UM BREVE RELATO SOBRE A HISTÓRIA DA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA NÍVEL MESTRADO PROFISSIONAL RAMON MARQUES DE CARVALHO UM BREVE RELATO SOBRE A HISTÓRIA DA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO PICOS 2014

2 A Radiação Cósmica de Fundo (RCF) é uma radiação eletromagnética na faixa de micro-ondas que remonta dos primórdios do universo e o permeia como um todo com um espectro de corpo negro de 2,75 K. A RCF é um dos principais pilares da teoria cosmológica do Big Bang que hoje é o modelo mais aceito na comunidade científica. Esse trabalho não tem o objetivo de aprofundar-se na teoria relativa à RCF, tão pouco de introduzir novas variáveis a questão. O que se apresenta é um breve relato sobre o desenvolvimento histórico da RCF, com uma linguagem acessível afim de que possa ser apreciado por leitores que nunca tiveram contato com o assunto. O modelo cósmico padrão, conhecido como Big Bang, é atualmente o que melhor explica a historia do universo, e para isso sustenta-se em alguns pontos já observados. Contudo, antes de qualquer evidencia observacional, George Lemaître, ainda na década de 1920, já previa a possibilidade da medição de um sinal proveniente do início do universo, que segundo ele deveria ter sido quente e denso no seu começo. Nessa época muitos cientistas não acreditavam que o universo teve um início, acreditava-se em um universo estacionário, logo, necessitava-se de uma comprovação observacional. Em 1965, dois cientistas, Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, utilizando uma antena de telecomunicação para emitir ondas eletromagnéticas na mesma faixa das ondas emitidas pela Via-Láctea, detectaram uma radiação de comprimento de onda 7,3 centímetros e que, segundo as observações, parecia vir de todas as direções do universo de maneira uniforme, oque foi chamado de isotropia da RCF.

3 Primeiramente Arno A. Penzias e Robert W. Wilson acharam que aquele ruído era apenas um defeito no equipamento, contudo, por mais que tentassem não conseguiam eliminar tal anomalia, que tinha uma radiação térmica de aproximadamente 2,5K. Foi então que perceberam que esse ruído deveria se tratar da radiação prevista nos trabalhos teóricos que descrevem a história térmica do universo. A RCF foi prevista em Em 1948 a radiação cósmica de fundo foi prevista por três cientistas da universidade de Princeton, George Gamov, Ralph Alpher e Robert Herman que demonstraram teoricamente que se o universo teve uma origem deveria estar mergulhado em uma radiação térmica caracterizada por um espectro de corpo negro. Depois Alpher e Herman foram capazes de estimar a temperatura da radiação cósmica de fundo como sendo de 2,25K. Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, quando investigaram o ruído em sua antena não imaginavam que estavam revolucionando a cosmologia, essa descoberta é de tamanha relevância para a história do universo que foram ganhadores do prêmio Nobel de física em 1978.

4 Um breve relato sobre a história do universo: Do tempo de Planck aos nossos dias Começaremos a contar a vida do universo não do início t=0 mas de um tempo de aproximadamente t= 10ˉ 43, esse instante conhecido como tempo de Planck é onde a relatividade geral separa-se das outras forças, pelo fato de não termos informações de como a relatividade estaria unificada que começamos nosso relato a partir do tempo de Planck. Nesse momento o universo tem um tamanho de 1,6x10 ˉ 35 m que é chamado de comprimento de Planck que é um comprimento muito pequeno, logo as partículas como as conhecemos não fazem nenhum sentido na época de Planck, onde as quatro interações fundamentais; a Gravidade, Interação forte, Interação fraca e a Eletromagnética estavam unificadas. É quando nesse instante os Grávitons se espalham no universo, devido um desequilíbrio com as outras partículas, gerando ondas gravitacionais cósmicas de fundo. O intervalo do tempo de Planck até o tempo de s é conhecido como época unificada, pelo fato de termos a Interação forte, a Interação fraca e a Eletromagnética unificadas. No fim da época unificada o universo entra num fase conhecida como inflação, onde ele começa a crescer de forma exponencial. A partir de s a temperatura diminuiu a ponte de ocorrer uma quebra de equilíbrio provocando o desacoplamento da Interação nuclear forte da Interação nuclear fraca e da Interação eletromagnética. E assim temos inicio

5 a era dos Quarks, pelo fato de nesse momento termos gluons separados dos quarks. No instante 10-6 s tem fim a época dos quarks e por volta do instante s temos o universo a uma temperatura de K e nesse momento que a Interação fraca se separa da Interação Eletromagnética, e finalmente temos as quatro forças separadas. Depois da separação das forças a matéria ainda se apresentava na forma de um plasma de Glúons e Quarks quando no tempo de 10-6 s após o Big Bang os quarks começaram a condensar formando os Hadrons, tendo assim início a era dos hadrons. A era dos Hadrons teve um pequena duração e finalmente temos com o desaparecimento dos pares Barion-Antibarion a formação dos fótons que originaram a maior parte da radiação cósmica de fundo que observamos hoje em dia. Depois disso veio a época dos léptons cerca de 10-4 s após o Big Bang, nesse momento o universo continua a resfriar e é formado por um caldo de fótons, neutrinos, elétrons, prótons, nêutrons e pósitrons provenientes de épocas anteriores. A medida que o tempo passa a temperatura do universo diminuía e as partículas com menor massa dominavam a maior parte do universo. Finalmente, um segundo após o Big Bang, o universo com uma temperatura de aproximadamente de K, teve sua densidade reduzida de tal modo que os neutrinos não conseguiam interagir com outras partículas a fim de se manter o equilíbrio térmico, e dessa forma eles continuaram seu

6 caminho no universo do mesmo modo que a RCF. É importante salientar que não podemos realizar os estudos dos neutrinos, nos moldes do que se faz com a RCF, apenas pela dificuldade de detecção. Depois disso a temperatura ficou abaixo da necessária para produção de elétrons e dessa forma fixou-se a razão entre prótons e nêutrons. Então 180 segundos após o Big Bang o universo resfriou a uma temperatura de 10 9 K permitindo a formação de núcleos estáveis, essa época foi chamada de Época da Nucleossíntese. O universo continuou resfriando, e chegou a um ponto onde a radiação, até então dominante, chegou a mesma proporção da matéria, contudo essa equivalência não perdurou por muito tempo pois a expansão continuava, mas durante essa época ocorre algo crucial para nosso estudo, começa a ocorrer a aglomeração de matéria em regiões específicas do universo formando estruturas observáveis. Com isso, temos o início da época atual do universo, onde existe uma predominância da matéria, nessa época por volta da temperatura de 3000 K acontece algo notável pois, abaixo dessa temperatura não mas tinham velocidade suficiente para escapar dos campos elétricos do núcleo, os elétrons são capturados por prótons começando a formar hidrogênio. Este acontecimento chamado de recombinação é o principal tema de estudo da RCF, nesse momento a maioria dos elétrons são capturados pelos prótons deixando de interferir de forma significativa nos fótons da RCF, como consequência temos agora a radiação e a matéria em desequilíbrio térmico e o universo transparente.

7 Conclusão Com isso, podemos ter um pequeno entendimento sobre o desenrolar da teoria e da verificação experimental da radiação cósmica de fundo, bem como os avanços propiciados aos alicerces da teoria mais aceita para história do universo. A pesar de não aprofundarmos em temas importantes como a anisotropia da RCF, o texto acima cumpri o papel de uma introdução acessível ao tema exposto. Bibliografia Introdução à Cosmologia Souza, Ronaldo E. de. Edusp (2004). do Acesso em 01/01/2014. MARTINS, André Machado Murtinheira. A história do universo a partir da observação da Radiação Cósmica de Fundo: Da visão newtoniana às equações da Relatividade Geral f. Tese (Mestrado) - Curso de Mestrado em Astronomia e Astrofísica, Departamento de Departamento de FÍsica, Universidade de Lisboa, Lisboa, Disponível em: <http://repositorio.ul.pt/bitstream/10451/4978/1/ulfc055997_tm_andré_martins. pdf>. Acesso em: 10 jan

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