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A Idade Transparente do Universo: Qual é o Segredo do Período de Recombinação?
No universo observável, a radiação cósmica de fundo (CMB) é a radiação de microondas onipresente que preenche todo o espaço observável. O espaço de fundo entre galáxias e estrelas observado por telescópios ópticos comuns é quase completamente escuro, mas se usarmos um radiotelescópio sensível o suficiente, podemos detectar um brilho de fundo fraco que não está associado a nenhuma estrela, galáxia ou outro objeto. Essa luz fraca é mais intensa na região de microondas do espectro eletromagnético.
Em 1965, a descoberta acidental dos radioastrônomos americanos Arno Penzias e Robert Wilson foi de grande importância, marcando o fim do trabalho dos cientistas na década de 1940. O surgimento da radiação cósmica de fundo em micro-ondas se tornou uma evidência marcante para a teoria do Big Bang. No modelo do universo do Big Bang, o universo primitivo era preenchido com um plasma opaco, denso e quente de partículas subatômicas. À medida que o universo se expandia, esses plasmas esfriavam e prótons e elétrons se fundiam para formar átomos neutros, principalmente hidrogênio. Esses átomos são incapazes de espalhar radiação térmica via espalhamento de Thomson, tornando o universo transparente.
Combinado com esse evento de desacoplamento da época, os fótons foram liberados para viajar livremente pelo espaço. Entretanto, à medida que o Universo se expande, a energia desses fótons diminui devido ao desvio para o vermelho causado pela expansão do universo.
Isso é chamado de "superfície de última dispersão" e é a faixa de distância correta na qual os fótons que foram originalmente emitidos durante o desacoplamento podem ser recebidos. Embora o CMB seja aproximadamente uniforme, ele não é completamente suave e exibe leves anisotropias. Experimentos terrestres e espaciais, como COBE, WMAP e Planck, foram usados para medir essas não homogeneidades de temperatura.
A estrutura anisotrópica é determinada pelas várias interações entre matéria e fótons no ponto de desacoplamento, formando um padrão característico de saliências e saliências que varia com a escala angular.
A distribuição anisotrópica do CMB tem componentes de frequência de grade que podem ser representados por um espectro de potência mostrando uma série de picos e vales. Os picos desse espectro carregam informações importantes sobre as propriedades físicas do universo primitivo: o primeiro pico determina a curvatura geral do universo, enquanto o segundo e o terceiro picos detalham as densidades da matéria normal e da chamada matéria escura.
Pode ser desafiador extrair detalhes de dados de CMB porque a radiação é modificada por características de primeiro plano, como aglomerados de galáxias.
Características da radiação cósmica de fundo
A radiação cósmica de fundo em micro-ondas é uma emissão uniforme de energia térmica do corpo negro de todas as direções, com intensidade medida em Kelvin (K). O espectro do corpo negro quente do CMB é mais claramente definido a uma temperatura de 2,72548±0,00057 K. Mudanças na intensidade são expressas como mudanças na temperatura, e a temperatura do corpo negro pode descrever exclusivamente a intensidade da radiação em todos os comprimentos de onda. A temperatura de brilho medida em qualquer comprimento de onda pode ser convertida para a temperatura do corpo negro.
A radiação do CMB é muito uniforme no céu, com pouca estrutura em comparação aos aglomerados de matéria em estrelas ou galáxias. Sua radiação é isotrópica em todas as direções, cerca de 1 parte em 25.000.
Embora a anisotropia do CMB seja extremamente pequena, muitos aspectos dela podem ser medidos com alta precisão, e essas medições são cruciais para teorias cosmológicas. Além da anisotropia de temperatura, o CMB deve ter variações angulares na polarização. A direção da polarização em cada direção do céu é descrita pela polarização do modo E e do modo B. A intensidade do sinal do modo E é 10 vezes menor que a anisotropia da temperatura. Ele serve como um complemento aos dados de temperatura e é correlacionado com eles.
O sinal do modo B é mais fraco, mas pode conter dados cosmológicos adicionais, e a origem da anisotropia também está relacionada à física da polarização.
Também é esperado que o CMB mostre pequenas distorções espectrais no espectro que se afastam da lei do corpo negro. Este também é um dos focos de pesquisa ativos no momento, e os pesquisadores esperam medi-los pela primeira vez nas próximas décadas porque eles contêm informações valiosas sobre o universo primordial e a formação de estruturas posteriores.
De acordo com Chuck no V4 do Hubble, dada uma proporção de tamanho de 400 para 1, o CMB contém a maioria dos fótons no Universo, com uma densidade numérica um bilhão de vezes maior que a da matéria no Universo. Isso significa que, sem a expansão do Universo para resfriar o CMB, o céu noturno seria tão brilhante quanto o Sol.
De uma perspectiva histórica
A existência da radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi prevista e explorada pelos primeiros estudiosos. Em 1931, Georges Lemaître especulou que os remanescentes do universo primitivo poderiam ser observados na forma de radiação; e em 1948, Ralph Alph e Robert Hermann previram ainda mais a existência da radiação cósmica de fundo em micro-ondas e estimaram sua temperatura em cerca de 5 Kelvin. Embora tenha havido um ligeiro desvio, a fundação teórica havia sido formada.
A primeira detecção positiva da radiação cósmica de fundo ocorreu em 1964, quando cientistas da Universidade de Princeton começaram a construir instrumentos para medir a radiação cósmica de fundo e, então, em 1964, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram acidentalmente a existência da radiação cósmica de fundo nos Laboratórios Bell.
Em 1965, essa descoberta não apenas demonstrou a existência da radiação de fundo de micro-ondas, mas também se tornou um grande avanço no campo da cosmologia, confirmando o modelo do Big Bang.
Com o desenvolvimento da tecnologia, detectores como COBE, WMAP e Planck continuaram a conduzir pesquisas aprofundadas sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, fornecendo evidências sólidas e orientação teórica para nossa compreensão da formação e evolução do universo.
Hoje, a pesquisa sobre o fundo cósmico de micro-ondas ainda está em andamento, e os cientistas ainda estão entusiasmados em explorar informações sobre o universo primitivo. Então, que mistérios não resolvidos você acha que o fundo cósmico de micro-ondas esconde?
