Radiação Cósmica de Fundo - Departamento de Física da UEFS

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Radiação Cósmica de Fundo - Departamento de Física da UEFS
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 1978.
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 1978.
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
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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 10.000 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
200.000 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 3.000 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
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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
5K
1926
Eddington
3,2 K
1933
Regener
2,8 K
1937
Nernst
2,8 K
1949
Gamow
5K
1953
Gamow
7K
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 - http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfm).
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,
http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfm).
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da
NASA
(COBE)
(NASA
-
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(a)
(b)
Figura 1: Imagens dos Mapas de todo o céu produzidas pelo satélite COBE. Imagens retiradas do site:
http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfm.
Figura 2: COBE-DMR , Mapa do Universo primordial. Imagens retiradas do site:
http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_image.cfm.
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
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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 108 a 1012 GHz e, portanto, uma radiação de fundo
em microondas mais intensa do que as demais (anteriores), pois “leva” energia em torno de 4 x 10-13 erg cm-3.
Portanto, a temperatura do Universo pode ser detectada pela Radiação Cósmica de Fundo em
microondas - RCFM.
Figura 3: Espectro Eletromagnético. Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/radiacao.htm.
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).
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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): 803. 1948.
ARP, Halton. O Universo Vermelho. São Paulo: Perspectiva, 2001.
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Ciência,
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LERNER, Eric. The Big Bang Never Happened, pag. 12, Vintage eBooks, 1991.
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Arquivado
do
original
em
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2011.
Disponível
em
http://web.archive.org/web/20110514230720/http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_theory.html
Acesso em 31.03.2013.
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WUENSCHE, Carlos Alexandre. As flutuações de temperatura - o efeito de dipolo. INPE,
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www.das.inpe.br/.
www.cea.inpe.br/cosmo/.
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