Pensa-se que o fundo cósmico de micro-ondas (CMB) seja a radiação residual do Big Bang, ou a época em que o universo começou. Segundo a teoria, quando o universo nasceu, ele passou por uma rápida inflação e expansão. (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 todos os lugares do universo. É invisível para 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 microondas do espectro eletromagnético.
Origens e descoberta
O universo começou 13,8 bilhões de anos atrás, e o CMB data de cerca de 400.000 anos após o Big Bang. Isso porque nos primeiros estágios do universo, quando tinha apenas cem -milhões do tamanho que tem hoje, sua temperatura era extrema: 273 milhões de graus acima do zero absoluto, de acordo com a NASA.
Todos os átomos presentes naquele momento foram rapidamente quebrados em pequenas partículas (prótons e elétrons). A radiação do CMB em fótons (partículas que representam quantums de luz ou outra radiação) foi espalhada pelos elétrons. “Assim, os fótons vagaram pelo universo primitivo, assim como a luz óptica vagueia por uma névoa densa”, escreveu a NASA.
Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo era frio o suficiente para que o hidrogênio pudesse se formar. Como os fótons do CMB quase não são afetados ao atingir o hidrogênio, os fótons viajam em linha reta. Os cosmologistas se referem a uma “superfície do último espalhamento” quando os fótons do CMB atingiram a matéria pela última vez; depois disso, o universo era muito grande. Então, quando mapeamos o CMB, estamos olhando para trás no tempo até 380.000 anos após o Big Bang, logo após o universo ter ficado opaco à radiação.
O cosmologista americano Ralph Apher previu pela primeira vez o CMB em 1948, quando estava trabalhando com Robert Herman e George Gamow, de acordo com a NASA. A equipe estava fazendo pesquisas relacionadas à nucleossíntese do Big Bang, ou a produção de elementos no universo além do isótopo (tipo) mais leve 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 da Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) estavam criando um receptor de rádio e ficaram perplexos pelo barulho que estava aumentando. Eles logo perceberam que o barulho vinha de maneira uniforme 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 percebeu do experimento Bell e percebi que o CMB havia sido encontrado.
Ambas as equipes publicaram rapidamente 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 recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1978).
Estudando em mais detalhes
O CMB é útil para os cientistas porque nos ajuda a aprender como o universo primitivo foi formado. uma temperatura uniforme com apenas pequenas flutuações visíveis com telescópios precisos. “Ao estudar essas flutuações, os cosmologistas podem aprender sobre a origem das galáxias e estruturas de grande escala das galáxias e podem medir os parâmetros básicos da teoria do Big Bang”, escreveu a NASA.
Enquanto porções 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 operações científicas em 1993. Esta “imagem infantil” do universo, como N ASA chama isso, confirma as previsões da teoria do Big Bang e também mostra indícios de estrutura cósmica que não foram vistos antes. Em 2006, o Prêmio Nobel de Física foi concedido aos cientistas do COBE John Mather no Goddard Space Flight Center da NASA e George Smoot na University of California, 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 colecionar ciência dados em 2010. A primeira imagem fixou a idade do universo em 13,7 bilhões de anos (uma medida desde então refinada para 13,8 bilhões de 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 de previsto.
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 granulometria 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 do WMAP recebeu o Prêmio Revelação de Física Fundamental de 2018 por seu trabalho.
Em 2013, dados do telescópio espacial Planck da Agência Espacial Europeia foram divulgados, mostrando a imagem de maior precisão do CMB até então. Cientistas descobriu 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. Lançamento de dados finais de Planck em 2018 (a missão operada entre 2009 e 2013) mostraram 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 examinar diferentes aspectos do CMB. Um é determinar os tipos de polarização chamados modos E (descobertos pelo interferômetro de escala angular de grau da Antártica em 2002) e modos B. Os modos B podem ser produzidos a partir de lentes gravitacionais dos modos E (essas lentes foram vistas 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 com base na Antártica foi dito ter encontrado modos B de onda gravitacional, mas observações adicionais (incluindo trabalho de Planck) mostraram que esses resultados se deviam à poeira cósmica.
Em meados de 2018 , os cientistas ainda estão procurando 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 do que a velocidade da luz. Se isso aconteceu, os pesquisadores suspeitam que isso deveria ser visível no CMB por meio de uma forma de polarização. Um estudo daquele ano sugeriu que um brilho de nanodiamantes cria uma luz fraca, mas perceptível, que interfere nas observações cósmicas. Agora que esse brilho foi contabilizado, investigações futuras podem removê-lo para procurar melhor a polarização fraca no CMB, disseram os autores do estudo na época.