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Satélite Planck completa mapa de um ano

terça-feira, 6 jul 2010; \27\UTC\UTC\k 27 Deixe um comentário Go to comments

Edição 08/06/10: editado para melhor compreensão. :)

Olá! Estou meio ausente da Internet nas últimas duas semanas, e provavelmente assim ficarei pelo próximo mês, mas em um minutinho que me dêem agora explicarei um pouco sobre a recente notícia da imagem do satélite Planck divulgada ontem, para dar um contexto melhor que o divulgado pelos jornais não-especializados:

Mapa de um ano de dados da CMB da espaçonave Planck
Versão ampliada.
O que é esta imagem?

Esta imagem é um mapa da abóbada celeste da radiação cósmica de fundo que foi produzida no universo entre 420 — 450 mil anos após o início do tempo, quando os prótons quentes que sobraram das reações nucleares dos primeiros minutos do Big Bang combinaram-se com os elétrons que permeavam o universo em forma de gás. A informação contida no mapa é uma fotografia do universo dessa época, com diferenças de cores adicionadas artificialmente para identificar a diferença de temperatura da radiação de microondas, com a região avermelhada mais fria que a central azul. Ao completar os seus 450 mil anos de idade, a radiação de fundo desacoplou — parou de interagir, espalhar, bater — com a massa de hidrogênio e hélio do universo, por isso ela viajou mais ou menos livre dessa época até nós. 450 mil anos é depois da formação dos núcleos atômicos (que ocorreu quando o universo tinha 3 minutos de idade) e muito antes da formação das primeiras estrelas e galáxias, que ocorreu quando o universo tinha 180 milhões de anos.

No centro do mapa, a linha difusa mais clara é a imagem da Via Láctea, em freqüência de microondas. Esta é uma imagem como vista de um observador da Terra, por isso o que se vê é um plano. Ao redor da imagem da Via Láctea, as linhas difusas azuis são resultado do espalhamento da luz de microondas de fundo com os elétrons do meio interestelar da nossa galáxia. Para a cosmologia e astrofísica da formação das galáxias, essa parte do mapa é uma contaminação; ela é removida em um processo de análise posterior.

O mapa é de um ano de observação do satélite Planck da Agência Espacial Européia (ESA). O programa científico do Planck terminará em 2012, com um mapa com maiores detalhes de contraste. O mapa final terá pedaços assim:


Pedaço do mapa da radiação cósmica de fundo, na freqüência ao redor de 70 GHz. Pontos vermelhos são mais quentes. Esse mapa foi obtido pelo satélite Planck.

 

Que informação os cosmólogos pretendem extrair desse mapa?

 

O satélite Planck produzirá dois tipos de mapas: um para o contraste de temperatura da radiação térmica de fundo do universo, e o segundo conterá a polarização desta luz.

O mapa de contraste de temperatura contém duas classes de informações: uma diferença de temperatura que estava presente quando o universo tinha cerca de 420 mil anos de idade e uma segunda classe de efeitos relacionados a evolução no tempo dessas flutuações de temperatura. Permitam-me ir por partes.

Distribuição de galáxias de acordo com o modelo do Big Bang. Simulação do Instituto de Astrofísica Max Planck de Garching, Alemanha. As regiões mais escuras representam baixa densidade, as galáxias se formam mas regiões mais claras. A estrutura filamentar é o que se chama 'rede cósmica', e é visualizada pelos telescópios como o SDSS. Clique para ampliar.

Primeiro, a evolução no tempo contém a informação do efeito de desvio para vermelho e desvio para o azul causados pela propagação da luz nos campos gravitacionais (efeito Sachs-Wolfe integrado, ISW) e o efeito de espalhamento da luz pelo gás de elétrons das galáxias (efeito Sunyaev-Zeldovich, SZ; é o mesmo que gera o azul difuso ao redor do plano da Via Láctea). Para poder calcular teoricamente como esse mapa é, usa-se as equações da gravitação (a Relatividade Geral) com a informação do contraste de intensidade do campo gravitacional do universo. Ao passar por regiões onde o campo gravitacional é mais forte, a luz sofre um desvio para o vermelho, quando ela sai dessa região ela sofre um desvio para o azul, o efeito acumulado ao longo do tempo é o ISW. As equações que ditam a evolução temporal desse contraste são as mesmas que predizem qual a distribuição das galáxias no céu, já que são exatamente essas regiões onde o campo gravitacional é mais forte que colapsam para formas as estrelas e galáxias. A distribuição de galáxias é vista com as buscas de galáxias de teléscopios como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS), a chama rede cósmica. Dessa forma, a concordância (ou discrepância) do mapa de temperaturas com o mapa das galáxias pode ser usada como corroboração independente do modelo de formação das galáxias com matéria escura em um universo em expansão. Na prática, se usa a informação do SDSS e da radiação de fundo para verificar se o modelo de fato descreve todos esses efeitos de forma consistente.

O efeito SZ contém a informação da distribuição do plasma que formou o interior das galáxias. Esse efeito só foi pela primeira vez mensurado esse ano pelo satélite WMAP. Acredita-se que o satélite Planck vai poder dar dados bem detalhados para os astrofísicos da distribuição do plasma nas galáxias, que serão combinados com mapas de raios X porque estes últimos são igualmente sensíveis a densidade de elétrons do plasma interestelar. Até o momento, muito curiosamente e sem explicação, o efeito é só 50%-70% do previsto teoricamente, sugerindo que a densidade de elétrons é menor para os fótons da radiação cósmica de fundo do que para raios X.

Finalmente, parte do contraste de temperatura é resultado do fato que o universo era mais quente em algumas regiões devido ao mecanismo físico da origem do universo. Esse fenômeno acredita-se é devido a mecânica quântica, e ainda bem já há um post de blog que explica isso aqui. É graças a mecânica quântica ser intrinsecamente probabilística que o universo não é de densidade uniforme e por causa disso que galáxias, estrelas, e em última análise, nós, existimos. Acredita-se que as flutuações quânticas do campo gravitacional quando o universo tinha apenas 10-38 segundos de idade é o efeito que se vê nesse contraste de temperatura já existente a 420 mil anos. A Relatividade Geral quantizada da inflação cosmológica faz uma previsão muito específica sobre os detalhes dessa distribuição de flutuações, que já foi vista em parte no satélite WMAP, e que será medida com maior precisão pelo satélite Planck. Por exemplo, a gravitação quântica prevê uma certa estrutura estatística de como três pontos desse mapa devem ter temperaturas correlacionadas. Esse cálculo foi feito de forma completa pela primeira vez por Juan Maldacena em 2002. Dependendo da teoria da inflação, é possível que essa estatística de três pontos seja visível ao Planck. Se isso ocorrer, o Planck realizará a primeira observação experimental de uma previsão da gravitação quântica, até onde eu saiba, o primeiro teste de consistência da existência do gráviton com suas interações.

O mapa da polarização contém, além da mesma informação estatística das flutuações de temperatura, uma informação adicional. A radiação de fundo é polarizada porque o processo físico de formação dela foi o progressivo desaparecimento de elétrons livres no universo que se uniram aos prótons para formar hidrogênio. A luz espalha por elétrons através do chamado espalhamento Compton, que produz luz polarizada preferencialmente na direção perpendicular ao plano de espalhamento. Ondas gravitacionais podem interferir com a polarização da luz no espalhamento Compton, por isso observando uma estatística de correlações entre pontos do mapa e a polarização da luz é possível ver se existiam ondas gravitacionais no universo primordial. A origem dessas ondas seria a gravitação quântica na época da inflação. A teoria da inflação quantizada prevê relação entre o “tamanho” das flutuações de polarização e das flutuações de temperatura, uma relação que não poderia ser obtida em uma teoria clássica. Se o satélite Planck observar as ondas gravitacionais ele testará diretamente a previsão da inflação, corroborando ou não a idéia que antes do período quente do Big Bang, o universo sofreu uma expansão exponencial.

Bom, explicação dada, agora eu vou me retirar. Espero que seja útil, qualquer dúvida deixem nos comentários que quando eu voltar poderei responder. Ciao! :)

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  1. Gabriel Cozzella
    domingo, 18 jul 2010; \28\UTC\UTC\k 28 às 14:16:13 EDT

    O texto ficou muito legal, mas fiquei com uma dúvida:

    “Isso é depois da formação dos núcleos atômicos (que ocorre quando o universo tem 3 minutos de idade) e muito antes da formação das primeiras estrelas e galáxias, este último processo só começou a ocorrer quando o universo já tinha 13 bilhões de anos.”

    A parte dos “13 bilhões de anos” não está errada? Se as estrelas tivessem se formado só depois de 13 bilhões de anos, não estariamos aqui, certo? Ou eu que entendi errado?

    • domingo, 18 jul 2010; \28\UTC\UTC\k 28 às 17:05:46 EDT

      Oi Gabriel,

      Obrigado, você está certo :) A idade do universo na época do início da formação das galáxias era da ordem de 180 milhões de anos; 13 bilhões é aproximadamente a idade atual do universo. Texto corrigido.

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