De acordo com os modelos cosmológicos atuais, o Universo começou com o Big Bang cerca de 13,8 bilhões de anos atrás.

Crédito da imagem: ESA/Universidade de Durham

Durante os primeiros períodos, o Universo era permeado por uma nuvem opaca de plasma quente, impedindo a formação de átomos. Cerca de 380.000 anos depois, o Universo esfriou a uma temperatura de cerca de -270°C (-454°F), que converteu grande parte da energia gerada pelo Big Bang em luz. Esta luz é agora visível para os astrônomos como Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB), observado pela primeira vez durante a década de 1960.

Uma característica peculiar da CMB que atraiu muita atenção foram as pequenas flutuações de temperatura, que poderiam fornecer informações sobre o Universo primitivo. Em particular, há um ponto bastante grande na CMB que é mais frio do que o brilho ao redor, conhecido como Ponto Frio CMB. Depois de décadas estudando as flutuações de temperatura da CMB, uma equipe de cientistas confirmou recentemente a existência dos maiores pontos frios no pós-brilho da CMB, o Eridanus Supervazio, pode ser a explicação para o ponto frio da CMB que os astrônomos estavam procurando!

A pesquisa foi conduzida pelo Dark Energy Survey (DES), uma equipe internacional de pesquisadores composta por 300 cientistas de 25 instituições em sete países. A equipe de investigação foi liderada por András Kovacs, astrofísico do Instituto de Astrofísica das Canárias (IAC) e da Universidade de Laguna em Tenerife, Espanha. Os resultados de seu estudo, intitulado “The DES view of the Eridanus supervoid and the CMB cold spot”, apareceu nos avisos mensais da Royal Astronomical Society em 17 de dezembro de 2021.

Por que é tão frio?

Desde a descoberta da CMB, várias missões foram formadas para estudá-lo com mais detalhes. Isso inclui a missão soviética RELIKT-1 a bordo do satélite Prognoz 9 (lançado em julho de 1983) e a missão NASA Cosmic Background Explorer (COBE). Os últimos resultados foram publicados em 1992 e revelaram oscilações acústicas no plasma (o primeiro “pico acústico”) que correspondem a variações de densidade em grande escala no Universo primitivo criadas por instabilidades gravitacionais.

Um segundo pico acústico não foi detectado com confiança até que o Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) foi implantado em 2001, seguido por um terceiro pico antes da conclusão da missão em 2010. Desde então, muitas outras missões monitoraram a CMB para colocar restrições mais rígidas nas diferenças de temperatura e variações de pequena escala na densidade. A mais notável delas é a espaçonave Planck da ESA (2009-2013), que forneceu os mapas de temperatura da CMB mais detalhados até o momento.

Infelizmente, esses mapas não resolveram o mistério do Ponto Frio CMB, uma grande região que é um pouco mais fria (70 µK ou 0,00007 Kelvin) do que o fundo cósmico: Aprox. 2,7 K (-270°C; -455°F). Portanto, o mistério duradouro dessa anomalia gerou todo tipo de explicação, desde um artefato nos dados até a possível existência de um universo paralelo colidindo com o nosso!

Eridanus Supervazio

Os vazios cósmicos referem-se às vastas regiões do espaço que se encontram entre galáxias e aglomerados de galáxias que (junto com a Matéria Escura) compõem a estrutura em grande escala do Universo. Esses vazios são definidos por sua relativa falta de “matéria normal” como galáxias ou poeira e gás, o meio intergaláctico (IGM), e menos matéria escura do que o observado em aglomerados de galáxias. Enquanto essas estruturas são mantidas juntas pela força de atração mútua (gravidade), elas também estão se expandindo por causa de uma força teorizada, mas não detectada (Energia Escura).

O Ponto Frio 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 ESA Planck. A figura principal mostra o mapa da distribuição da matéria escura criado pela equipe do DES. Crédito da imagem: Gergö Kránicz & András Kovács

Localizado a 1,8 bilhão de anos-luz de distância na constelação de Eridanus, o Eridanus Supervazio era uma subdensidade teorizada onde as concentrações de matéria eram 30% menores do que a região galáctica circundante. O centro desse vazio está localizado a 2 bilhões de anos-luz da Terra, tornando-se a subdensidade dominante em nossa vizinhança galáctica. Usando dados coletados pelo Dark Energy Survey (DES), a equipe criou um mapa da matéria escura (DM) na mesma direção do ponto frio CMB.

A equipe também usou a massa deste DM como uma lente gravitacional, onde a poderosa gravidade de um objeto massivo amplifica e altera o caminho da luz vindo de trás dele. O coautor Niall Jeffrey, astrofísico da Université de Paris e da University College London, ajudou a construir o mapa DM. "Este mapa da matéria escura é o maior mapa já criado", disse ele em um comunicado de imprensa do Fermilab. “Conseguimos mapear a matéria escura em um quarto do Hemisfério Sul”

Combinados com observações anteriores da subdensidade de galáxias na região, os novos mapas também confirmaram uma subdensidade em termos de matéria escura na mesma área. Isso efetivamente confirma um Supervazio na constelação de Eridanus que corresponde ao que foi teorizado. Esse vazio pode ser o motivo do Ponto Frio CMB, uma resolução potencial para o que esses vazios dizem sobre a evolução do cosmos e uma indicação de como eles ainda estão afetando a evolução cósmica hoje.

Implicações para a Energia Escura

Esta última pesquisa também é significativa quando se trata de outro mistério duradouro, que é a existência e a natureza da Energia Escura. Como observado, isso se refere à força misteriosa que neutraliza a gravidade e é responsável por impulsionar a expansão cósmica. Originalmente previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, a expansão do cosmos foi demonstrada pela primeira vez por Edwin Hubble (homônimo do Telescópio Espacial Hubble) durante a década de 1920.

As observações para o Dark Energy Survey foram realizadas usando o Telescópio Blanco nas montanhas dos Andes do Chile. Os cientistas usaram seus dados para criar um mapa da matéria escura na região do céu que contém o Eridanus supervazio e o Ponto Frio CMB. Crédito da imagem: Reidar Hahn, Fermilab

Na década de 1990, o mistério se aprofundou quando pesquisas como as do Hubble Deep Fields revelaram que a expansão cósmica estava se acelerando durante os últimos 3 bilhões de anos. Isso deu origem a teorias de que algo estava impulsionando essa expansão, seja uma força desconhecida ou alguma modificação da Relatividade Geral. Ao realizar pesquisas em larga escala do Universo, colaborações científicas como o DES esperam ver a influência da Energia Escura diretamente e, assim, medir suas propriedades.

A presença de vazios cósmicos entre aglomerados galácticos indica que esse cabo de guerra contínuo entre as forças gravitacionais e a expansão faz com que alguns vazios se tornem mais profundos. Disse o co-autor Garcia-Bellido, cosmólogo do IFT-Madrid:

“Fótons ou partículas de luz entram em um vazio de cada vez antes que o vazio comece a se aprofundar e saem depois que o vazio se torna mais profundo. Esse processo significa que há uma perda líquida de energia nessa jornada; isso é chamado de efeito Sachs-Wolfe Integrado. Quando os fótons caem em um poço potencial, eles ganham energia e, quando saem de um poço potencial, perdem energia. Este é o efeito de redshift gravitacional”

Lambda-CMB

No entanto, este estudo não resolve a discrepância geral entre o modelo cosmológico padrão e as variações observadas na temperatura com o Ponto Frio CMB. Este modelo é conhecido como modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM), que prevê que o DM é composto de partículas grandes e lentas (“frias”) que são separadas por uma força expansionista (DE), representada pelo parâmetro L.

Diagrama mostrando o Universo Lambda-CBR, desde o Big Bang até a era atual. Crédito da imagem: Alex Mittelmann/Coldcreation

Em suma, os resultados confirmam a existência do Eridanus Supervazio, mas não podem atribuir conclusivamente a Mancha Fria ao efeito do supervazio nos fótons CMB. Como Kovacs resumiu:

“Ter a coincidência dessas duas estruturas individualmente raras na teia cósmica e na CMB, basicamente não é suficiente para provar a causalidade com o padrão científico. É um elemento novo o suficiente na longa história do problema do ponto frio do CMB que, depois disso, as pessoas pelo menos terão certeza de que há um supervazio, o que é uma coisa boa, porque algumas pessoas debateram isso. O problema é que os modelos alternativos típicos também não podem explicar essa discrepância, então, se for verdade, pode significar que não entendemos algo muito profundo sobre a energia escura”

Este pode ser o maior trunfo desta pesquisa mais recente, que pode ajudar a concentrar os esforços de pesquisa futuros. Se o modelo Lambda-CDM estiver correto, então o Ponto Frio CMB pode ser uma anomalia extrema que coincidentemente tem um enorme supervazio à sua frente. Se estiver incorreto, então a extensão em que os fótons do CMB são desviados para o vermelho por supervazios intervenientes, também conhecido como o efeito Sachs-Wolfe Integrado (ISW), é mais forte do que o esperado. Para que o último cenário seja verdade, a densidade da energia do Universo deve ser dominada por algo diferente da “matéria normal”.

Este é um dos pilares centrais do LCDM e teorias predominantes sobre DM e DE, que afirmam que DM é responsável por 85% da matéria do Universo enquanto DE é responsável por 72% da densidade total de massa-energia. Infelizmente, esse mistério exigirá estudos e pesquisas futuras antes que os cientistas possam dizer com confiança qual cenário é verdadeiro. Felizmente para eles, existem vários observatórios que realizarão essa pesquisa em um futuro próximo.

Alguns exemplos incluem o Telescópio Espacial James Webb da NASA (que acabou de chegar a L2), o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace (sucessor do Hubble) e os observatórios Euclid e Ariel da ESA. Com esses e outros instrumentos sofisticados observando mais profundamente no espaço (e mais longe no tempo), os mistérios do “Universo Escuro” não permanecerão misteriosos por muito tempo.

Leitura adicional:

Cientistas dão um passo mais perto de entender o “ponto frio” na Micro-onda Cósmica de Fundo: Fermilab

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Referência:

WILLIAMS, Matt. Finally, an Explanation for the Cold Spot in the Cosmic Microwave Background. Universe Today, 26, jan. 2022. Disponível em: <https://www.universetoday.com/154147/finally-an-explanation-for-the-cold-spot-in-the-cosmic-microwave-background/>. Acesso em: 28, jan. 2022.