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É assim que sabemos que o fundo de microondas cósmico vem do Big Bang

O brilho remanescente do Big Bang, o CMB, não é uniforme, mas tem pequenas imperfeições e flutuações de temperatura na escala de algumas centenas de microkelvin. Embora isso desempenhe um grande papel nos últimos tempos, após o crescimento gravitacional, é importante lembrar que o Universo inicial e o Universo em grande escala hoje são apenas não uniformes em um nível inferior a 0,01%. O Planck detectou e mediu essas flutuações com maior precisão do que nunca. (COLABORAÇÃO ESA/PLANCK)

Se tudo o que você vê é luz de baixa energia em uma infinidade de direções, você não pode ter certeza. Mas essa luz vem do Big Bang.

Há muitas coisas que geram um sinal observável no Universo. Astronomicamente, a principal maneira pela qual procuramos esses sinais é através de alguma forma de luz. Ou o fenômeno físico sobre o qual estamos tentando aprender gera alguma forma de luz, que coletamos com um telescópio ou outro instrumento, ou absorve a luz, o que significa que há uma lacuna em um sinal de fundo previsível.

Mas muitos sinais parecem semelhantes e, muitas vezes, o que atribuímos a uma fonte acaba sendo o resultado de um processo muito diferente. Uma das acusações feitas por aqueles que não acreditam no Big Bang é que existem muitas maneiras possíveis de gerar o fundo de radiação cósmica que está apenas alguns graus acima do zero absoluto. Isso é preciso? Vamos olhar para o próprio sinal para descobrir.

Penzias e Wilson na Antena Holmdel Horn de 15 m, que primeiro detectou o CMB. Embora muitas fontes possam produzir fundos de radiação de baixa energia, as propriedades do CMB confirmam sua origem cósmica. (NASA)

Em 1964, Arno Penzias e Bob Wilson descobriram um fenômeno surpreendente usando seu novo brinquedo: uma antena de rádio em Nova Jersey. A Antena Holmdel Horn foi originalmente projetada para ser um prato de microondas usado pelos Laboratórios Bell para comunicações por satélite. No entanto, quando eles tentaram calibrar seu instrumento, houve um ruído que eles não conseguiram ir embora. O Sol emitia radiação, assim como a Via Láctea. No entanto, mesmo à noite, não importa para onde apontassem a antena, não havia como fazer o sinal desaparecer. Sempre havia esse zumbido constante e de baixa energia que não podia ser removido.

Eles tentaram todos os seus truques de calibração; tentaram tirar os pássaros empoleirados da antena e limpá-la; eles tentaram tudo o que sabiam. O barulho não iria embora. Apenas alguns graus acima do zero absoluto, a radiação parecia vir de todos os lugares, igualmente.

Não é simplesmente que as galáxias estão se afastando de nós que causa um desvio para o vermelho, mas sim que o espaço entre nós e a galáxia desvia para o vermelho a luz em sua jornada daquele ponto distante até nossos olhos. (LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTER)

O grupo de Bob Dicke em Princeton estava se preparando para iniciar um experimento usando um dispositivo conhecido como radiômetro de Dicke para procurar exatamente esse sinal: a relíquia de uma fase quente e densa que muitos teorizaram representar a origem do nosso universo em expansão. Se o Universo se originou de um estado quente, denso e uniforme, à medida que se expandia, deveria esfriar. A razão é simples: a temperatura da radiação é definida pelo comprimento de onda dos fótons individuais que a compõem.

O plasma ionizado (L) antes do CMB ser emitido, seguido pela transição para um Universo neutro (R) transparente aos fótons. Essa luz então flui livremente para nossos olhos, onde chega aos dias atuais, 13,8 bilhões de anos depois. (AMANDA YOHO)

À medida que o Universo se expande, não apenas a radiação fica menos densa, mas o alongamento do espaço alonga o comprimento de onda dos fótons, e fótons de comprimento de onda mais longo correspondem a temperaturas mais baixas. Quando átomos neutros se formam, a radiação não pode mais interagir e simplesmente voa em linha reta até interagir com algo. 13,8 bilhões de anos depois, esse algo são nossos olhos e instrumentos, revelando um banho de radiação ultra-frio e uniforme a 2,725 K.

De acordo com as observações originais de Penzias e Wilson, o plano galáctico emitiu algumas fontes astrofísicas de radiação (centro), mas acima e abaixo, tudo o que restava era um fundo uniforme e quase perfeito de radiação. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

É claro que muitos mecanismos alternativos também podem produzir um banho de radiação apenas alguns graus acima do zero absoluto.

Poderia haver um fenômeno atmosférico que, além de toda a luz solar espalhada e emissão de vapor d'água, produzisse uma quantidade uniforme de radiação de baixa energia que seria captada por uma antena. Essa ideia foi falsificada pelo COBE e outros satélites que mediram essa radiação do espaço, muito acima da atmosfera da Terra.

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. (NASA/COBE/DMR; EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA/WMAP; COLABORAÇÃO DA ESA E PLANCK)

Pode haver uma grande quantidade de matéria difusa no espaço, que então absorve a luz das estrelas de todas as direções e a irradia novamente a uma temperatura mais baixa. Existe uma lei física conhecida como Lei de Stefan-Boltzmann que descreve como qualquer superfície perfeitamente absorvente e completamente preta irradiará a uma determinada temperatura. Se tal substância estivesse espalhada uniformemente por todo o Universo, ou mesmo circundando a Terra em nossa própria galáxia, então a luz estelar absorvida e reemitida, supondo que tudo tivesse a densidade certa, poderia ser responsável por esse sinal.

Esta é a nebulosa de reflexão IC 2631, fotografada pelo telescópio MPG/ESO de 2,2 m. É absolutamente verdade que a poeira pode refletir a luz das estrelas, mas a quantidade de poeira que seria necessária para gerar um sinal imitando a radiação de fundo do Universo não existe, nem essa poeira tem os tamanhos ou cores certas para reproduzir o que observamos . (ISSO)

Exceto que a astronomia progrediu até o ponto em que medimos a poeira em nossa galáxia, em todo o Universo e ao redor do Sistema Solar. Possui as seguintes propriedades:

• não é uniformemente distribuído,
• não é um absorvedor perfeito (absorvendo preferencialmente a luz azul e transmitindo a luz vermelha),
• e na maioria dos locais do céu, onde não olhamos no plano galáctico ou no plano do zodíaco, a quantidade de poeira é insuficiente para explicar essa radiação.

Então essa explicação também não é boa. Na verdade, parte da razão pela qual mesmo as primeiras observações de Penzias e Wilson foram tomadas como evidência definitiva do Big Bang foi por causa do tamanho do sinal: cerca de 100 vezes maior do que o possível sinal de fundo.

Existem enormes quantidades de poeira cósmica espalhadas pela galáxia, pelo Universo e pelo Sistema Solar, mas essa poeira não tem as propriedades certas para emitir de maneira que possa ser confundida com a radiação de fundo do Universo. (T.A. REITOR/UNIVERSIDADE DO ALASKA ANCORAGE, H. SCHWEIKER/WIYN E NOAO/AURA/NSF)

Mas talvez haja algo lá fora, muito além das galáxias que conhecemos, que está emitindo uma fonte de luz ultradistante. Afinal, estrelas e galáxias parecem estar em toda parte, e o Sol é quase um radiador de corpo negro perfeito. Talvez, como alguns alegaram, a luz possa estar perdendo energia enquanto viaja pelo Universo: uma explicação de luz cansada.

Essa luz – possivelmente de estrelas – poderia simplesmente ter perdido energia ao longo do tempo, saindo como um fundo de energia muito baixa hoje. Se tivesse se originado dessa maneira, essa luz agora poderia estar apenas alguns graus acima do zero absoluto. No entanto, a maneira como você diferencia essa explicação das previsões do Big Bang é que, à medida que sua luz viaja pelo Universo, ela não se estica, mas perde energia para criar uma forma espectral diferente. Não apareceria mais como um corpo negro verdadeiro, mas um corpo negro deslocado, facilmente discernível pelas previsões do Big Bang.

Um espectro deslocado que já foi corpo negro, onde a luz se cansou, não pode corresponder ao espectro real de corpo negro da CMB. O deslocamento Doppler deve ser cosmológico, e a radiação deve ter se originado de um estado perfeitamente térmico. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)

As observações de 1992 do satélite COBE demonstraram definitivamente que a forma era um corpo negro tão perfeito que essa alternativa foi descartada. Na verdade, foram dados tão bons que demonstraram que algum explicação que dependia da luz das estrelas, refletida ou transformada, deve ser descartada.

Há uma razão simples para o porquê: o Sol não é completamente opaco à luz das estrelas que produz.

Na fotosfera, podemos observar as propriedades, elementos e características espectrais presentes nas camadas mais externas do Sol. O topo da fotosfera tem cerca de 4.400 K, enquanto o fundo, 500 km abaixo, está mais para 6.000 K. O espectro solar é a soma de todos esses corpos negros. (OBSERVATÓRIO DE DINÂMICA SOLAR DA NASA / GSFC)

As camadas externas são extremamente tênues e rarefeitas, e a radiação que recebemos aqui na Terra nem toda se origina da borda desse plasma. Em vez disso, muito do que vemos se origina dos primeiros 500 quilômetros, onde as camadas internas são significativamente mais quentes que as externas. A luz que vem do nosso Sol - ou de qualquer estrela - não é um corpo negro, mas a soma de muitos corpos negros que variam de temperatura em muitas centenas de graus.

É somente quando você adiciona todos esses corpos negros que você pode reproduzir a luz que vemos vindo de nossa estrela-mãe. O fundo cósmico de micro-ondas, quando olhamos seu espectro em detalhes, é um corpo negro muito mais perfeito do que qualquer estrela poderia esperar ser.

A luz real do Sol (curva amarela, esquerda) versus um corpo negro perfeito (em cinza), mostrando que o Sol é mais uma série de corpos negros devido à espessura de sua fotosfera; à direita está o corpo negro perfeito real do CMB medido pelo satélite COBE. Observe que as barras de erro à direita são surpreendentes 400 sigma. A concordância entre teoria e observação aqui é histórica, e o pico do espectro observado determina a temperatura restante da Microondas Cósmica de Fundo: 2,73 K. (WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R))

Não é poeira. Não é a luz das estrelas. Não é que sua luz se canse. Não é emitido por átomos ou moléculas, nem contém assinaturas de que átomos ou moléculas absorvem porções dele.

Não é da Terra, da atmosfera, do Sistema Solar ou da galáxia. Ele não se difunde de fontes pontuais ou se origina dos ambientes nebulosos onde as primeiras estrelas estão localizadas.

Esse fundo de radiação, mais perfeitamente um corpo negro em seu espectro do que qualquer outra coisa no Universo, deve ter sua origem em um estado quente e denso que existia há bilhões de anos.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura de grande escala exige isso, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Com o tempo, os detalhes exatos permitiram uma validação adicional, pois as minúsculas flutuações de temperatura correspondem às imperfeições de densidade que precisaríamos para reproduzir a estrutura em nosso Universo. O gás quente e em movimento no Universo desloca a radiação onde existe de acordo com o efeito Sunyaev-Zel'dovich. As temperaturas esfriam exatamente como previsto à medida que as regiões mais densas crescem e as regiões menos densas desistem de sua matéria, como prevêem os efeitos Sachs-Wolfe e Sachs-Wolfe Integrado.

Mas não precisamos ser tão sofisticados para validar o Big Bang e falsificar as alternativas. A temperatura observada e o espectro do fundo cósmico de micro-ondas descartou todas as alternativas, do estado estacionário ao estado quase estacionário, da luz estelar refletida à luz cansada, à emissão terrestre à cosmologia plasmática. O Big Bang não é aceito na ideologia; é aceito com base em evidências. A menos que apareça um concorrente que possa explicar o brilho remanescente onipresente no Universo, ele continuará sendo um pilar fundamental para construirmos em nossa investigação do Universo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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