Cosmologia: radiação cósmica de fundo

Porque as suas coisas invisíveis, desde a criação do mundo, tanto o seu eterno poder, como a sua divindade, se entendem, e claramente se vêem pelas coisas que estão criadas, para que eles fiquem inescusáveis;

Romanos 1:20

A coluna de hoje tratará de um dos temas mais emblemáticos para a cosmologia: radiação cósmica de fundo. A sua descoberta, quase que por acaso na década de 1960, deu uma das maiores evidências à teoria do Big Bang (BB) e, concomitantemente, se mostrou um dos maiores problemas (que foi resolvido, teoricamente, apenas no início da década de 1980, com a modelagem de inflação; ainda trataremos desse assunto). Antes, vamos entender o que é esse tipo de fenômeno.

Definição

Radiação, como a gente já viu, é formado por fótons (partículas de luz) e que tem comportamento ondulatório regido pela mecânica quântica. Ou seja, a luz / radiação se comporta como partícula (fótons) ou como onda (tem frequência, comprimento de onda etc). O que diferencia uma luz de outra é a frequência:

Espectro eletromagnético simplificado

Observe, pela imagem acima, que quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda e vice versa. Outro detalhe é a questão da energia: quanto maior a frequência, mais energético ou “mais forte” é a radiação. Por exemplo, a radiação em raios gama é muito mais perigosa do que a radiação de luz vermelha. Sobre essa questão de fazer mal (radiação ionizante) há uma outra coluna que detalha melhor sobre isso.

O que vai nos importar, do espectro eletromagnético, é a faixa de cor amarelo queimado chamada micro-ondas. Esse tipo de radiação, não-ionizante (não faz mal à saúde), é a mesma que utilizamos nos aquecedores ou micro-ondas caseiros: você coloca um alimento, liga (há uma porta que tem pequeninos “furinhos”, como se fosse uma tela, para impedir que a radiação saia) e tempo depois o objeto está quente. O que acontece é que o aparelho emite radiação em frequência de micro-ondas (fótons) e, por interação atômica com o objeto, há processos termodinâmicos.

História

Na coluna sobre as evidências da teoria do BB mencionei a história de George Gamow e seus colaboradores (Ralph Alpher, Hans Bether e Robert Herman) que trabalharam na fabricação do modelo em termos teóricos, com matemática e previsões. Uma dessas previsões seria de que, se o universo começou com uma grande temperatura (escala de 1032 Kelvin) e em um tamanho diminuto (volume tendendo a zero), em seu nascimento, então nos dias atuais existiria uma radiação, na frequência de micro-ondas, na temperatura (que foi diminuindo) de 5 K. Essa previsão, quase que uma verdadeira profecia, é de 1948.

Quase 20 anos depois, trabalhando com antenas de comunicação na empresa Bell Telephone Laboratories, Penzias e Wilson descobriram um ruído que não podia ser limpo, algo como uma interferência eletromagnética (como chiado de rádio ou das TVs antigas). Conversando com um grupo de físicos de Princeton (Robert Dick, Yakov Zel’dovich e James Peebles, dentre outros), o que descobriam é que o ruído, na faixa de frequência de micro-ondas e impossível de ser limpo (pois vinha de todas as direções) era, na realidade, a radiação prevista por Gamow & Cia em 1948.

Batizada por radiação cósmica de fundo (CMB – cosmic microwave backgroun, sigla em inglês e que chamarei assim daqui em diante), esse objeto é como se fosse uma grande piscina (ou banho térmico) de fótons onde todo o universo está imerso. A temperatura dessa radiação (toda radiação tem uma temperatura associada: coloque seu braço à luz do Sol e você sentirá o quanto será aquecido pela radiação térmica) está na faixa prevista por Gamow & Cia, hoje bem medida com excelente previsão e estando na casa dos 2,73 K (algo como -270,42º Celsius; 1 K = -272,15º Celsius).

Wilson (esquerda) e Penzias em frente a antena de comunicação que detectou a CMB.
Fonte: https://www.npr.org/2014/05/20/314239930/big-bangs-afterglow-two-scientists-recall-their-big-discovery

Nas décadas seguintes a descoberta, muita coisa aconteceu. O satélite COBE foi lançado na década de 1990 e obteve um mapa completo do céu nessa radiação (COBE: COsmic Background Explorer).

Imagem obtida pela sonda COBE.
Fonte: https://science.nasa.gov/missions/cobe

Já o satélite WMAP fez excelentes medidas cosmológicas com a CMB nos anos 2000 (WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Imageamento feito pelo satélite WMAP.
Fonte: https://map.gsfc.nasa.gov/media/101080/index.html

A sonda Planck elevou o nível das medidas da CMB a um outro patamar, apurando muito mais as medidas da constante de Hubble (e da idade do universo), finalizando sua missão em 2013. Diversos prêmios nobéis em física foram entregues, como a Penzias e Wilson em 1978, Mather e Smoot em 2006 e em 2013, Peebles recebe pelo conjunto de sua obra (contribuições teóricas em cosmologia física) que inclui a CMB. Ainda farei colunas exclusivas sobre essas premiações e, claro, haverá mais detalhes sobre a CMB.

Veja como essa resolução está muito maior do que as outras imagens. Sonda Planck.
Fonte: http://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/03/Planck_CMB

Formação

Ainda veremos sobre o período inicial do universo (em cosmologia quântica sobre o nascimento em si do universo e um pouco mais sobre cosmologia do universo primordial) futuramente, mas apenas para conectar com a CMB, algumas ideias de como ela se formou. O início do universo é quente, denso e com dominação de radiação. Isso significa que no seu começo não há planetas, galáxias, pessoas ou átomos: há apenas um grande mar de energia em forma de partículas elementares. E mais: todo o universo estava confinado em um tamanho minúsculo (tecnicamente: volume igual a zero, que é a singularidade, ou seja, densidade infinita). Ou seja, não há estruturas nucleares formadas.

Com o passar do tempo (escala de segundos após o nascimento do universo), ele fica cada vez maior (em volume) e começa a se resfriar (temperatura inicial na escala de 1032 graus Celsius: 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000o C). Só que, mesmo o universo crescendo e se resfriando, a temperatura ainda continua alta o suficiente para continuar as fusões nucleares (formação dos primeiros átomos simples da tabela periódica, como hidrogênio, hélio, deutério etc). E todos os fótons emitidos por partículas são absorvidos por outras partículas: não há formação de uma radiação solta ou luz iluminando o universo primordial.

E essa situação de emissão-absorção de fótons pelas partículas que estão formando os primeiros átomos (lembre-se: não há estrutura formada como galáxias etc e todo o universo ainda está confinado em um volume muito menor do que vemos atualmente) continua até por volta de 400 mil anos de após o Big Bang (você pode ver esse número, em alguns livros e artigos, oscilando entre 370 mil, 375 mil e 400 mil anos; estou arrendando para efeitos didáticos). Ou seja, até 400 mil anos de idade o universo é praticamente opaco, não há estruturas formadas e há apenas átomos mais simples da tabela periódica.

Quando chega a 400 mil anos, o universo já tem um tamanho grande o suficiente para que fótons seja emitidos e não encontrem outras partículas e átomos para serem absorvidos. Ou seja, há espaço para eles viajarem livremente. A junção desses fótons primordiais, que não são mais absorvidos e viajam livremente no espaço, é chamada de radiação cósmica de fundo: é uma radiação (fótons) na frequência de micro-ondas (devido a expansão do universo desde essa época) e é de fundo porque todo o universo a emite, vem de todas as direções.

Infográfico representando a evolução do universo desde o seu início (no Big Bang) até os dias atuais (quase 14 bilhões de anos depois). Em 380 mil anos depois do BB tem a formação da CMB.
Fonte: http://www.bigbangcentral.com/microwave_page.html

Conclusão

Em resumo, a ideia de CMB como vinda do espaço é anterior às previsões de Gamow & Cia. Mas, da forma como foi descoberta e com as características que conhecemos hoje tiveram um claro direcionamento teórico. Penzias e Wilson não estudavam micro-ondas, cosmologia ou astrofísica, e muito menos tinham interesse primário em fazer observações para se descobrir fenômenos que tinham sido teorizados; seus objetivos eram técnicos, de pesquisa em telecomunicações. Quem estava em busca da CMB era o grupo de Princeton (nome que chamamos a turma de físicos que incluía Dicke e Peebles). Se você olhar por fora, a descoberta da CMB foi um puro acaso. Talvez encontraríamos essa radiação em anos posteriores à década 1960.

Como cristãos e olhando para a forma como a natureza se comporta é bastante claro que não exsite acaso no sentido de coisas agindo sem direcionamento. Assim como Cristo nasceu na plenitude dos tempos, no momento exato, acreditamos que as descobertas físicas, sejam teóricas, matemáticas ou experimentais / observacionais, acontecem no momento certo, com a pessoa certa e no lugar certo. O que isso implica a nós é outra história; se vamos entender, compreender ou aceitar, isso é mais uma questão interna humana do que da história divina.

E a história divina está nos contando, através da CMB, que o universo teve um começo, teve um processo físico exato de nascimento e que o Criador utilizou as leis que Ele mesmo escreveu. Vamos entender isso com tranquilidade, com amor e continuar estudando com afinco ou vamos continuar as lendas de que há conflito entre fé cristã e ciência?

Infográfico feito pela missão WMAP mostrando a história do universo. As datas são aproximadas. Veja que a CMB surge quando o universo tem apenas 375 mil anos de idade, ou seja, ela é a foto do universo quando era apenas um bebê
Fonte: https://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html

Porque nele foram criadas todas as coisas que há nos céus e na terra, visíveis e invisíveis, sejam tronos, sejam dominações, sejam principados, sejam potestades. Tudo foi criado por ele e para ele.

Colossenses 1:16

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Fiz mestrado e doutorado na área de cosmologia quântica. Minha dissertação e tese tem capítulo específico sobre física quântica. Também escrevi um livro, fruto da dissertação. O título da dissertação é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela, o da tese é Discretização da energia no universo primordial e o do livro é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela: Proposta de soluções;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado.
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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