (perdeu) quando entrou naquela região.

Se algo parece anormalmente frio na CMB, pode ser porque há algo errado com nosso modelo do Universo; essa é, obviamente, a opção mais interessante. Mas também pode ser, simplesmente, porque há um grande vazio cósmico nesse local, e esse vazio ficou mais raso à medida que a luz o atravessava por causa da energia escura.

O ponto frio anômalo da CMB, visto por Planck, é incomum não apenas por sua frieza e extensão, mas pelo fato de ser cercado por uma região quente por todos os lados. Esta característica intrigante pode ser explicada pela recente descoberta de um novo supervazio próximo na constelação de Eridanus. ( Crédito : A. Kovács et al., 2021, MNRAS)

Agora, aqui é onde a ideia se torna testável: você não pode apontar para um vazio que está muito longe ao longo da linha de visão para explicá-lo, porque a energia escura só se torna importante para a expansão do Universo nos últimos 6 bilhões de anos ou assim. Se existe ao longo desta linha de visão, deve estar mais perto, no momento, de 7,5 bilhões de anos-luz.

Então, o que encontramos quando saímos e olhamos?

Isso e onde os últimos resultados do Dark Energy Survey Os cientistas foram capazes de confirmar que, sim, há um supervazio lá, e pode ter um efeito Sachs-Wolfe integrado de amplitude muito maior que uma subdensidade típica. Embora algumas subdensidades tenham sido encontradas anteriormente em distâncias maiores, cerca de 6 a 10 bilhões de anos-luz de distância, elas foram determinadas como responsáveis ​​por não mais que ~ 20% do efeito. No entanto, um estudo de 2015 revelou um supervazio próximo exatamente nessa direção precisa: 1,9 bilhão de anos-luz de distância e cerca de 0,5-1,0 bilhão de anos-luz de diâmetro. O estudo mais recente que confirma este vazio e mede suas propriedades, descobre que é o maior supervazio que existe desde o início do domínio da energia escura. O estudo sugere – mas ainda não prova – que existe uma relação causal entre esse supervazio tardio e o ponto frio no CMB.

O Cold Spot reside na constelação de Eridanus no hemisfério sul galáctico. A inserção mostra o mapa de temperatura de micro-ondas deste pedaço do céu, conforme mapeado pelo satélite Planck da Agência Espacial Européia. A figura principal mostra o mapa da distribuição da matéria escura criado pela equipe Dark Energy Survey. Observe como o grande supervazio coincide completamente com o ponto frio da CMB. ( Crédito : Gergö Kránicz e András Kovács)

Existem muitas maneiras diferentes de mapear a estrutura em grande escala do Universo: desde contagens de galáxias até lentes gravitacionais até o impacto geral que a estrutura tem na luz de fundo emitida por vários desvios para o vermelho. Neste caso em particular, foi a construção de um mapa de lentes gravitacionais que confirmou a presença deste supervazio, que por acaso é a grande região mais vazia do espaço em nosso canto próximo do Universo. Não podemos dizer com certeza que esse supervazio explique toda a extensão do ponto frio da CMB, mas parece cada vez mais provável que, uma vez que a presença do supervazio seja levada em consideração, o que resta não é mais anômalo do que qualquer outra região típica de o céu.

A maneira como diremos com certeza, é claro, é através de imagens melhores, mais profundas e de alta resolução dessa região relativamente grande do céu, que se estende por cerca de 40 graus quadrados. Com o Missão Euclides da ESA prestes a ser lançado no próximo ano, em 2023, e com o Observatório Vera Rubin e o Telescópio Romano Nancy Grace da NASA previstos para entrar em operação nos próximos anos, os dados críticos estarão em breve em nossas mãos. Depois de quase duas décadas nos perguntando o que poderia ter causado o ponto frio da CMB, finalmente temos nossa resposta: o maior supervazio no Universo próximo. Tudo o que precisamos é uma confirmação robusta do que os dados atuais indicam fortemente, e este será mais um desafio cósmico ao qual nosso modelo cosmológico padrão é perfeitamente capaz de superar.

Compartilhar: