“Faça-se a luz!”: a explicação científica para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas

Há 13,8 bilhões de anos o Universo “nasceu” de uma explosão de energia e matéria que conhecemos como “Big Bang”. Embora esse evento tenha ocorrido em um passado muito distante, a radiação gerada por ele ainda banha todo o Cosmos atualmente. É o que conhecemos como radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Esta “luz” do nascimento do Universo aparece 380 mil anos após o Big Bang. Ela é invisível aos nossos olhos, mas pode ser detectada com os instrumentos certos. É a fotografia mais antiga e uma das ferramentas mais úteis que temos para entender a origem do Universo e sua evolução desde então.

A primeira viagem da luz

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês) é uma “luz” muito antiga que banha a Terra vinda de todas as direções. Não podemos vê-la a olho nu porque seu comprimento de onda está na faixa de micro-ondas, fora do espectro visível. Atualmente, sua temperatura é muito baixa, apenas 2,725 graus Kelvin acima do zero absoluto (-270,425 °C). É um resquício do Universo primitivo, o sinal que sobrou quando a luz pôde viajar livremente pela primeira vez.

Em seus primeiros momentos, o Universo era muito denso e quente, e a luz estava presa. Os fótons colidiam constantemente com elétrons livres, impedindo-os de avançar. Quando o Cosmos se expandiu e esfriou o suficiente, cerca de 380.000 anos após o Big Bang, no entanto, os elétrons se uniram aos prótons para formar átomos neutros. Esse processo é chamado de recombinação.

A partir daí, os fótons então ficaram “livres” e puderam começar a viajar sem obstáculos. Nasceu a primeira “luz” do Universo. Essa luz, o fundo cósmico de micro-ondas, tem viajado desde então e chega até nós de todos os lugares. É uma relíquia que nos fornece informações valiosas sobre as origens do Cosmos.

Um “eco” do Big Bang

A descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas foi um evento inesperado. Em 1965, os físicos Arno Penzias e Robert Wilson estavam trabalhando nos Laboratórios Bell, em Nova Jersey, com uma antena de comunicação via satélite. Eles detectaram um sinal persistente e inexplicável que não conseguiam eliminar, independentemente de para onde apontassem.

O sinal estava vindo de todas as partes do céu, sem nenhuma fonte conhecida. Logo, outros cientistas o interpretaram como a radiação remanescente do Big Bang. Essa “luz” havia ficado presa quando o Universo era jovem e denso, mas foi liberada e agora chega até nós depois de viajar bilhões de anos pelo Cosmos.

Essa descoberta é vista como uma prova direta da Teoria do Big Bang. Ela substituiu outras teorias rivais e abriu uma nova era na Cosmologia. Desde então, o fundo cósmico em micro-ondas tem sido estudado em detalhes para revelar os segredos da origem e da evolução do Universo.

O “mapa” mais antigo do Cosmos

O fundo cósmico em micro-ondas é o “mapa” mais antigo que temos do Cosmos. Essa radiação chega até nós de todas as direções. Ela nos permite reconstruir uma imagem completa do céu como ele era quando o Universo tinha apenas 380 mil anos de idade. Ao analisá-la detalhadamente, os cientistas descobriram pequenas variações em sua temperatura, de apenas uma parte por 100.000, que são chamadas de anisotropias.

Essas pequenas variações refletem as primeiras flutuações de densidade no Universo primitivo. Elas foram as sementes que deram origem às estrelas, galáxias e todas as estruturas cósmicas que conhecemos hoje.

O estudo das anisotropias nos ajuda a entender melhor a composição do Universo, sua idade, sua história inicial e sua expansão posterior. Além disso, o fundo cósmico em micro-ondas serve para testar teorias importantes, como a inflação cósmica, que descreve uma rápida expansão do Universo logo após o Big Bang.

Alguns sinais desse processo, como ondas gravitacionais primordiais, podem deixar marcas específicas na polarização da CMB. Isso torna essa radiação uma janela única para estudar fenômenos com energias que não podemos reproduzir na Terra.

Graças a esse estudo, também podemos medir com alta precisão parâmetros como a curvatura do espaço, a quantidade de matéria escura e energia escura e a velocidade com que o Universo está se expandindo.

Explorando a radiação cósmica de fundo

Detectar a radiação cósmica de fundo com precisão não é fácil. Trata-se de um sinal muito fraco, que geralmente é mascarado pela radiação de outras fontes no espaço. Para observá-la são usados telescópios espaciais com sensores muito sensíveis, capazes de captar pequenas variações de temperatura no céu.

Esses instrumentos precisam ficar longe de interferências, como a atmosfera da Terra ou emissões humanas. Por esse motivo, muitos deles estão localizados em lugares remotos, como o deserto do Atacama no Chile, ou a Antártica, ou mesmo em satélites na órbita da Terra, como as missões COBE, WMAP e Planck.

Na Universidade de Oviedo, também estamos envolvidos no estudo da CMB. Criamos métodos baseados em inteligência artificial para analisar melhor os dados. Isso nos ajuda a separar o sinal original do ruído e da interferência. Dessa forma, contribuímos para reconstruir como era o Universo em seus primeiros momentos e para responder a algumas das grandes questões da Cosmologia moderna.

Embora já saibamos muito, a radiação cósmica de fundo ainda guarda segredos. Medir sua polarização com precisão ou detectar sinais de ondas gravitacionais primordiais são desafios que ainda não foram resolvidos. Um dia, veremos a luz!