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Detectadas Ondas Gravitacionais do Big Bang

Uma assinatura curvada na radiação cósmica de fundo fornece provas da inflação e de ondulações no espaço-tempo

 

Por Clara Moskowitz

Físicos encontraram uma alteração na luz do Big Bang que representa a primeira imagem de ondulações no Universo, chamadas de ondas gravitacionais. A descoberta é uma prova direta da teoria da inflação, a ideia de que o Universo se expandiu de maneira extremamente rápida na primeira fração de nanosegundo após seu nascimento. Além disso, de acordo com especialistas, o sinal detectado é muito mais forte que o esperado, o que descarta uma grande classe de modelos da inflação e tem o potencial de apontar o caminho para novas teorias da física.

“Isso é incrível”, declara Marc Kamionkowski, professor de física e astronomia da Johns Hopkins University, que não se envolveu na descoberta, mas que previu em 1997 como essas assinaturas de ondas gravitacionais poderiam ser encontradas. “Não é todo dia que você acorda e descobre algo completamente novo sobre o Universo primitivo. Para mim, isso é digno de um Prêmio Nobel”.

O experimento BICEP2 (Imageamento de Fundo de Polarização Cósmica Extragaláctica 2, literalmente), no Polo Sul, encontrou um padrão chamado de polarização de modo B primordial na luz produzida logo após o Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo em microondas (CMB, em inglês). Esse padrão, que é basicamente umacurvatura da polarização, ou orientação, da luz, só pode ser criado por ondas gravitacionais produzidas pela inflação. “Parece um padrão circular no céu”, explica Chao-Lin Huo, físico da Stanford University que projetou o detector BICEP2. “Nós encontramos evidências da inflação e também produzimos a primeira imagem de ondas gravitacionais no céu”.

De acordo com físicos, uma descoberta tão importante precisa da confirmação de outros experimentos. De qualquer forma, o resultado recebeu elogios de muitos dos principais cientistas da área. “Existe uma chance de que isso esteja errado, mas eu acho altamente provável que os resultados sejam sólidos”, declara Alan Guth do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que previu a inflação em 1980. “Eu acho que eles fizeram um trabalho incrível de análise”. Os detectores do BICEP2 encontraram um sinal surpreendentemente forte de polarização de modo B, o que lhes deu dados suficientes para superar o limiar estatístico “5-sigma” para uma descoberta real. De fato, os pesquisadores ficaram tão surpresos ao ver um sinal tão evidente nos dados que atrasaram sua publicação em mais de um ano, procurando todas as possíveis explicações alternativas para o padrão que encontraram. Finalmente, quando o sucessor do BICEP2 foi ativado no mesmo local e começou a mostrar o mesmo resultado, os cientistas ficaram confiantes. “O detector foi muito importante para nos convencer de que isso era real”, observa Kuo.

A radiação cósmica de fundo é um brilho tênue que permeia todo o céu, e surgiu apenas 380 mil anos após o Big Bang. Antes disso, o Universo era quente e denso demais para que a luz viajasse muito sem encontrar matéria. Quando o Cosmo esfriou o suficiente para que átomos neutros pudessem se formar, a luz ficou livre para viajar pelo espaço e se tornou a CMB. Esse brilho foi descoberto acidentalmente em 1964, por Arno Penzias e Robert Wilson, que a princípio pensaram se tratar de uma interferência provocada por fezes de pombos em sua antena. Finalmente, os cientistas perceberam que tinham descoberto uma assinatura do universo primordial, uma descoberta que lhes daria o Prêmio Nobel de Física em 1978. “As coisas que saíram da CMB são incríveis”, aponta Wilson. “No princípio eu não tinha nenhuma ideia de quanta informação ela poderia conter. Do meu ponto de vista, isso é maravilhoso”.

O BICEP2 usa cerca de 250 detectores de polarização para procurar diferenças na luz da CMB em trechos distintos do céu,que passam pelo telescópio em duas orientações perpendiculares. O instrumento coletou dados entre janeiro de 2010 e dezembro de 2012 na Estação Amundsen-Scott, no Polo Sul, onde o ar frio e seco produz condições especialmente estáveis de observação. Outro experimento da região, o Telescópio do Polo Sul, relatou a descoberta da polarização de modo B no ano passado

[http://www2.uol.com.br/sciam/noticias/detectada_polarizacao_na_radiacao_cosmica_de_fundo.html].

O sinal observado estava em uma escala angular diferente ao longo do céu e se devia claramente à interferência de lentes gravitacionais com a CMB, uma curvatura da luz provocada por grandes galáxias, e não pelas ondas gravitacionais primordiais que vemos aqui.

O BICEP2 tem muitos competidores na busca da polarização de modo B na CMB: outros projetos incluem a Busca de modo-B do Atacama (ABS) conduzida pela Princeton University; o experimento POLARBEAR conduzido pela University of California, Berkeley; o Experimento Balão de Grande Altitude E e B (EBEX), da University of Minnesota; o Observador Cosmológico de Grande Escala Angular (CLASS), da Johns Hopkins University; e vários outros. Como a equipe do BICEP2 encontrou um sinal tão claro, esses experimentos poderiam confirmar facilmente os resultados se eles forem reais. “No momento, essa é apenas a ponta do iceberg”, aponta Kamionkowski. “Nos próximos anos nós conseguiremos extrair muita coisa dessas observações. Isso é incrível, não apenas para a equipe que realizou a descoberta, mas também para os outros”, porque os experimentos poderão coletar dados complementares.

Os pesquisadores do BICEP2 relataram um número surpreendentemente alto para r, a proporção das flutuações de ondas gravitacionais na CMB em relação às flutuações provocadas por perturbações na densidade da matéria. Esse valor tinha sido estimado em menos de 0,11 com base nos mapas que a sonda WMAP e o satélite Planckproduziram da CMB. O valor encontrado pelo BICEP2, porém, fica em torno de 0,20. “Tudo depende desse r”, explica Guth, “e essa medida muda muito as coisas. De fato, os modelos que pareciam ter sido descartados na semana passada agora são os principais”. Um valor tão alto para r, por exemplo, indica que a inflação começou antes do que alguns modelos previam, em um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o Big Bang.

O momento da inflação, por sua vez, torna possível saber a escala energética do Universo durante o evento. O valor que o BICEP2 encontrou para r sugere que essa foi a mesma escala energética em que todas as forças da natureza, exceto a gravidade (as forças eletromagnética, nuclear forte e fraca), podem ter se unificado em uma única força – uma ideia chamada de Grande Teoria Unificada. A descoberta apoia a ideia de grande unificação e elimina vários modelos da inflação que não têm essa escala energética. “Isso realmente reduz muito o espaço de modelos inflacionários plausíveis”, aponta Kamionkowski. “Em vez de procurar uma agulha em um palheiro, nós estaremos procurando uma agulha em um balde de areia”. As teorias da grande unificação sugerem a existência de novos campos que agem de maneira semelhante ao campo de Higgs, associado com o bóson de Higgs descoberto em 2012. Esses novos campos, por sua vez, indicariam que bósons de Higgs mais pesados também existem, ainda que tendo massas tão pesadas eles fossem impossíveis de criar em aceleradores de partículas tradicionais. “Essa medida nos permite usar o universo primitivo como laboratório para uma nova física em níveis energéticos que nos seriam inacessíveis”, conclui Kamionkowski.