Radiação cósmica de fundo em micro-ondas

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) é uma das descobertas mais importantes na cosmologia e uma poderosa evidência para a teoria do Big Bang. É a radiação remanescente do estado quente e denso do universo, agora resfriada pela expansão do universo e estendida para comprimentos de onda de micro-ondas. Nesta lição, exploraremos o significado, descoberta, características e implicações do CMB no contexto da cosmologia e no quadro da relatividade geral.

1. O que é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas?

O CMB é uma radiação eletromagnética onipresente que preenche o universo. É um remanescente da fase inicial do universo, também conhecida como "brilho residual do Big Bang". Quando o universo tinha cerca de 380.000 anos, estava preenchido com um plasma quente e denso de fótons, elétrons e prótons. À medida que o universo expandiu e resfriou, essas partículas se combinaram para formar hidrogênio neutro, permitindo que os fótons viajassem livremente pela primeira vez em um processo chamado "recombinação".

Transição de opaco para transparente

Antes da recombinação, o universo era opaco porque elétrons livres dispersavam fótons da mesma forma que a neblina dispersa a luz. Uma vez que esses elétrons se combinaram com prótons para formar hidrogênio neutro, o universo tornou-se transparente, deixando os fótons livres para viajar pelo espaço, criando o que agora vemos como o CMB.

2. Descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas

A existência do CMB foi descoberta acidentalmente em 1965 pelos radioastrônomos americanos Arno Penzias e Robert Wilson. Eles estavam experimentando um receptor de rádio e detectaram um ruído de fundo que era isotrópico e inequívoco. Essa radiação correspondia às previsões teóricas de Ralph Alpher e Robert Herman sobre o calor remanescente do universo primitivo, que coincidiu com a cosmologia do Big Bang.

A descoberta de Penzias e Wilson rendeu-lhes o Prêmio Nobel de Física em 1978. A descoberta foi um marco na cosmologia, fornecendo evidências empíricas para a teoria do Big Bang.

3. Características da radiação cósmica de fundo em micro-ondas

3.1 Temperatura

A temperatura do CMB é notavelmente uniforme, cerca de 2.725 Kelvin, embora tenha pequenas variações (flutuações de temperatura) no nível de uma parte em 100.000. Essas variações de temperatura são importantes porque se refletem na evolução da estrutura em grande escala do universo, incluindo galáxias e aglomerados de galáxias.

3.2 Espectro

A radiação CMB exibe um espectro de corpo negro ideal, o que significa que obedece exatamente à lei de Planck da radiação de corpo negro. O espectro atinge o pico em comprimentos de onda de micro-ondas, cerca de 1 milímetro, o que corresponde a uma temperatura de corpo negro de cerca de 2,7 K.

[ E(nu, T) = frac{8pi hnu^3}{c^3} frac{1}{e^{(hnu/kT)} - 1} ]

    Onde:
    E(ν, T) = densidade de energia
    ν = frequência
    T = temperatura em Kelvin
    h = constante de Planck
    c = velocidade da luz
    k = constante de Boltzmann
    

4. Importância da radiação cósmica de fundo em micro-ondas na cosmologia

4.1 Suporte para a teoria do Big Bang

A uniformidade e o espectro do CMB sustentam fortemente a teoria do Big Bang. De acordo com este modelo, o universo começou como um ponto incrivelmente quente e denso há cerca de 13,8 bilhões de anos e tem se expandido desde então. A presença dessa radiação de fundo se alinha com o conceito de uma origem quente que continua a resfriar e expandir ao longo dos tempos.

Exemplo visual da expansão do universo ao longo do tempo

4.2 Medição da idade e estrutura do universo

Analisando o CMB, os cosmologistas podem obter informações importantes sobre a idade, estrutura e geometria do universo. As variações no CMB fornecem dados sobre a densidade de diferentes componentes do universo, como matéria escura, matéria normal e energia escura.

4.3 Construção de estruturas em grande escala

As pequenas flutuações vistas no CMB são as sementes de todas as estruturas existentes. Elas expõem diferenças de densidade que eventualmente crescerão sob a influência da gravidade para formar galáxias, aglomerações e a rede cósmica.

5. Relatividade geral e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas

A teoria da relatividade geral de Einstein desempenha um papel fundamental na compreensão do CMB, pois fornece uma estrutura para como a gravidade afeta a estrutura em grande escala do universo. As equações da relatividade geral descrevem como a expansão ao longo do tempo afeta os fótons do CMB viajando pelo espaço.

5.1 Equação de Friedman

As equações que regem a cosmologia derivadas da relatividade geral são as equações de Friedmann. Elas relacionam a taxa de expansão do universo ao seu conteúdo energético.

[ left( frac{dot{a}}{a} right)^2 = frac{8pi G}{3} rho - frac{kc^2}{a^2} + frac{Lambda c^2}{3} ]

    Onde:
    a = fator de escala
    G = constante gravitacional
    ρ = densidade de energia
    k = curvatura espacial
    Λ = constante cosmológica
    

5.2 Desvio para o vermelho gravitacional

De acordo com a relatividade geral, a luz que viaja no universo em expansão experimenta desvio para o vermelho. O CMB, que foi inicialmente liberado em um desvio para o vermelho de 1100, foi se alongando para comprimentos de onda mais longos ao longo do tempo, um exemplo de desvio para o vermelho gravitacional.

6. Experimentos modernos e observações do CMB

Várias missões de satélite e experimentos foram lançados para estudar o CMB em detalhes. Talvez o mais famoso seja o Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), que mapeou as flutuações de temperatura em detalhes sem precedentes, levando a modelos cosmológicos refinados.

Outra missão importante é o satélite Planck, que forneceu as medições mais precisas já feitas das flutuações do CMB, ajudando a entender melhor a idade do universo, sua taxa de expansão e composição geral de matéria.

6.1 Parâmetros cosmológicos

As observações de experimentos do CMB ajudam os cientistas a calcular parâmetros cosmológicos essenciais, como a constante de Hubble, a densidade de matéria escura e matéria bariônica.

Conclusão

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas é um marco da teoria do Big Bang, proporcionando uma porta de entrada para os estágios iniciais do universo. Tem sido uma pedra angular para a pesquisa cosmológica, oferecendo insights sobre a estrutura e evolução do universo. Através da lente da relatividade geral, o CMB conecta o mundo microscópico das partículas à vasta expansão macroscópica do universo, destacando a interconexão das leis universais que regem a física e a realidade.

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