A radiação cósmica de fundo em micro-ondas pode ajudar os cientistas a juntar a história do universo.

Esta imagem de todo o céu da radiação cósmica de fundo em micro-ondass, criada a partir de dados coletados pela primeira pesquisa de todo o céu pelo satélite Planck da Agência Espacial Europeia, mostra ecos do Big Bang que sobraram desde o início do universo. Crédito da imagem: Consórcios ESA/LFI & HFI

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) é a radiação remanescente do Big Bang ou da época em que o universo começou. Como diz a teoria, quando o universo nasceu, ele passou por uma rápida inflação, expansão e resfriamento. (O universo ainda está se expandindo hoje, e a taxa de expansão parece diferente dependendo de onde você olha). O CMB representa o calor que sobrou do Big Bang.

Você não pode ver o CMB a olho nu, mas ele está em todo o universo. É invisível para os humanos porque é muito frio, apenas 2,725 graus acima do zero absoluto (menos 459,67 graus Fahrenheit, ou menos 273,15 graus Celsius). Isso significa que sua radiação é mais visível na parte de micro-ondas do espectro eletromagnético.

Segundo a NASA, o CMB preenche o universo e nos tempos anteriores à TV a cabo, todos os lares com televisão podiam ver o brilho do Big Bang. Ao ligar a televisão para um canal "intermediário", você podia ver o CMB como um sinal estático na tela.

COMO SE FORMOU A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICRO-ONDAS?

O universo começou há 13,8 bilhões de anos, e o CMB remonta a cerca de 400.000 anos após o Big Bang. Isso porque nos estágios iniciais do universo, quando tinha apenas um centésimo de milionésimo do tamanho que tem hoje, sua temperatura era extrema: 273 milhões de graus acima do zero absoluto, segundo a NASA. 

Quaisquer átomos presentes naquele momento foram rapidamente quebrados em pequenas partículas (prótons e elétrons). A radiação do CMB em fótons (partículas representando quantum de luz ou outra radiação) foi espalhada pelos elétrons. "Assim, os fótons vagaram pelo universo primitivo, assim como a luz óptica vaga por uma névoa densa", escreveu a NASA.

Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo estava frio o suficiente para que o hidrogênio pudesse se formar. Como os fótons CMB são pouco afetados ao atingir o hidrogênio, os fótons viajam em linhas retas. Os cosmólogos referem-se a uma "superfície de última dispersão" quando os fótons CMB atingiram a matéria pela última vez; depois disso, o universo se tornaria muito grande. Então, quando mapeamos o CMB, estamos olhando para trás no tempo para 380.000 anos após o Big Bang, logo após o universo ser opaco à radiação.

Robert Wilson descobriu a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) em 1964 junto com Arno Penzias, colocando a teoria do Big Bang em bases sólidas. Wilson e Penzias ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1978 pela descoberta. (Eles dividiram o prêmio  com o cientista soviético Pyotr Kapitsa.). Crédito da imagem: Clive Grainger (CfA)

QUEM DESCOBRIU A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICRO-ONDAS?

O cosmólogo americano Ralph Apher previu o CMB pela primeira vez em 1948, quando estava trabalhando com Robert Herman e George Gamow, segundo a NASA. A equipe estava fazendo pesquisas relacionadas à nucleossíntese do Big Bang, ou a produção de elementos no universo além do isótopo mais leve (tipo) de hidrogênio. Este tipo de hidrogênio foi criado muito cedo na história do universo.

Mas o CMB foi encontrado pela primeira vez por acidente. Em 1965, dois pesquisadores do Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) estavam criando um receptor de rádio e ficaram intrigados com o ruído que eles estavam captando. Eles logo perceberam que o barulho vinha uniformemente de todo o céu. Ao mesmo tempo, uma equipe da Universidade de Princeton (liderada por Robert Dicke) estava tentando encontrar o CMB. A equipe de Dicke ficou sabendo do experimento de Bell e percebeu que o CMB havia sido encontrado.

Ambas as equipes rapidamente publicaram artigos no Astrophysical Journal em 1965, com Penzias e Wilson falando sobre o que viram, e a equipe de Dicke explicando o que isso significa no contexto do universo. (Mais tarde, Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física de 1978).

O QUE A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICRO-ONDAS NOS DIZ?

Uma imagem da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, tirada pelo satélite Planck da Agência Espacial Europeia (ESA) em 2013, mostra as pequenas variações no céu. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration

O CMB é útil para os cientistas porque nos ajuda a aprender como o universo primitivo foi formado. Está a uma temperatura uniforme com apenas pequenas flutuações visíveis com telescópios precisos. “Ao estudar essas flutuações, os cosmólogos podem aprender sobre a origem das galáxias e estruturas de galáxias em grande escala e podem medir os parâmetros básicos da teoria do Big Bang”, escreveu a NASA.

Enquanto partes do CMB foram mapeadas nas décadas seguintes após sua descoberta, o primeiro mapa do céu completo baseado no espaço veio da missão Cosmic Background Explorer (COBE) da NASA, que foi lançada em 1989 e cessou as operações científicas em 1993. "Imagem do universo jovem”, como a NASA a chama, confirmou as previsões da teoria do Big Bang e também mostrou indícios de estrutura cósmica que não eram vistas antes. Em 2006, o Prêmio Nobel de Física foi concedido aos cientistas do COBE John Mather, do Goddard Space Flight Center da NASA, e George Smoot, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

Um mapa mais detalhado veio em 2003, cortesia da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), que foi lançada em junho de 2001 e parou de coletar dados científicos em 2010. A primeira imagem atrelou a idade do universo em 13,7 bilhões de anos (uma medida desde então aprimorada para 13,8 bilhões anos) e também revelou uma surpresa: As estrelas mais antigas começaram a brilhar cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang, muito antes do previsto.

Clique na imagem para ampliar | A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) nos diz a idade e a composição do universo e levanta novas questões que devem ser respondidas. Veja como o Fundo de Microondas Cósmico funciona e pode ser detectado aqui. Crédito da imagem: Karl Tate, SPACE.com Infographics Artist

Os cientistas acompanharam esses resultados estudando os estágios iniciais de inflação do universo (no trilionésimo segundo após a formação) e fornecendo parâmetros mais precisos sobre a densidade do átomo, a irregularidade do universo e outras propriedades do universo logo após sua formação. Eles também viram uma estranha assimetria nas temperaturas médias em ambos os hemisférios do céu e um "ponto frio" maior do que o esperado. A equipe WMAP recebeu o Prêmio Breakthrough 2018 em Física Fundamental por seu trabalho.

Em 2013, os dados do telescópio espacial Planck da Agência Espacial Europeia foram divulgados, mostrando a imagem de maior precisão do CMB até agora. Os cientistas descobriram outro mistério com esta informação: As flutuações no CMB em grandes escalas angulares não correspondiam às previsões. Planck também confirmou o que o WMAP viu em termos de assimetria e ponto frio. A liberação final de dados do Planck em 2018 (a missão operou entre 2009 e 2013) mostrou mais provas de que a matéria escura e a energia escura, forças misteriosas que provavelmente estão por trás da aceleração do universo, parecem existir. 

Outros esforços de pesquisa tentaram analisar diferentes aspectos do CMB. Um deles é determinar os tipos de polarização chamados E-modes (descoberto pelo Interferômetro de Escala Angular de Grau baseado na Antártida em 2002) e B-modes. O B-modes podem ser produzidos a partir de lentes gravitacionais de E-modes (esta lente foi vista pela primeira vez pelo Telescópio do Pólo Sul em 2013) e ondas gravitacionais (que foram observadas pela primeira vez em 2016 usando o Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, ou LIGO). Em 2014, o instrumento BICEP2 baseado na Antártida teria encontrado B-modes de ondas gravitacionais, mas uma observação adicional (incluindo o trabalho do Planck) mostrou que esses resultados eram devidos à poeira cósmica.

A partir de meados de 2018, os cientistas ainda procuram o sinal que mostrou um breve período de rápida expansão do universo logo após o Big Bang. Naquela época, o universo estava ficando maior a uma taxa mais rápida que a velocidade da luz. Se isso aconteceu, os pesquisadores suspeitam que isso deve ser visível no CMB por meio de uma forma de polarização. Um estudo naquele ano sugeriu que um brilho de nanodiamantes cria uma luz fraca, mas discernível, que interfere nas observações cósmicas. Agora com o brilho calculado, futuras investigações podem removê-lo para procurar melhor a polarização fraca no CMB, disseram os autores do estudo na época.

LEITURA ADICIONAL

• Se você quiser aprender mais sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e o Big Bang, confira este curso gratuito com a Open University. 
• Você pode explorar o estranho "ponto frio" da radiação cósmica de fundo em micro-ondas com mais detalhes com este artigo do Physics World 
• O site UK Planck permite navegar pelos mapas do céu criados pelo telescópio espacial Planck. 

— Este artigo foi atualizado em 22 de abril de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

BIBLIOGRAFIA

• Ashtekar, Abhay, et al. "Aliviando a tensão na radiação cómica de fundo em micro-ondas usando a física em escala de Planck." Cartas de revisão física 125.5 (2020): 051302.
• Choi, Steve K., et al. "Telescópio de Cosmologia do Atacama: Uma medição dos espectros de potência da radiação cósmica de fundo em micro-ondas em 98 e 150 GHz." Journal of Cosmology and Astroarticle Physics 2020.12 (2020): 045. 
• Pospelov, Maxim, et al. "Room for new physics in the Rayleigh-Jeans tail of the cosmic microwave background." Cartas de revisão física 121.3 (2018): 031103.

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Referência:

HOELL, Elizabeth; DOBRIJEVIC, Daisy. What is the cosmic microwave background? Space, Nova York, 28, jan. 2022. Referência. Disponível em: <https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html>. Acesso em: 22, abr. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.