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De um Universo quase perfeito ao melhor dos dois mundos


As anisotropias do fundo cósmico de micro-ondas, observadas pela missão Planck da ESA.
É um instantâneo da luz mais antiga do nosso cosmos, impresso no céu quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões com densidades ligeiramente diferentes, representando as "sementes" de todas as estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje.
Esta imagem é baseada em dados da divulgação de Legado do Planck, a divulgação final de dados da missão, publicada em julho de 2018.
Crédito: ESA/Colaboração Planck

Era 21 de março de 2013. A imprensa científica mundial reuniu-se na sede da ESA, em Paris, ou ligou-se online, juntamente com uma multidão de cientistas em todo o mundo, para testemunhar o momento em que a missão Planck da ESA revelou a sua "imagem" do cosmos. Esta imagem foi obtida não com luz visível, mas com micro-ondas.

Enquanto a luz que os nossos olhos podem ver é composta de pequenos comprimentos de onda - menos de um milésimo de milímetro de comprimento - a radiação que o Planck estava a detetar abrangeu comprimentos de onda mais longos, de alguns décimos de milímetro a alguns milímetros. Mais importante ainda, foi produzida no início do Universo.

Coletivamente, esta radiação é conhecida como fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB (inglês para Cosmic Microwave Background). Medindo as suas pequenas diferenças no céu, a imagem do Planck tinha a capacidade de nos contar sobre a idade, a expansão, a história e o conteúdo do Universo. Não era nada menos que o projeto cósmico.

Os astrônomos sabiam o que esperavam ver. Duas missões da NASA, o COBE no início dos anos 90 e o WMAP na década seguinte, já tinham realizado um conjunto de pesquisas aéreas do céu análogas que resultaram em imagens semelhantes. Mas essas imagens não tinham a precisão e a nitidez do Planck.

A nova visão mostraria, pela primeira vez, a marca do Universo primitivo em detalhes meticulosos. Tudo dependia dele.

Se o nosso modelo do Universo estivesse correto, então o Planck confirmá-lo-ia com níveis de precisão sem precedentes. Se o nosso modelo estivesse errado, o Planck enviaria os cientistas de volta aos papéis.

Quando a imagem foi revelada, os dados confirmaram o modelo. O ajuste às nossas expectativas era bom demais para tirar qualquer outra conclusão: o Planck mostrava-nos um "universo quase perfeito". Porquê quase perfeito? Porque algumas anomalias permaneceram, e estas seriam o foco de pesquisas futuras.

Agora, cinco anos depois, o consórcio Planck fez a sua divulgação de dados final, conhecida como o lançamento do legado de dados. A mensagem continua a mesma e é ainda mais forte.

"Este é o legado mais importante do Planck", diz Jan Tauber, Cientista do Projeto Planck da ESA. "Até agora, o modelo-padrão da cosmologia sobreviveu a todos os testes e o Planck fez as medições que mostram isso."

Todos os modelos cosmológicos são baseados na Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein. Para reconciliar as equações relativísticas gerais com uma ampla gama de observações, incluindo o fundo cósmico de micro-ondas, o modelo-padrão de cosmologia inclui a ação de dois componentes desconhecidos.

Em primeiro lugar, um componente atrativo da matéria, conhecido como matéria escura e fria, que, ao contrário da matéria comum, não interage com a luz. Em segundo lugar, uma forma repulsiva de energia, conhecida como energia escura, que está a impulsionar a atual expansão acelerada do Universo. Descobriu-se que estes são componentes essenciais para explicar o nosso cosmos, além da matéria comum que conhecemos. Mas ainda não sabemos o que estes componentes exóticos realmente são.

O Planck foi lançado em 2009 e recolheu dados até 2013. O seu primeiro lançamento - que deu origem ao Universo quase perfeito - foi feito na primavera daquele ano. Baseou-se unicamente na temperatura da radiação cósmica de fundo de micro-ondas e utilizou apenas as duas primeiras pesquisas do céu da missão.

Os dados também forneceram mais evidências para uma fase muito inicial da expansão acelerada, chamada inflação, na primeira fração minúscula de um segundo da história do Universo, durante a qual as sementes de todas as estruturas cósmicas foram semeadas. Fornecendo uma medida quantitativa da distribuição relativa dessas flutuações primordiais, o Planck forneceu a melhor confirmação já obtida do cenário inflacionário.

Além de mapear a temperatura do fundo cósmico de micro-ondas através do céu com uma precisão sem precedentes, o Planck também mediu a sua polarização, a qual indica se a luz está a vibrar numa direção preferida. A polarização do fundo cósmico de micro-ondas contém uma impressão da última interação entre as partículas de radiação e matéria no Universo primordial e, como tal, contém informações adicionais importantes sobre a história do cosmos. Mas também pode conter informações sobre os primeiros instantes do nosso Universo e dar-nos pistas para entender o seu nascimento.

Em 2015, uma segunda divulgação de dados reuniu todos os dados recolhidos pela missão, que totalizaram oito pesquisas do firmamento. Deu a temperatura e a polarização, mas veio com um alerta.

"Sentimos que a qualidade de alguns dos dados de polarização não era boa o suficiente para ser usada para cosmologia," diz Jan. Acrescentando que - é claro - isso não os impediu de fazer cosmologia com eles, mas que algumas conclusões obtidas na altura necessitam confirmação adicional e, portanto, deverão ser tratados com cautela.

E esta é a grande mudança para este lançamento de dados do Legacy 2018. O consórcio Planck concluiu um novo processamento dos dados. A maioria dos primeiros sinais que pediram cautela desapareceram. Os cientistas estão agora certos de que tanto a temperatura quanto a polarização estão determinadas com precisão.

"Agora estamos realmente confiantes de que podemos recuperar um modelo cosmológico baseado unicamente na temperatura, apenas na polarização e baseado na temperatura e na polarização. E todos combinam," diz Reno Mandolesi, investigador principal do instrumento LFI do Planck, da Universidade de Ferrara, Itália.

"Desde 2015, foram recolhidos mais dados astrofísicos através de outras experiências, e novas análises cosmológicas foram também realizadas, combinando observações do CMB, em pequenas escalas, com aquelas de galáxias, aglomerados de galáxias e supernovas que, na maioria das vezes, melhoraram a coerência com os dados de Planck e o modelo cosmológico apoiado pelo Planck," diz Jean-Loup Puget, investigador principal do instrumento de HFI do Planck, no Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Este é um feito impressionante e significa que os cosmólogos podem ter certeza de que a sua descrição do Universo como um lugar contendo matéria comum, matéria escura fria e energia escura, povoada por estruturas que haviam sido semeadas durante uma fase inicial de expansão inflacionária, está amplamente correta.

Mas há algumas peculiaridades que precisam ser explicadas - ou tensões, como lhes chamam os cosmólogos. Uma, em particular, está relacionada com a expansão do Universo. A taxa dessa expansão é dada pela chamada Constante de Hubble.

Para medir a constante de Hubble, tradicionalmente, os astrónomos confiam nas medições das distâncias através do cosmos. Só podem fazer isso para o Universo relativamente local, medindo o brilho aparente de certos tipos de estrelas variáveis próximas e estrelas em explosão, cujo brilho real pode ser estimado independentemente. É uma técnica bem desenvolvida que foi aperfeiçoada ao longo do século passado, iniciada por Henrietta Leavitt e, mais tarde, aplicada no final da década de 1920, por Edwin Hubble e colaboradores, que usaram estrelas variáveis em galáxias distantes e outras observações para revelar que o Universo se estava a expandir.

A cifra que os astrônomos derivam a partir da constante de Hubble, utilizando uma ampla variedade de observações de ponta, incluindo algumas do observatório homônimo do Hubble, o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, é de 73,5 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas dois por cento. As unidades, ligeiramente esotéricas, dão a velocidade da expansão em km/s para cada milhão de parsecs (Mpc) de separação no espaço, onde um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz.

Uma segunda maneira de estimar a constante de Hubble é através da utilização do modelo cosmológico que se encaixa na imagem de fundo cósmico de micro-ondas, que representa o Universo muito jovem, e calcular uma previsão para o que a constante de Hubble deveria ser hoje. Quando aplicado aos dados do Planck, este método fornece um valor mais baixo de 67,4 km/s/Mpc, com uma pequena incerteza de menos de um por cento.

Por um lado, é extraordinário que duas formas radicalmente diferentes de derivar a constante de Hubble - uma usando o Universo local maduro e outra baseada no distante Universo infantil - estejam tão próximas uma da outra. Por outro lado, em princípio, esses dois números devem concordar dentro das suas respetivas incertezas. Essa é a tensão, e a questão é como podem eles ser reconciliados?

Ambos os lados estão convencidos de que quaisquer erros remanescentes nas suas metodologias de medição são agora muito pequenos para causar a discrepância. Então, pode ser que exista algo ligeiramente peculiar no nosso ambiente cósmico local que torne a medida próxima um tanto anômala? Sabemos, por exemplo, que a nossa galáxia está numa região pouco densa do Universo, o que poderia afetar o valor local da constante de Hubble. Infelizmente, a maioria dos astrônomos acha que tais desvios não são grandes o suficiente para resolver esse problema.

"Não existe uma solução astrofísica única e satisfatória que possa explicar a discrepância. Assim, talvez exista alguma nova física a ser encontrada," diz Marco Bersanelli, vice-investigador principal do instrumento LFI da Universidade de Milão, na Itália.

'Nova física' significa que partículas ou forças exóticas poderiam estar a influenciar os resultados. No entanto, por mais emocionante que essa perspetiva pareça, os resultados do Planck colocam severas restrições a essa linha de pensamento, porque se ajustam tão bem à maioria das observações.

"É muito difícil adicionar novas físicas para aliviar a tensão e ainda manter a descrição precisa do modelo-padrão de tudo o que já se encaixa," diz François Bouchet, vice-investigador principal do instrumento de HFI do Planck, do Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Como resultado, ninguém foi capaz de chegar a uma explicação satisfatória para as diferenças entre as duas medições, e a questão permanece por resolver.

"De momento, não devemos ficar muito empolgados em encontrar uma nova física: pode ser que a discrepância relativamente pequena possa ser explicada por uma combinação de pequenos erros e efeitos locais. Mas precisamos continuar a melhorar as nossas medições e pensar em maneiras melhores de explicá-las," diz Jan.

Este é o legado do Planck: com o seu Universo quase perfeito, a missão deu aos investigadores a confirmação dos seus modelos, mas com alguns detalhes para resolver. Por outras palavras: o melhor dos dois mundos.


As anisotropias do fundo cósmico de micro-ondas, observadas pela missão Planck da ESA.
É um instantâneo da luz mais antiga do nosso cosmos, impresso no céu quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões com densidades ligeiramente diferentes, representando as "sementes" de todas as estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje.
A imagem de topo mostra as anisotropias na temperatura da CMB à mais alta resolução obtida pelo Planck. A do meio, as anisotropias de temperatura foram filtradas para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas que rondam os 5º no céu. A imagem de baixo mostra as anisotropias de temperatura filtradas com uma indicação da direção da fração polarizada da CMB.
Uma pequena fração da CMB é polarizada - vibra num direção preferida. Este é o resultado do último encontro desta luz com eletrões, antes de começar a sua viagem cósmica. Por esta razão, a polarização da CMB retém informação acerca da distribuição da matéria no Universo inicial, e o seu padrão no céu segue o padrão das pequenas flutuações observadas na temperatura da CMB.
Estas imagens são baseadas em dados da divulgação de Legado do Planck, a divulgação final de dados da missão, publicada em julho de 2018.
Crédito: ESA/Colaboração Planck


Sumário da história de quase 14 bilhões de anos do Universo, mostrando em particular os eventos que contribuíram para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
O cronograma da seção superior da ilustração mostra uma impressão de artista da evolução do cosmos em larga escala. Os processos variam entre a inflação, a breve era de expansão acelerada do Universo quando tinha apenas uma pequena fração de um segundo, a libertação da CMB, a forma mais antiga de luz do Universo, impressa no céu quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos; e da "Idade das Trevas" até ao nascimento das primeiras estrelas e galáxias, que reionizaram o Universo quanto tinha apenas algumas centenas de milhões de anos, até ao presente.
Pequenas flutuações quânticas geradas durante o período inflacionário são as sementes das estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje. Depois do fim da inflação, as partículas de matéria escura começaram a aglomerar-se em torno destas sementes cósmicas, construindo lentamente uma teia cósmica de estruturas. Mais tarde, depois da libertação da CMB, a matéria normal começou a cair na direção destas estruturas, eventualmente dando origem às estrelas e galáxias.
As imagens circulares na secção inferior mostram ampliações de alguns processos microscópicos que tiveram lugar durante a história cósmica: desde pequenas flutuações geradas durante a inflação, até à sopa densa de luz e partículas que preencheram o Universo jovem; passando pela última dispersão de luz pelos eletrões, que deram origem à CMB e à sua polarização, até à reionização do Universo, provocada pelas primeiras estrelas e galáxias, que induziram polarização adicional na CMB.
Crédito: ESA



A evolução das medições da velocidade de expansão do Universo, dada pela denominada Constante de Hubble, ao longo das últimas duas décadas. As unidades, ligeiramente esotéricas, dão a velocidade da expansão em km/s para cada milhão de parsecs (Mpc) de separação no espaço, onde um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz.
Nos anos mais recentes, o valor que os astrónomos derivam para a Constante de Hubble, usando uma variedade de observações topo-de-gama para medir distâncias pelo cosmos é de 73,5 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas 2%. Estas medições estão em azul.
Uma segunda maneira de estimar a constante de Hubble é através da utilização do modelo cosmológico que se encaixa na imagem de fundo cósmico de micro-ondas, que representa o Universo muito jovem, e calcular uma previsão para o que a constante de Hubble deveria ser hoje. As medições com base neste método, usando dados do satélite WMAP da NASA, podem ser vistos em verde, e aquelas obtidas usando dados da missão Planck da NASA podem ser vistas em vermelho.
Quando aplicado aos dados do Planck, este método fornece um valor mais baixo de 67,4 km/s/Mpc, com uma pequena incerteza de menos de um por cento.
Por um lado, é extraordinário que duas formas radicalmente diferentes de derivar a constante de Hubble - uma usando o Universo local maduro e outra baseada no distante Universo infantil - estejam tão próximas uma da outra. Por outro lado, em princípio, esses dois números devem concordar dentro das suas respetivas incertezas, provocando o que os cientistas apelidam de "tensão" - um puzzle que ainda precisa ser explicado.
O único ponto roxo é uma medição obtida através de ainda outro método, usando dados da primeira observação simultânea de luz e ondas gravitacionais emitida pela mesma fonte - um par de estrelas de neutrões em colisão.
Crédito: ESA/Colaboração Planck

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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