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Retrocesso quinta-feira: A ciência do fundo de microondas cósmico

Crédito da imagem: NASA/ESA e as equipes COBE, WMAP e Planck. Via http://scidacreview.org/0704/html/cmb.html.

É o brilho que sobrou do Big Bang. Aqui está o que ele nos ensina e por que você não deve se preocupar com anomalias no CMB.

A radiação que sobrou do Big Bang é a mesma do seu forno de micro-ondas, mas muito menos poderosa. Isso aqueceria sua pizza apenas a -271,3 ° C, não muito bom para descongelar a pizza, muito menos cozinhá-la. – Stephen Hawking

Uma das previsões mais poderosas do Big Bang - o fato de que nosso Universo frio, rico em estrelas e galáxias, em expansão lenta, veio de um estado quente, denso e muito mais homogêneo - foi a existência de um banho de sobras, radiação de baixa energia que deveria ser detectável, ainda hoje.

Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.

O Universo pode estar frio e escasso hoje, com enormes distâncias separando as galáxias e o espaço interestelar frio o suficiente para congelar quase todas as substâncias conhecidas sólidas, mas nem sempre foi assim. Quando o Universo era mais jovem, também era mais quente e denso, algo que podemos extrapolar de volta para Muito de temperaturas maiores do que temos hoje. Quente o suficiente para derreter sólidos, ferver líquidos e até ionizar gases: para retirar os próprios átomos dos elétrons que se ligam a eles.

Crédito da imagem: Pearson / Addison Wesley, recuperada de Jill Bechtold.

Quando o Universo era quente demais para formar átomos neutros, os fótons colidiam com outras partículas – principalmente elétrons com a colisão ocasional com um núcleo atômico – com muita frequência para que eles viajassem qualquer distância apreciável. Mas quando o Universo finalmente esfriar o suficiente para permitir a formação de átomos neutros, a grande maioria dos fótons Nunca interagir com outro átomo, núcleo ou elétron nunca mais , e simplesmente fluirá em linha reta do último elétron com o qual interagiram por toda a eternidade.

Crédito da imagem: Jodrell Bank Center for Astrophysics, University of Manchester.

Esta é uma previsão e tanto, porque – como o Universo estava neste estado quente, denso e em expansão em todos os lugares - significa que devemos ver essa radiação chegando uniformemente de todas as direções no espaço ! E, porque o Universo não tem mais apenas algumas centenas de milhares de anos (que é quando esta última dispersão ocorreu), mas muitos bilhões anos, isso significa que o Universo se expandiu muito.

E à medida que o Universo se expande, o comprimento de onda dos fótons nele se alonga junto com a expansão do espaço-tempo, o que significa que essa radiação deve ser muito fria: apenas alguns graus acima do zero absoluto.

Crédito da imagem: Addison Wesley.

Então essa é a primeira previsão do Big Bang sobre essa radiação: deve ser uniforme em temperatura , somente alguns graus acima do zero absoluto , e deve vir igualmente de todas as direções no espaço . Além disso, também deve seguir um espectro de corpo negro , de acordo com a forma como a termodinâmica funciona em um Universo em expansão sob as leis da Relatividade Geral.

Crédito da imagem: Revista LIFE.

Isso é exatamente o que Arno Penzias e Bob Wilson descobertos em 1965 , usando o Antena Holmdel Horn , Mostrado acima. Eles viram uma quantidade uniforme de radiação de micro-ondas vindo de todas as direções do céu, pairando em torno de 3 Kelvin, sem mudanças aparentes em diferentes direções.

Mais tarde foi confirmado (pelo Satélite COBE ) que o espectro dessas flutuações fez de fato, correspondam às previsões do corpo negro, com uma precisão sem precedentes!

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

Mas se tudo fosse perfeitamente uniforme, e havia absolutamente não flutuações de temperatura, então nunca teríamos formado estrelas, galáxias ou aglomerados de galáxias no Universo. O universo precisa de imperfeições para servir como as sementes para as quais - sob a influência da gravidade e milhões (e bilhões) de anos de tempo - se formarão estruturas em escalas grandes e pequenas.

Crédito da imagem: Max Camenzind @ CamSoft, Universidade de Heidelberg.

Então foi um pequeno surpreendente quando medimos a temperatura em 3 Kelvin e não encontramos nenhuma flutuação.

E então ficamos mais precisos e descobrimos que era 2,7 Kelvin, e ainda sem flutuações.

E então um pouco mais, e descobri que era 2,73 Kelvin, e – novamente – ainda sem flutuações.

Crédito da imagem: DMR, COBE, NASA, Four-Year Sky Map.

Finalmente, foi descoberto (ver aqui para a história ) que um lado do céu é ligeiramente mais quente do que a média em cerca de 3,3 Nacional Kelvin, enquanto o lado oposto é um pouco mais frio na mesma quantidade. Isso nos diz que estamos em movimento em relação ao quadro de repouso do fundo cósmico de micro-ondas por algumas centenas de quilômetros por segundo , totalmente de acordo com o que sabemos sobre os movimentos peculiares típicos das galáxias no Universo.

Mas isso não é um primordial flutuação; isso é meramente um efeito do nosso movimento através do espaço! Se quisermos encontrar um primordial flutuação, precisamos medir as coisas com muito mais precisão, e isso significa em escalas menores, e até micro Flutuações de temperatura Kelvin. Isso foi feito de forma muito famosa - e muito recentemente - por Planck , com a melhor precisão de todos os tempos.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/ESA.

Enquanto o COBE conseguiu medir essas flutuações até uma resolução de cerca de 7 graus, e o WMAP conseguiu diminuir para cerca de 0,5 graus, o Planck tem uma resolução melhor do que 0,1 graus , e pode medir flutuações de temperatura até um milionésimo de Kelvin . O mapa de Planck de todo o céu se parece com isso.

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Agora, o que nós Faz com um mapa como este? Bem, de acordo com nossa teoria, existem alguns ingredientes que podemos colocar em nosso Universo para obter diferentes padrões de flutuações. Esses ingredientes incluem o seguinte:

• Matéria normal, de base atômica,
• Fótons,
• neutrinos,
• Matéria escura,
• Cordas Cósmicas,
• Paredes de domínio,
• e uma Constante Cosmológica, entre outras possibilidades.

A maneira como descobrimos do que o Universo é feito é que, em diferente escalas angulares, o Universo deve apresentar diferentes magnitudes e distribuições de flutuações. Dividimos o céu de diferentes maneiras – em pedaços cada vez menores – para medir essas flutuações.

Crédito da imagem: Clem Pryke da Universidade de Chicago.

Então, você compara a quebra de temperatura medida do céu em cada uma dessas diferentes escalas e pode encontrar a amplitude média de flutuações de temperatura em cada escala angular. Para o Planck, podemos ir até cerca de eu =2500 e ainda tem resultados confiáveis. A curva de melhor ajuste aos dados é mostrada abaixo.

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

Mas não corresponde exatamente à teoria (linha vermelha), você exclama!

Isso é verdade, mas isso é ruim? Como você pode ver, os multipolos baixos (ou grandes escalas angulares) não se ajustam muito bem à curva, mas possuem barras de erro muito grandes.

Isto é normal . Na verdade, houve uma blog inteiro coletivo nomeado após este fenômeno: variação cósmica . Essa curva, acima, é o que você obteria se fizesse a média de uma grande quantidade de dados. Mas - para os grandes ângulos - isso exigiria um grande número de universos , e só podemos ver um. Por exemplo, o eu = 2 pontos apenas calcula a média de 5 medições! Então - e lembre-se, estatisticamente, há apenas 68% de chance de que uma determinada medida esteja dentro um desvio padrão da média - é bem provável que estejamos errados em muitos dos pontos na extremidade inferior, e é isso que sempre vimos.

Mas essa curva de melhor ajuste nos diz que o Universo parece ser feito de:

• cerca de 4,9% matéria normal, de base atômica,
• cerca de 0,01% fótons,
• por aí 0,1% neutrinos,
• cerca de 26,3% matéria escura,
• não cordas cósmicas,
• não paredes de domínio,
• e 68,7% constante cosmológica, sem evidências de que a energia escura seja algo mais exótico do que isso.

O que está em fantástico acordo com todas as outras observações. E sobre o anomalias na CMB?

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Preocupado que existam anomalias quando se trata do comportamento esperado do Universo? Talvez você não devesse ser.

Sim, parece haver algumas coisas extras que não estão na linha prevista pelos parâmetros de melhor ajuste à nossa teoria. Em outras palavras, esses são os locais onde - se subtrairmos o esperado flutuações do melhor ajuste esperado - há um pouco de energia extra (ou muito pouca) ou flutuações de temperatura que são um pouco grandes demais ou pequenas demais.

Se você os mostrar no gráfico de anomalias, acima, eles parecem bastante ameaçadores. E sem dúvida, há posso ser nova física lá. Mas eu posso mostrar isso para você de uma maneira diferente.

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

Além das escalas maiores que já falei, esses são as anomalias de temperatura. Isso mesmo, a quantidade que um ponto de dados armazenado está fora da linha prevista representa praticamente a totalidade da anomalia.

As chances de que o Universo teria essa anomalia em particular? Pequeno; Menos de 1%.

Mas isso é algo com que devemos nos preocupar quando se trata do nosso Universo? Ou isso é apenas um efeito improvável que aparece de vez em quando porque estamos procurando por anomalias nos dados de tantos componentes diferentes de um grande conjunto?

Crédito da imagem: Randall Munroe / xkcd, via https://xkcd.com/882/ .

Se você se lembrar de suas estatísticas, normalmente exigimos um padrão muito mais alto para considerar algo importante: 5-σ significância estatística; este efeito é em torno de 3-σ. Pode ser interessante, mas também pode apenas seja o Universo que temos . É importante sondar possíveis rachaduras na teoria; é muitas vezes onde o maior progresso pode ser feito. Mas não se atreva a subestimar o sucessos do modelo cosmológico atual; lembre-se de quão incrivelmente difícil tivemos que procurar para encontrar algum desvios em tudo do que era esperado! O universo é o que pensamos que era , e de onde a cosmologia está hoje, nossa compreensão atual dela - incluindo todos os dados do CMB - parece muito boa!

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