o caso do Cosmic Microwave Fund

        

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A teoria do Big Bang descreve a evolução em grande escala do universo. Embora a ciência ainda não possa nos explicar como exatamente o cosmos emergiu, isso nos dá uma descrição bastante detalhada do processo

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Isso começa milionésimos de segundos após o tempo zero – quando o tamanho do universo era 100 trilhões de vezes menor que um átomo – até nossos dias, quando estamos dentro de uma esfera de aproximadamente 100.000 milhões de anos-luz.

Esta descrição também nos mostra diferentes cenários de como o universo chegará ao fim em cerca de um trilhão de anos .

De acordo com o modelo cosmológico atualmente aceito pela comunidade científica, a temperatura do universo em seus primeiros momentos foi extremamente alta (bilhões de graus). Sob essas condições, os elétrons não estavam ligados aos núcleos dos átomos e as partículas de luz estavam acopladas à matéria. Em outras palavras, os fótons não podiam viajar pelo espaço. A luz ainda não fez sua entrada triunfante no cosmos.

Cerca de 300 mil anos após o Big Bang, o universo continuou a se expandir e o calor diminuiu com o passar do tempo. Baixando a temperatura para cerca de 3.000 graus, os fótons foram desacoplados da matéria e a luz foi capaz de viajar quase desimpedida através do universo.

Esses fótons que foram liberados no desacoplamento ainda persistem. Eles podem ser detectados na faixa de microondas e são chamados de Fundo Córmico de Microondas (CMB)

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Dito fundo cósmico é a primeira luz do universo. Atualmente, o CMB é a informação do estágio mais jovem do universo ao qual temos acesso; corresponde à imagem do que o cosmos era quando ele tinha apenas de 380 mil anos de idade. Até agora podemos chegar lá hoje – não podemos olhar mais para trás no tempo.

Fazendo um pequeno parêntese, poderíamos olhar mais para trás, mas usando diferentes mensageiros para iluminar. Estes seriam os neutrinos, que se desacoplaram 0,0001 segundos após o Big Bang e as ondas gravitacionais que já estavam presentes logo após o Planck

À medida que a ciência e a tecnologia avançam, podemos desenvolver observatórios focados na astronomia de neutrinos e na astronomia baseada em ondas gravitacionais. Nossa capacidade de observar e conhecer nosso universo aumentará enormemente. Não é tudo isso maravilhoso?

Serendipity and Nobel Prize

O Fundo de Microondas Cósmico é assim chamado porque preenche todo o universo; Está em toda parte e em todas as direções. Sua existência foi prevista pelo físico George Gamow e seus colegas Ralph A. Alpher e Robert Hermann em 1948.

Para detectar esta radiação de fundo, Robert Henry Dicke construiu "o radiômetro Dicke" em 1964. Ele colocou este dispositivo no telhado de seu laboratório, mas não conseguiu encontrar os restos fósseis do Big Bang.

Já em 1965, os físicos Arno Penzias e Robert Wilson estavam trabalhando em laboratórios da Bell usando a antena Holmdel para realizar experimentos. Eles passaram várias semanas tentando colocar a antena em funcionamento, mas era impossível. Houve um ruído de fundo que não pôde ser desfeito. Penzias e Wilson testaram a antena durante o dia, à noite, orientaram-na em direções diferentes, alinharam as juntas da antena com isolamento e finalmente a desarmaram e remontaram. No entanto, o barulho onipresente ainda estava lá

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Arno Penzias e Robert Wilson com a antena de Holmdel. (IES)

Quando eles descartaram qualquer possível causa de interferência, eles pensaram que o problema poderia ser causado pelos excrementos que os pombos deixavam na antena, então eles limparam completamente e se certificaram de que nenhum pássaro se aproxima dela. Tudo foi em vão; o assobio irritante ainda estava lá

Arno Penzias e Robert Wilson não leram o trabalho do grupo de Gamow sobre a origem do universo e as previsões sobre o pano de fundo cósmico, mas estavam cientes das obras que Dicke estava fazendo na Universidade de Princeton. Eles ligaram para Dicke para perguntar sobre o problema de ruído que a antena de Holmde tinha. Dicke imediatamente percebeu que os meninos de Bell tinham encontrado o que ele estava procurando: a evidência mais forte em favor da teoria do Big Bang, o Fundo da Micro-Onda Cósmica

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No livro Uma breve história de quase tudo, Bill Bryson conta que, assim que Robert Dicke desligou o telefone, ele disse aos seus colaboradores: "Bem, pessoal, eles acabaram de passar por nós". Anos mais tarde, em 1978, Arno Penzias e Robert Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física por involuntariamente entrar em contato com o WBC

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Estudos sobre o CMB

O princípio cosmológico – um dos pilares da teoria do Big Bang – diz que o universo de larga escala é homogêneo e isotrópico. Isso significa que a massa e a radiação são distribuídas com a mesma densidade média em todos os lugares (homogênea) e em todas as direções (isotrópicas).

No entanto, já em 1967 os físicos Sachs e Wolfe sugeriram que deveria haver flutuações na intensidade da radiação de fundo. A origem dessas variações estaria na concentração da matéria em alguns pontos do universo jovem, como as sementes daquilo que acabaria sendo as grandes estruturas que vemos hoje

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Os fótons que nos chegam a partir dessas regiões teriam que superar um potencial gravitacional maior, portanto perderiam energia. Isso resultaria em uma leve variação da temperatura do CMB nesses pontos do espaço.

No universo observável, existem grandes estruturas, como os aglomerados de galáxias, mas também há regiões praticamente vazias. Essa falta de homogeneidade poderia ser explicada por pequenas variações na temperatura do CMB (as flutuações na intensidade da radiação das quais Sachs e Wolfe falaram em 1967). Essas variações eram indetectáveis ​​para a antena que Penzias e Wilson estavam usando quando encontraram o CMB. Este instrumento mostrou uma leitura completamente homogênea.

Seria necessário encontrar e medir essas variações mínimas de temperatura de tal maneira que as pequenas anisotropias dessem coerência ao que a teoria do Big Bang propõe em relação ao universo observável.

Missão COBE

O COBE (Cosmic Background Explorer) foi a primeira missão da NASA com o objetivo de fazer estudos cosmológicos.

O observatório espacial foi lançado em 18 de novembro de 1989. Usando seus instrumentos científicos, desenhou um mapa muito preciso da temperatura do CMB em todas as direções do espaço. O satélite tinha uma órbita polar a 900 km de altitude e completou 14 voltas ao redor da Terra por dia. Ao mesmo tempo, girou como um topo e suas antenas fizeram leituras de diferentes pontos no céu.

O resultado obtido pelo COBE para a temperatura do CMB foi de 2,726 ± 0,010 kelvin. As flutuações de temperatura no CMB são extremamente fracas: apenas uma parte entre 100 mil em comparação com a temperatura média de 2.726 K que tem o fundo. Para ter uma idéia dessa temperatura, o 0 ou 0 K absoluto corresponde a uma temperatura de -273,15 graus Celsius.

John Mather, investigador principal da missão, e George Smoot – responsável pelo Radiômetro Diferencial de Microondas, instrumento que foi capaz de medir diferenças de temperatura no CMB com uma precisão de 1 parte em 100 mil – receberam o Nobel Física em 2006 para os resultados da missão do COBE.

Missão WMAP

A WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) foi lançada pela NASA com o objetivo de medir a temperatura do fundo cósmico de microondas com uma sensibilidade muito alta. Ele saiu para o espaço em 30 de junho de 2001 e colocou em um ponto estratégico de observação, Lagrange Point L2. Ele mapeou por 9 anos os remanescentes do brilho inicial do universo

L1, L2, L3, L4 e L5 são lugares no espaço onde as forças gravitacionais e o movimento orbital de dois corpos massivos, como o Sol e a Terra, estão equilibrados. Um objeto colocado em um desses pontos não se moverá ou seu movimento será mínimo (com relação aos dois corpos massivos). L2 está localizado a 1.492 km da Terra na direção oposta ao Sol. Nesta posição, emissões indesejadas vindas do Sol e da Terra são minimizadas. L2 será o ponto a partir do qual o telescópio espacial James Webb fará futuras observações.

A WMAP usa radiômetros de microondas diferenciais para medir as diferenças de temperatura entre quaisquer dois pontos no céu. O WMAP poderia distinguir detalhes de 2 décimos de grau, enquanto o COBE foi projetado para observar escalas angulares de 7 graus. Fazendo a comparação, vemos que o WMAP poderia fazer uma análise muito mais precisa do CMB

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O valor de temperatura do CMB medido por WMAP é de 2,725 ± 0,002 graus Kelvin (-270,43 graus centígrados).

As interpretações que os cientistas fizeram a partir dos dados fornecidos pela sonda WMAP foram revolucionárias. Essas medições indicam que nosso universo tem geometria plana (quase curvatura zero), é composto de matéria bariônica (átomos) em 4,4%, matéria escura (ainda não sabemos o que é) em 22% e energia escura (também não sabemos o que é) em 73%. A idade do universo é de cerca de 13.700 milhões de anos, com um erro de apenas 1%.

Em relação ao aparecimento das primeiras estrelas, a WMAP nos diz que elas se formaram 200 milhões de anos após o Big Bang. Todos esses valores são o resultado da análise realizada no CMB.

Esta informação é o tesouro que os fótons guardaram durante eras esperando por nossos instrumentos para lê-los. É assim que a ciência nos conta a história do nosso universo, nossa própria história.

Prancha da Missão

A Agência Espacial Europeia (ESA) lançou a missão Planck em 14 de maio de 2009 a partir do Espaçoporto Kourou na Guiana Francesa. O objetivo do instrumento foi medir anisotropias da temperatura do CMB que possuem tamanho maior que 10 minutos de arco, com precisão de dois milionésimos. O Planck excedeu em sensibilidade as missões COBE e WMAP.

Como seu antecessor, Planck foi colocado no L2 de Lagrange Point. A sonda observou o céu com 74 detectores divididos em 2 instrumentos, o LFI e o HFI. O instrumento de alta frequência (HFI) usava detectores chamados bolômetros que funcionavam resfriados a -273,05 ° C, apenas 0,1 ° C acima do 0 absoluto. Naquela época, dizia-se que Planck era o objeto mais frio conhecido que estava fora da Terra (em laboratórios terrestres, os condensados ​​de Bose-Einstein esfriaram para menos de um milionésimo de Kelvin acima do 0 absoluto).

Segundo a missão Planck, o universo tem as seguintes características. É um pouco mais antigo do que se pensava anteriormente; Tem cerca de 13.820 milhões de anos. Consiste em 68,3% de energia escura, 26,8% de matéria escura e 4,9% de matéria bariônica. Em relação à sua curvatura, é plana e está de acordo com o que a WMAP disse, mas de acordo com Planck as primeiras estrelas foram formadas 550 milhões de anos após o Big Bang, muito mais tarde do que a missão da NASA indicou.

O mapa de todo o céu gerado por Planck mostrou indícios de uma ligeira assimetria entre a temperatura dos fótons dos dois hemisférios celestes. A radiação do hemisfério sul parecia ter uma temperatura ligeiramente mais alta que a do hemisfério norte. Essa assimetria foi batizada com o nome de Eixo do Mal e não era compatível com a idéia do Princípio Cosmológico. Análises posteriores mostraram que o Eixo do Mal não existia

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Estas 3 missões espaciais dedicadas ao estudo do fundo cósmico nos dão uma idéia de como a ciência funciona . Primeiro, e antes de qualquer observação direta, existe um modelo matemático como o de Gamow, de 1948, que previa a existência do CMB, ou os estudos de Sachs e Wolfe que diziam em 1967 que o CMB não poderia ser completamente homogêneo. O próximo passo é a verificação, que no caso da CMB significou o desenho de instrumentos altamente sensíveis como Penzias e a antena de Wilson que em 1965 já podiam detectar um sinal gerado há cerca de 13.700 milhões de anos e que estava a uma temperatura próxima 0 absoluto. Então, as 3 missões projetadas para trabalhar no espaço, 2 delas com sistemas de refrigeração excepcionais. Uma etapa final é a interpretação dos dados e sua publicação.

Os resultados das três missões que estudaram o WBC. (Qosmology.org)

Últimas publicações sobre o WBC

Para os cientistas, a hipotética Nuvem de Oort é como a borda ou o limite físico do sistema solar. São cerca de 50 mil unidades astronômicas (0,79 anos-luz) do Sol. Supõe-se que essa nuvem seja povoada por planetesimais gelados e seja a origem de cometas de período longo. Como a nuvem está muito distante e muito dispersa, sua observação é bastante difícil. No entanto, uma equipe de astrofísicos da Universidade da Pensilvânia propôs uma idéia incomum no início de agosto: usar os mapas CMB criados pela missão Planck e com eles ser capaz de detectar sinais das nuvens Oort em torno de outras estrelas.

O estudo foi chamado Sondando nuvens de Oort ao redor de estrelas de Via Láctea com pesquisas de CMB . Talvez em um futuro próximo, o CMB possa ser usado para confirmar a existência de pequenos botões que envolvem as estrelas.

Os Pontos Hawking e o CMB

Há pessoas que têm a ideia de que este universo que conhecemos não é o primeiro que existiu. Eles acham que havia outros universos que se formaram e se extinguiram, universos de bolhas que se expandem e depois morrem. Esta teoria é chamada de Cosmologia Cíclica Complicada (CCC) e foi enunciada pelo famoso físico e matemático Roger Penrose

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Penrose acredita em um universo eterno que ciclicamente nasce em um Big Bang, se expande e finalmente morre termicamente. Cada uma dessas conchas é chamada eon. O CCC prevê a existência de círculos concêntricos de 2 graus de raio no CMB que são chamados círculos de Hawking. Em 6 de agosto, Roger Penrose e dois outros cientistas publicaram um artigo no qual afirmavam ter encontrado vários desses círculos nos mapas da CMB

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Especialistas em análise de dados das missões WMAP e Planck não compartilham as alegações de Penrose. Eles não observam os círculos de Hawking em seus mapas. Este caso é um bom exemplo para testar o ceticismo, uma vez que as evidências apresentadas não foram contrastadas. Também nos mostra que não porque um cientista é um especialista no que ele faz é isento de cometer erros (a falácia do princípio da autoridade).

Nas palavras do popularizador espanhol Francisco R. Villatoro:

"Em vários meios de comunicação ecoaram este trabalho (como é habitual com todos os Penrose). É levemente afirmado que os pontos Hawking são sinais físicos anteriores ao Big Bang. No entanto, esta afirmação é pura especulação selvagem. O modelo Penrose CCC não possui uma formulação teórica precisa que permita que previsões firmes sejam feitas. É apenas um conjunto difuso de ideias, possíveis soluções para possíveis problemas, sem modelos matemáticos precisos para apoiá-los. Portanto, embora admiremos com paixão um dos grandes físicos-matemáticos dos últimos 60 anos, devemos ser muito céticos em relação a essas idéias. Sinto muito, mas ainda não conseguimos observar sinais antes da inflação cósmica. "

Informação extra no fundo cósmico

Os pontos ou círculos de Hawking. (Naukas)

Além de todas as informações cosmológicas fornecidas a nós pelas missões espaciais responsáveis ​​por medir e estudar o CMB, eles nos forneceram informações adicionais sobre como estamos nos movendo no espaço.

Por exemplo, a Via Láctea e suas centenas de bilhões de estrelas se movem em relação ao CMB a uma velocidade de 1.332.000 km / h. Nosso planeta gira em torno do Sol a cerca de 108.000 km / h. Nossa estrela e todo o seu corte de planetas, luas, cometas, asteróides, etc. eles se movem pela galáxia a uma velocidade de 900.000 km / h. Somos números fascinantes?

Sem dúvida é uma maravilha que possamos conhecer a idade do universo, sua velocidade de expansão, sua composição, sua geometria, a provável existência de matéria e energia escura baseada na medição do CMB e a análise das anisotropias. que encontramos nesta radiação, cuja temperatura está próxima do zero absoluto.

Quando olhamos para os mapas das anisotropias CMB como os publicados pela missão Planck, vemos uma imagem ovalada com formas multicoloridas que representam as diferenças de temperatura das diferentes regiões do espaço. Deve ser muito comum as pessoas se perguntarem como é que, a partir desse mapa enganosamente simples, os cientistas podem inferir todos os valores cosmológicos de que estávamos falando.

Bem, eles fazem isso e leva um tempo enorme para fazer a análise dos dados. Eles usam métodos matemáticos muito complexos que lhes permitem interpretar a informação que contém a luz mais antiga do universo, uma luz que se originou a cerca de 13.700 milhões de anos atrás.

Bom Deus para todos.

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