Descoberta do fundo cósmico

Começando em 1948, o cosmólogo americano George Gamow e seus colegas de trabalho, Ralph Alpher e Robert Herman, investigaram a ideia que os elementos químicos podem ter sido sintetizados por reações termonucleares que ocorreram em uma bola de fogo primitiva. De acordo com seus cálculos, a alta temperatura associada ao universo primitivo teria dado origem a um campo de radiação térmica, que tem uma distribuição única de intensidade com comprimento de onda (conhecida como lei de radiação de Planck), que é uma função apenas da temperatura. Conforme o universo se expandia, a temperatura teria caído, cada fóton sendo desviado para o vermelho pela expansão cosmológica para um comprimento de onda mais longo, como o físico americano Richard C. Tolman já havia mostrado em 1934. Na época atual, a temperatura da radiação teria caído para muito baixo valores, cerca de 5 kelvins acima do zero absoluto (0 kelvin, ou −273 ° C) de acordo com as estimativas de Alpher e Herman.

O interesse nesses cálculos diminuiu entre a maioria dos astrônomos quando se tornou aparente que a parte do leão da síntese de elementos mais pesados que o hélio deve ter ocorrido dentro das estrelas, e não em um big bang quente. No início da década de 1960, físicos da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, bem como da União Soviética, retomaram o problema e começaram a construir um receptor de microondas que pudesse detectar, nas palavras do clérigo e cosmólogo belga Georges Lemaître, “o desapareceu o brilho da origem dos mundos. ”

A descoberta real da radiação remanescente da bola de fogo primitiva, no entanto, ocorreu por acidente. Em experimentos conduzidos em conexão com o primeiro satélite de comunicação Telstar, dois cientistas, Arno Penzias e Robert Wilson, dos Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, mediram o excesso de ruído de rádio que parecia vir do céu de uma forma completamente isotrópica (ou seja, o ruído de rádio era o mesmo em todas as direções). consultou Bernard Burke, do Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, sobre o problema, Burke percebeu que Penzias e Wilson muito provavelmente encontraram a radiação cósmica de fundo que Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, e seus colegas de Princeton estavam planejando pesquisar. Colocados em contato um com o outro, os dois grupos publicaram simultaneamente em 1965 artigos detalhando a previsão e descoberta de um campo de radiação térmica universal com uma temperatura de cerca de 3 K.

Medições precisas feitas pelo satélite Cosmic Background Explorer (COBE) lançado em 1989 determinaram que o espectro era exatamente característico de um corpo negro a 2,735 K. A velocidade do satélite sobre a Terra, A Terra em torno do Sol, o Sol em torno da Galáxia e a Galáxia em todo o universo fazem com que a temperatura pareça ligeiramente mais quente (cerca de uma parte em 1.000) na direção do movimento, em vez de afastá-lo. A magnitude desse efeito – a chamada anisotropia dipolo – permite aos astrônomos determinar que o Grupo Local (o grupo de galáxias que contém a Via Láctea) está se movendo a uma velocidade de cerca de 600 km por segundo (km / s; 400 milhas por segundo) em uma direção que é 45 ° da direção do aglomerado de galáxias de Virgem. Esse movimento não é medido em relação às próprias galáxias (as galáxias de Virgem têm uma velocidade média de recessão de cerca de 1.000 km / s em relação ao sistema da Via Láctea), mas em relação a um referencial local no qual a radiação cósmica de fundo em microondas aparecem como um espectro de Planck perfeito com uma única temperatura de radiação.

O satélite COBE carregava instrumentos a bordo que permitiam medir pequenas flutuações na intensidade da radiação de fundo que seria o início da estrutura (ou seja, galáxias e aglomerados de galáxias) no universo. O satélite transmitiu um padrão de intensidade em projeção angular a um comprimento de onda de 0,57 cm após a subtração de um fundo uniforme a uma temperatura de 2,735 K. As regiões brilhantes no canto superior direito e as regiões escuras no canto inferior esquerdo mostraram a assimetria dipolar. Uma faixa brilhante no meio representava o excesso de emissão térmica da Via Láctea. Para obter as flutuações em escalas angulares menores, foi necessário subtrair as contribuições dipolo e galácticas. Foi obtida uma imagem mostrando o produto final após a subtração. Patches de luz e escuridão representavam flutuações de temperatura que chegam a cerca de uma parte em 100.000 – não muito maior do que a precisão das medições.No entanto, as estatísticas da distribuição das flutuações angulares pareciam diferentes do ruído aleatório, e assim os membros da equipe investigativa do COBE encontraram a primeira evidência para o desvio da isotropia exata que cosmologistas teóricos há muito previram que deveria haver para galáxias e aglomerados de galáxias para condensar de um universo sem estrutura. Essas flutuações correspondem a escalas de distância da ordem de 109 anos-luz de diâmetro (ainda maiores do que as maiores estruturas materiais vistas no universo, como o enorme agrupamento de galáxias apelidado de “Grande Muralha”).

A Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) foi lançada em 2001 para observar as flutuações vistas pelo COBE com mais detalhes e mais sensibilidade. dições no início do universo deixaram sua marca no tamanho das flutuações. As medições precisas do WMAP mostraram que o universo inicial era de 63 por cento de matéria escura, 15 por cento de fótons, 12 por cento de átomos e 10 por cento de neutrinos. Hoje o universo tem 72,6% de energia escura, 22,8% de matéria escura e 4,6% de átomos. Embora os neutrinos sejam agora um componente desprezível do universo, eles formam seu próprio fundo cósmico, que foi descoberto pelo WMAP. O WMAP também mostrou que as primeiras estrelas do universo se formaram meio bilhão de anos após o big bang.