Radiação Cósmica de Fundo: Características e Atualidades

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1 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Radiação Cósmica de Fundo... Radiação Cósmica de Fundo: Características e Atualidades COSMIC MICROWAVE BACKGROUND: NEWS AND FEATURES Tamila Marques Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS) A nossa compreensão do Universo mudou radicalmente nos últimos 15 anos começando pelo julgamento de problemas ainda não resolvidos referentes ao processo de formação de estruturas. Em Cosmologia, a maior parte dos especialistas nesta área consideram a radiação cósmica de fundo em microondas (RCFM) como a melhor evidência para o modelo do Big Bang de criação do universo. Portanto, a radiação cósmica de fundo é uma forma de radiação eletromagnética, que possui um espectro térmico de corpo negro na faixa de microondas, e foi prevista por George Gamov, Ralph Alpher e Robert Herman em 1948 e descoberta em 1965 por Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, fazendo destes dois últimos, ganhadores do Prêmio Nobel de Física em Palavras-Chave: Radiação Cósmica de Fundo, Grande Explosão, Espectro Térmico Our understanding of the universe has changed radically in the last 15 years starting with the trial of unresolved problems relating to the structure formation process. In cosmology, most experts in the field consider the cosmic microwave background (CMB) as the best evidence for the Big Bang model of the creation of the universe. Therefore, the cosmic microwave background radiation is a form of electromagnetic radiation, which has a thermal blackbody spectrum in the microwave range, and was predicted by George Gamow, Ralph Alpher and Robert Herman in 1948 and discovered in 1965 by Arno Penzias and Robert Woodrow Wilson, doing these last two, Nobel Prize in Physics in Key Words: Cosmic Microwave Background, Big Bang, Thermal Spectrum INTRODUÇÃO Em vários instantes passamos por situações as quais deixam-nos perplexos. Uma destas situações é presenciar um forno microondas em funcionamento: ao colocar um alimento neste aparelho, em poucos instantes e de forma rápida, está pronto para ser digerido. Ou então, falar em um telefone móvel (ou não!) com alguém fora do país ou passar um fax para essa pessoa. Ou talvez, vivenciar noticiários, como por exemplo é possível fazer um clone seu!. É incrível acompanhar o grande avanço tecnológico em nossa sociedade, fazendo com que diversos Campos do Saber (Informática, Educação, Engenharia e outros) se desenvolvam com mais qualidade e rapidez em seus ofícios. Um dos temas relacionados com o Campo do Saber da Física que vem ganhando destaque com este desenvolvimento tecnológico é a Astronomia e a Cosmologia, que estudam os astros e o Universo como um todo. É incrível se deparar com noticias e curiosidades que estas áreas científicas trazem tornando-as mais interessantes e alvo de discussões. Uma das discussões que ainda traz opiniões diversas é a criação do Universo. Sob a visão cosmológica, a teoria mais aceita atualmente para explicar a criação do Universo é a teoria científica do Big Bang a qual é sustentada por diversas observações nas quais se salientam que o universo nasceu devido a fase densa e quente que se encontrava há cerca de 13,7 bilhões de anos. (FRIANÇA, 2003; GAMOW, 1971; WEINBERG, 1977; ZEILIK, 1979). O Big Bang, ou grande explosão térmica, é um modelo que une dois pré-supostos (WOLLACK, 2011): a Teoria da Relatividade Geral partindo do princípio das equações de Friedmann (em conjunto com as de 45

2 Tamila Marques CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Einstein, que explicam a interação gravitacional da matéria) concomitantemente com as discussões de que os desvios espectrais observados em nebulosas seriam resultado da explosão de um átomo primeval (a visão do Universo independe da direção de onde, e para onde, se olhe princípio cosmológico - ou da localização do observador e portanto, a grande explosão não se deu numa determinada região puntual do espaço vazio, mas, em todo ele ao mesmo tempo), reforçando importante relações entre os redshifts e distâncias de objetos longínquos, conhecida como Lei de Hubble. Edwin Powell Hubble determinou a extensão de nosso universo ao provar que existem outras galáxias, medindo suas distâncias, características e analisando seus movimentos que não eram ao acaso. Ou seja, este estudo possibilitou verificar que no início do tempo-espaço a matéria estaria de tal forma compactada que os objetos estariam muito mais próximos uns dos outros (CHRISTIANSON, 1996). A aproximadamente anos após a grande explosão térmica, a densidade de energia em forma de matéria passou a ser maior do que a densidade em forma de radiação, e, assim, a matéria dominou o Universo primitivo. Esse fenômeno foi em função da nucleosíntese - atuação da força forte que atraiu prótons e nêutrons os quais se comprimiram em núcleos primitivos (ALPHER, BETHE e GAMOW, 1948). Passado anos, o desvio para o vermelho cosmológico fazia com que o plasma esfriasse até que fosse possível aos elétrons se combinarem com os núcleos atômicos para formarem átomos. Ou seja, núcleos atômicos de Hidrogênio, Hélio e Lítio recém-formados se ligaram aos elétrons possibilitando uma queda de temperatura universal que naquela ocasião estava em torno de K (BURBIDGE et al, 1957). Essa era da formação atômica, durou em torno de um milhão de anos e enquanto o Universo expandia a radiação pelo espaço, simultaneamente a matéria se esfriava. Em outras palavras, com os avanços dos estudos cosmológicos foi observado que como a temperatura poderia ser vista como a medida da energia média das partículas (sendo proporcional à matéria do universo), pressupõe-se que ao dobrar o tamanho do universo, sua temperatura média cairia pela metade, e, daquela energia irradiada sobraram alguns resquícios em forma de microondas - que foram detectadas em 1964 por Arno A. Penzias e Robert W. Wilson - a radiação de fundo em microondas (PENZIAS e WILSON, 1965). RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICROONDAS (RCFM): A ESTRUTURA FÓSSIL DO UNIVERSO No final da década de 60, por exemplo, uma noticia bombástica parou o mundo ao anunciar que o homem pisou na Lua. Muitos duvidaram! Porém com dúvidas ou não, era o inicio de motivação para grandes descobertas e estudos sobre o Universo. Anos depois, em 1978, a descoberta da existência de uma radiação que traz informações sobre a origem do Universo, propiciou o prêmio Nobel de Física para os cientistas Arno Penzias e Robert Wilson. Arno Penzias e Robert Wilson construíram um radiômetro o qual pretendiam utilizar para experiências de radioastronomia e comunicação via satélite. Este instrumento em seus detectores possui variações excessivas de temperatura (um ruído térmico excessivo) de 3,5 K que eles não podiam explicar, e após diversos testes, Penzias finalmente estabeleceu que aquele ruído nada mais era do que a radiação de fundo 46

3 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Radiação Cósmica de Fundo... predita por estudos anteriores de outros cientistas (George Gamov, Ralph Alpher, Robert Herman e Dicke). (PENZIAS e WILSON, 1965; DICKE, 1946). Interessante ressaltar que os estudos históricos (vide tabela abaixo) sobre a previsão da radiação cósmica de fundo apontam que vários pesquisadores, antes de Penzias e Wilson, fizeram previsões da temperatura da radiação cósmica de fundo, obtendo, inclusive, resultados melhores, que porém foram desconsiderados. Ano Pesquisador(es) Temperatura da Radiação Cósmica de Fundo 1886 Guillaume 5 K 1926 Eddington 3,2 K 1933 Regener 2,8 K 1937 Nernst 2,8 K 1949 Gamow 5 K 1953 Gamow 7 K 1954 Finlay-Freundlich 1,9 K = T = 6,0 K 1961 Gamow 50 K 1965 Penzias e Wilson 1,0 K = T = 3,5 K Tabela 1: Estudos anteriores à Penzias e Wilson (ASSIS e NEVES, 2003). Um grande investimento em pesquisas e desenvolvimento para medição dessa radiação resultou em grandes avanços na tecnologia de receptores, como por exemplo, o satélite COBE (Cosmic Background Explorer Explorador do Fundo Cósmico), da NASA. Esse satélite analisou a radiação de fundo (ou simplemeste radiação cósmica de fundo - RCF), como sendo uma estrutura fóssil da grande explosão térmica que deu origem ao universo, o Big Bang. Vale ressaltar que a bordo do satélite COBE muitos experimentos foram realizados, como o Differential Microwave Radiometer (DMR), o que revelava como era o Universo há mais de 13 bilhões de anos, sendo possível se ter uma idéia de como as grandes estruturas surgiram (WUENSCHE, 2005). O DRM mostrou alguns dos resultados aos pesquisadores utilizando experimentos que possibilitam verificar dados. Inicalmente (Figura 1(a)) foram dectados dados do DMR da banda 53 GHz (no topo) sobre uma escala 0-4 K, mostrando a quase uniformidade do brilho referente ao Cosmic Microwave Background (CMB) (no meio) numa escala que destina-se a aumentar o contraste devido ao dipolo, e (inferior) seguida da subtração do componente do dipolo (NASA - Logo após (Figura 1(b)) foram verficados os dados obtidos em cada uma das três freqüências DMR - 31,5, 53 e 90 GHz - seguindo do dipolo de subtração. Fisicamente, isso quer dizer que com o passar do tempo variações pequenas na intensidade da radiação cósmica de fundo podem acontecer. Na figura 02, por exemplo, está o COBE-DMR Mapa do Universo primordial em que foi a RCF medida durante quatro anos de observações pelo Radiômetro de Microondas Diferencial no Cosmic Background Explorer, da NASA (COBE) (NASA

4 Tamila Marques CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 (a) (b) Figura 1: Imagens dos Mapas de todo o céu produzidas pelo satélite COBE. Imagens retiradas do site: Figura 2: COBE-DMR, Mapa do Universo primordial. Imagens retiradas do site: Como a qualidade das medidas do DMR não era muito boa, o nível do sinal era muito baixo e vários outros experimentos, no solo e a bordo de balões, foram construídos para tentar medir algumas (ou todas, se possível) características do Universo, como temperatura, densidade e topologia. Essas medidas foram feitas por experimentos que observam o céu em microondas. Então, conforme a teoria de Arno Penzias e Robert Wilson a estrutura fóssil do Universo é cósmica e tem um espectro térmico de corpo negro com intensidade máxima na faixa de microondas. Ou seja, possui uma faixa de temperatura semelhante à objetos que absorve totalmente a energia recebida de uma fonte luminosa. É engraçado pensar que o Universo tem uma temperatura! Assim como o nosso corpo e os objetos que estão a nossa volta, o Universo também tem temperatura. Radiação, por si só, é algo que através de um local a outro, leva energia e ajuda na variação da temperatura do ambiente. Podemos fazer uma analogia com uma fogueira: através do fogo que alimenta uma quantidade considerável de madeira, o calor da combustão favorece um aquecimento do ambiente na qual a fogueira está 48

5 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Radiação Cósmica de Fundo... inserida. A mesma coisa acontece com o Universo, a radiação de fundo envolve este em todos os comprimentos de ondas e tem uma determinada temperatura. A figura 03 representa um espectro eletromagnético, que é de radiações, o qual possui propriedades elétricas e magnéticas com relação ao seu comprimento de onda (λ) ou freqüência (f). A linha vermelha, com forma senoidal, indica o comprimento de onda de cada radiação. Assim, é possível analisar que a faixa dos microondas é aquela que possui freqüências em torno de 10 8 a GHz e, portanto, uma radiação de fundo em microondas mais intensa do que as demais (anteriores), pois leva energia em torno de 4 x erg cm -3. Portanto, a temperatura do Universo pode ser detectada pela Radiação Cósmica de Fundo em microondas - RCFM. Figura 3: Espectro Eletromagnético. Fonte: Nos últimos 10 anos, uma tecnologia mais moderna que o COBE foi desenvolvida - o experimento BEAST (Background Emission Anisotropy Scanning Telescope), realizado pelo grupo de Cosmologia do INPE com colaborações científicas de várias instituições nacionais e internacionais, o qual foi para um vôo a bordo de um balão estratosférico. Os primeiros resultados divulgados do BEAST mostraram flutuações de temperatura da ordem de alguns microkelvin na RCFM fornecendo informações importantes para as pesquisas (VILLELA, FERREIRA e WUENSCHE, 2004). Figura 4: Experimento BEAST pronto para realizar observações da RCFM a bordo de balão estratosférico. (VILLELA, 2003). 49

6 Tamila Marques CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Em 2006, os estudos de Arno Penzias e Robert Wilson ganharam reconhecimento e os pesquisadores John C. Mather e George F. Smoot dividem o Prêmio Nobel de Física ano 2006 com os trabalhos realizados com o COBE. DISCORDÂNCIAS Porém, como toda teoria, há quem discorde com a origem dessa radiação e seu caracter cósmico. Pesquisadores como Eric Lerner e Halton Arp são exemplos de cientistas que defendem que essa radiação de fundo não é cósmica. Logo, a radiação possui um espectro de um corpo negro, mas sem variação em todo o céu favorecendo uma idade não definida para o Universo (LERNER, 1991). Enquanto para Arp, há uma forte evidência de um Universo que não se expande, sendo simplesmente a temperatura do meio intergaláctico, como já sugeriram Max Born e Arthur Eddington, inclusive através de cálculos que chegam muito próximos dos 2,7K atualmente medidos para a radiação de fundo (ARP, 2001). Caso seja cosmológico, a radiação de fundo nos permite revelar informações do Big Bang, sendo considerada uma estrutura fóssil do Universo. Entre estas informações temos a temperatura que é aproximadamente 3K, ou quase 2,7K. Logo, de acordo com o modelo cosmológico atual homogêneo e aceito temos a informação de que a radiação de fundo é uma estrutura fóssil de uma época em que o Universo era muito mais jovem e quente. Não é impossível acreditar, então, que podem aparecer mais informações sobre o Universo através dos estudos de radiação de fundo, surpreendendo cada vez mais a vida dos seres humanos. CONCLUSÃO Sendo fato ou construção teórico humana, o Big Bang é o modelo mais aceito atualmente para explicar a criação do Universo. Desde quando os núcleos atômicos mais simples começaram a se formar até a formação dos primeiros atómos, a condensação da materia em determinadas regiões acontecia de maneira tal que o Universo constituiu estrelas e galaxias. Atualmente, resquícios no universo são encontrados e a RCFM é uma das fontes mais ricas de informação sobre o Universo primordial, já que nenhum outro observável cosmológico revela um passado mais remoto do Universo. O estudo da RCFM nos fornece informações extremamente interessantes sobre a evolução do Universo em seus primeiros instante e um vasto campo existente de estudos sobre a RCFM continua desempenhando um papel de grande destaque na Cosmologia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALPHER, R.A.; BETHE, H.; GAMOW, G. A origem dos elementos químicos. Physical Review 73 (7): ARP, Halton. O Universo Vermelho. São Paulo: Perspectiva,

7 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 Radiação Cósmica de Fundo... ASSIS, André K. T.; NEVES, Marcos C. D. O que mudou na Física depois da radiação cósmica de fundo? Revista Com Ciência, maio/2003. Disponível em BURBIDGE, E. M.; BURBIDGE, G. R.; FOWLER, W. A.; HOYLE, F. Síntesis de los Elementos en las estrellas, Rev. Mod. Phys. 29 (1957) 547. CHRISTIANSON, G. E. Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae. University of Chicago Press, Dec 1, DICKE, R. H. The measurement of thermal radiation at microwave frequencies. Rev. Sci. Instrum. 17, 268, FRIAÇA, Amâncio C. S.; Pino, Elisabete Dal e et all. Astronomia: Uma Visão Geral do Universo, 2ed. São Paulo: EDUSP, GAMOW, George. One, Two, Three... Infinity. New York: Bantam Books, LERNER, Eric. The Big Bang Never Happened, pag. 12, Vintage ebooks, NASA. National Aeronautics and Space Administration, Goddard Space Flight Center. Sciences and Exploration. Disponível em PENZIAS, A. A.; WILSON, R. W. A medição de temperatura excessiva Antena em 4080 Mc / s. Astrophysical Journal 142: 419, VILLELA, Thyrso. Radiação cósmica de fundo em microondas. Revista Com Ciência, maio/2003. VILLELA, Thyrso; FERREIRA, Ivan; WUENSCHE, Carlos Alexandre. Cosmologia observacional: a radiação cósmica de fundo em microondas. Revista USP, São Paulo, n.62, p , junho/agosto WEINBERG, Steven. The Firts Three Minutes: A Modern View of The Origin of The Universe. New York: Basic Books, WOLLACK, Edward J. Cosmology: The Study of the Universe. Universe 101: Big Bang Theory. NASA. Arquivado do original em 14 May Disponível em Acesso em

8 Tamila Marques CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 10, (01 E 02): 45-52, 2012 WUENSCHE, Carlos Alexandre. As flutuações de temperatura - o efeito de dipolo. INPE, Disponível em ZEILIK, Michael. Astronomy: The Envolving Universe. New York: Harper and Row,