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Reportagem

Sinfonia cósmica

As vibrações harmônicas que acompanharam o nascimento do Universo

Wayne Hu e Martin White
Primeiras estrelas reionizaram gás próximo
Novas observações da radiação cósmica de fundo em microondas mostram que o universo primordial ressoou em vibrações harmônicas

No começo havia a luz... Nas condições violentas do universo primordial, a matéria ionizada liberou a radiação aprisionada como luz numa densa neblina. Mas à medida que o Universo se expandia e esfriava, os elétrons e prótons se ligavam para formar átomos neutros e a matéria perdeu sua capacidade de reter a luz. Hoje, cerca de 14 bilhões de anos depois, os fótons provenientes dessa imensa liberação de radiação formam a radiação cósmica de fundo em microondas (RCFM).

Ao sintonizar seu televisor entre canais, cerca de 1% do ruído estático que você vê na tela (chuvisco) resulta da RCFM. Quando os astrônomos vasculham o céu à procura desse tipo de radiação, notam que o sinal é praticamente idêntico em qualquer direção. A ubiqüidade e a constância da RCFM são um sinal de que ela provém de um passado mais simples, muito anterior ao período em que se formaram planetas, estrelas e galáxias. Devido a essa simplicidade podemos deduzir as propriedades da RCFM com enorme precisão. Nos últimos anos os cosmólogos puderam comparar essas predições com as observações cada vez mais precisas, feitas com telescópios de microondas a bordo de balões e satélites. Esta pesquisa nos deixa mais próximos de responder a algumas antigas questões, como por exemplo: Do que é feito o Universo? Qual a idade do Universo? De onde vêm os objetos, incluindo o nosso sistema planetário?

Arno Penzias e Robert Wilson da AT&T Bell Laboratories detectaram a RCFM em 1965, quando tentavam descobrir a fonte de um misterioso ruído de fundo que aparecia na antena de rádio que utilizavam. Essa descoberta validou a teoria do Big Bang que previa um universo primordial formado por plasma quente e denso constituído por partículas carregadas e fótons. Desde aquela época, a RCFM vem se esfriando devido à expansão do Universo e hoje é extremamente fria - comparável à radiação emitida por um corpo a uma temperatura de 2,7 kelvins (isto é, 2,7° Celsius acima do zero absoluto). Mas quando a RCFM foi liberada, sua temperatura era de aproximadamente 3.000 kelvins (ou cerca de 2,727° C).

Em 1990, o satélite Cobe (Cosmic Background Explorer) mediu o espectro da RCFM. Verificou-se que ele apresentava exatamente o comportamento esperado. No entanto, como para desmerecer esse resultado impressionante, as medidas do Cobe mostravam ligeiras variações na temperatura da RCFM - da ordem de uma parte em 100 mil - em todos os pontos observados no céu. Os pesquisadores vinham tentando encontrar essas variações por mais de duas décadas, por meio de cuidadosas observações, porque elas seriam a chave para compreender a origem das estruturas do Universo: como o plasma primordial evoluiu para formar galáxias, estrelas e planetas.

Desde essa época, os cientistas vêm utilizando instrumentos cada vez mais sofisticados para mapear as variações de temperatura da RCFM. Estes esforços culminaram com o lançamento do Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) em 2001, que se desloca em torno do Sol numa órbita a 1,5 milhão de quilômetros além da órbita da Terra. Os resultados do WMAP mostram que as variações de temperatura da RCFM sugerem um padrão diferente daquele previsto pela teoria cosmológica: as manchas quentes e frias observadas na radiação de fundo se distribuem de acordo com um tamanho característico. Além disso os pesquisadores puderam utilizar esses dados para estimar com precisão idade, composição e geometria do Universo. O processo é análogo ao que permite determinar a construção de um instrumento musical ouvindo atentamente as notas produzidas. Mas a sinfonia cósmica resulta de músicos muito estranhos e é acompanhada por coincidências ainda mais estranhas que pedem explicações.

Nossa compreensão básica por trás dessas observações remonta ao fim dos anos 60, quando P. James E. Peebles da Princeton University e o estudante de pós-graduação Jer Yu perceberam que o universo primordial produziu ondas sonoras. (Praticamente ao mesmo tempo, Yakov Zel´dovich e Rashid Sunyaev do Moscow Institute of Applied Mathematics chegaram a conclusões muito parecidas.) Quando a radiação ainda estava aprisionada pela matéria, o sistema de fótons, elétrons e prótons fortemente acoplado se comportava como um gás único, onde os elétrons eram espalhados pelos fótons como balas ricocheteando. Como ocorre no ar, uma pequena perturbação na densidade do gás teria se propagado como onda sonora - uma sucessão de suaves compressões e rarefações. As compressões seriam responsáveis pelo aquecimento do gás e as rarefações pelo seu resfriamento; assim, qualquer perturbação do universo primordial teria resultado em um padrão dinâmico de flutuações de temperatura.

Quando as distâncias no Universo chegaram a um milésimo de seu tamanho atual - cerca de 380 mil anos depois do Big Bang - a temperatura do gás tinha diminuído o suficiente para que prótons capturassem elétrons e formassem átomos. Essa transição, conhecida como recombinação, alterou drasticamente o panorama. Os fótons não eram mais espalhados por colisões com partículas carregadas. Assim, pela primeira vez, eles podiam deslocar-se livremente pelo espaço. Fótons emitidos por regiões mais densas e quentes eram mais energéticos que os liberados pelas regiões mais rarefeitas, de modo que os padrões de manchas quentes e frias induzidos pelas ondas sonoras ficaram congelados na RCFM. Simultaneamente, a matéria era libertada da pressão da radiação que tinha resistido à contração de densos conglomerados de matéria. Sob a atração da gravidade, as áreas mais densas coalesceram formando estrelas e galáxias. Na verdade, uma em cada 100 mil variações observadas na RCFM tem exatamente a amplitude correta para formar as estruturas de larga escala que vemos hoje.


A Fonte Sonora

Mas qual foi o primeiro propulsor, a fonte de perturbação inicial que produziu as ondas sonoras? A questão é desafiadora. Imagine que você é um espectador observando o Big Bang e sua subseqüente expansão. Em qualquer ponto que estivesse, você veria somente uma região finita do Universo, que corresponderia à distância percorrida pela luz desde o Big Bang. Os cosmólogos chamam de horizonte o limite dessa região além do que você não consegue ver mais nada. Essa região cresce continuamente até atingir o raio do Universo observável atual. Como a informação não pode ser transmitida mais rapidamente que a luz, o horizonte define a esfera de influência de qualquer mecanismo físico. À medida que retrocedemos no tempo, em busca da origem das estruturas de um certo tamanho físico, o horizonte torna-se menor que a estrutura. Portanto, nenhum processo físico que obedece à causalidade é capaz de explicar a origem das estruturas. Em cosmologia, este dilema é conhecido como o problema do horizonte.

Felizmente a teoria da inflação resolve o problema do horizonte e também fornece um mecanismo físico para explicar a primeira perturbação que deu origem às ondas sonoras primordiais e às sementes de todas as estruturas do Universo. A teoria propõe uma nova forma de energia, transportada por um campo denominado de "inflaton" que teria causado a expansão acelerada do Universo logo após os primeiros instantes do Big Bang. Como conseqüência, o Universo que vemos hoje é somente uma pequena fração do Universo observável antes da inflação. Além disso, as flutuações quânticas no campo do inflaton, ampliadas pela rápida expansão, formaram as perturbações iniciais que eram aproximadamente iguais em todas as escalas - isto é, as perturbações nas regiões menores tinham a mesma intensidade daquelas que afetavam as regiões maiores. Essas perturbações se transformaram em flutuações na densidade de energia observadas em diferentes pontos do plasma primordial.

Recentemente, foram encontradas evidências nos detalhes dos padrões de ondas sonoras da RCFM, que sustentam a teoria da inflação. Como a inflação produziu todas as perturbações de densidade ao mesmo tempo, basicamente no primeiro instante da criação, as fases de todas as ondas sonoras estavam sincronizadas. O resultado foi um espectro sonoro com harmônicos, muito semelhante ao produzido por um instrumento musical. Imagine que você está soprando um tubo com as duas extremidades abertas. A freqüência fundamental do som corresponde a uma onda (também chamada de modo de vibração) com um deslocamento máximo de ar em cada extremidade e um mínimo no meio do tubo. O comprimento de onda do modo fundamental é o dobro do comprimento do tubo. Mas o som também apresenta uma série de harmônicos que correspondem a comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental: metade, um terço, um quarto e assim por diante. Isto equivale a dizer que as freqüências dos harmônicos são duas, três, quatro ou mais vezes mais altas que a freqüência fundamental. São os harmônicos que permitem distinguir um Stradivarius de um violino comum. Eles enriquecem o som.

As ondas sonoras do universo primordial eram muito semelhantes, só que agora é preciso imaginar as ondas oscilando no tempo e não no espaço. Na analogia apresentada, o comprimento do tubo representa a duração finita, quando as ondas sonoras se propagavam através do plasma primordial. As ondas tiveram início na inflação e terminaram na recombinação, cerca de 380 mil anos depois. Suponha que uma certa região do espaço tivesse um deslocamento máximo positivo - isto é, uma temperatura máxima - na inflação. À medida que as ondas sonoras se propagavam, a densidade da região começava a oscilar, inicialmente em direção à temperatura média (deslocamento mínimo) e em seguida, em direção à temperatura mínima (deslocamento máximo negativo). A onda que fazia com que a região atingisse um deslocamento máximo negativo exatamente na recombinação é a onda fundamental do universo primordial. Os harmônicos têm comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental. Oscilando duas, três ou mais vezes mais rapidamente do que o modo fundamental, estes harmônicos fizeram com que as menores regiões do espaço atingissem deslocamentos máximos (positivos ou negativos) na recombinação.

Como os cosmólogos conseguem deduzir esses padrões a partir da RCFM? Eles constroem gráficos conhecidos como espectros de potência que relacionam o valor das variações de temperatura com o tamanho das manchas quentes e frias. Os resultados mostraram que as regiões com maiores variações subentendem um ângulo de cerca de um grau do céu, isto é, mais ou menos duas vezes o tamanho da lua cheia. (Na época da recombinação essas regiões tinham diâmetros de cerca de um milhão de anos-luz, mas devido à expansão de mil vezes que o Universo sofreu desde então, cada região se estende hoje por quase um bilhão de anos-luz.) O primeiro e mais alto pico do espectro de potência é uma evidência de que existiu uma onda fundamental que comprimiu e tornou rarefeitas as regiões do plasma até sua extensão máxima na época da recombinação. Os picos subseqüentes do espectro de potência representam as variações de temperatura produzidas pelos harmônicos. A seqüência de picos dá forte sustentação à teoria de que a inflação foi a responsável pelo disparo simultâneo de todas as ondas sonoras. Se as perturbações tivessem sido geradas continuamente ao longo do tempo, o espectro de potência não seria composto tão harmoniosamente. Voltando à analogia com o tubo, imagine a cacofonia que teria sido produzida, se o tubo que sopramos fosse guarnecido com diversos orifícios aleatoriamente distribuídos ao longo de seu comprimento.

A sinfonia cósmica é produzida por músicos muito estranhos e é acompanhada de coincidências ainda mais estranhas

A teoria da inflação também prediz que as ondas sonoras deveriam ter aproximadamente a mesma amplitude em todas as escalas. No entanto, o espectro de potência mostra uma brusca queda no valor da intensidade das variações de temperatura depois do terceiro pico. Esta discrepância pode ser explicada se admitirmos que as ondas sonoras com comprimento de onda mais curtos se dissiparam. Como o som é transmitido através da colisão entre partículas num gás ou plasma, um onda não pode se propagar se seu comprimento for menor que a distância típica percorrida pelas partículas entre as colisões. No ar, essa distância é de insignificantes10-5 centímetros, mas no plasma primordial antes da recombinação, uma partícula percorria, em média, cerca de 10 mil anos-luz antes de se chocar com outra. (O Universo naquela época pode ser considerado denso, se o compararmos com o Universo moderno, que é cerca de um bilhão de vezes mais rarefeito.) Medidas obtidas atualmente, depois de o Universo ter se expandido mil vezes, mostram que aquela distância é hoje de aproximadamente 10 milhões de anos-luz. Portanto, as amplitudes dos picos no espectro de potência sofreram um amortecimento de cerca de 10 vezes essa escala.

Da mesma forma como os músicos conseguem distinguir um violino de alta qualidade de um instrumento comum, pela riqueza dos seus harmônicos, os cosmólogos são capazes de desvendar a forma e a composição do Universo examinando a freqüência fundamental e a intensidade dos harmônicos das ondas sonoras primordiais. A RCFM revela as dimensões angulares das variações de temperatura - isto é, o tamanho das manchas quentes e frias que aparecem no céu - que, por sua vez, nos informa qual a freqüência fundamental da onda sonora. Os cosmólogos conseguem estimar com precisão o tamanho real dessa onda no momento da recombinação, porque eles sabem com que velocidade o som se propagava no plasma primordial. De forma análoga, os pesquisadores são capazes de determinar a distância que os fótons da RCFM percorreram antes de atingir a Terra - cerca de 45 bilhões de anos-luz. (Embora esses fótons tenham viajado somente durante aproximadamente 14 bilhões de anos, a expansão do Universo ajudou a alongar essa jornada.)

Assim, os cosmólogos possuem todas as informações necessárias sobre o triângulo formado pela onda e podem verificar se a soma de seus ângulos internos vale 180o - o teste clássico da curvatura do espaço. E eles conseguem fazer isso com uma precisão muito boa, o que mostra que apesar da expansão geral, o Universo obedece às leis da geometria euclidiana e deve estar muito próximo de ser espacialmente plano. Como a geometria do Universo depende da sua densidade de energia, estas descobertas evidenciam que a densidade média de energia está próxima da chamada densidade crítica - cerca de 10-29 gramas por centímetro cúbico.

A próxima resposta que os cosmólogos querem obter diz respeito ao colapso da matéria e energia do Universo. A amplitude dos harmônicos fornece a solução. Enquanto as ondas sonoras comuns são produzidas somente pela pressão do gás, as ondas sonoras do universo primordial eram modificadas pela força da gravidade. A gravidade comprime o gás criando regiões mais densas e, dependendo da fase da onda sonora, pode aumentar ou se contrapor alternadamente à compressão e à rarefação sônicas. A análise da modulação das ondas permite inferir a intensidade da gravidade, que, por sua vez, traduz a composição de matéria-energia do meio. Como no Universo atual, a matéria do universo primordial se distribuía entre duas categorias principais: bárions (prótons e nêutrons) que formam a maior parte da chamada matéria comum, e a matéria fria e escura que produz a gravidade. A matéria escura jamais foi observada diretamente porque ela não interage com a luz ou com a matéria comum de nenhuma forma perceptível. Tanto a matéria comum como a matéria escura forneceram massa para o gás primordial e aumentaram a atração gravitacional, mas somente a matéria comum sofreu a compressão e a rarefação sônicas. Na recombinação, a onda fundamental ficou congelada numa fase em que a gravidade aumentava sua compressão nas regiões mais densas do gás. Mas o primeiro harmônico, que possui a metade do comprimento do modo fundamental, foi apanhado em oposição de fase - a gravidade estava comprimindo o plasma enquanto a pressão do gás forçava a expansão. Como resultado, as variações de temperatura causadas por este harmônico seriam menos pronunciadas que aquelas produzidas pelo modo fundamental.

Isto explicaria por que o segundo pico do espectro de potência é mais baixo que o primeiro. Comparando as alturas dos dois picos os cosmólogos podem avaliar as intensidades relativas da gravidade e da pressão da radiação do universo primordial. Resultados experimentais indicam que os bárions tinham aproximadamente a mesma densidade de energia que os fótons na época da recombinação e por isso representam hoje cerca de 5% da densidade crítica. Este resultado está em perfeito acordo com os valores deduzidos a partir do estudo da síntese dos elementos leves por radiações nucleares nos primórdios do Universo.

A teoria da relatividade geral, no entanto, afirma que a matéria e a energia se comportam de forma muito parecida. Então, a gravidade dos fótons no universo primordial também teria contribuído para aumentar as variações de temperatura?

Sim, de fato, mas um outro efeito contrabalançava essa contribuição dos fótons. Depois do período da recombinação, os fótons da RCFM, provenientes de regiões mais densas, perdiam mais energia que os fótons de regiões menos densas. Isto porque eles tinham de vencer poços de potencial gravitacional mais profundos. Este processo, chamado de efeito Sachs-Wolfe, reduzia o valor das variações de temperatura na RCFM, contrabalançando exatamente aquele aumento produzido pela gravidade dos fótons. Nas regiões do universo primordial muito grandes para oscilar acusticamente - isto é, regiões que subentendiam ângulos de mais de um grau no céu - as variações de temperatura eram devidas somente ao efeito Sachs-Wolfe. Nestas escalas, paradoxalmente, as manchas quentes na RCFM representavam regiões menos densas do Universo.

Finalmente, os cosmólogos poderão utilizar a RCFM para medir a proporção de matéria escura existente no Universo. A gravidade dos bárions sozinha não seria suficiente para modular as variações de temperatura muito além do primeiro pico do espectro de potência. Seria necessária uma abundância maior de matéria fria e escura para manter os poços de potencial gravitacional suficientemente profundos. Estabelecendo uma relação entre as alturas dos três primeiros picos do espectro de potência, os pesquisadores conseguiram determinar que a densidade da matéria escura e fria deveria ser aproximadamente cinco vezes maior que a densidade de bárions. Por isso, a matéria escura representa hoje, cerca de 25% da densidade crítica.


Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
Em 1990, o satélite Cobe (Cosmic Background Explorer) mediu o espectro da RCFM. Verificou-se que ele apresentava exatamente o comportamento esperado. No entanto, como para desmerecer esse resultado impressionante, as medidas do Cobe mostravam ligeiras variações na temperatura da RCFM - da ordem de uma parte em 100 mil - em todos os pontos observados no céu. Os pesquisadores vinham tentando encontrar essas variações por mais de duas décadas, por meio de cuidadosas observações, porque elas seriam a chave para compreender a origem das estruturas do Universo: como o plasma primordial evoluiu para formar galáxias, estrelas e planetas.

Desde essa época, os cientistas vêm utilizando instrumentos cada vez mais sofisticados para mapear as variações de temperatura da RCFM. Estes esforços culminaram com o lançamento do Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) em 2001, que se desloca em torno do Sol numa órbita a 1,5 milhão de quilômetros além da órbita da Terra. Os resultados do WMAP mostram que as variações de temperatura da RCFM sugerem um padrão diferente daquele previsto pela teoria cosmológica: as manchas quentes e frias observadas na radiação de fundo se distribuem de acordo com um tamanho característico. Além disso os pesquisadores puderam utilizar esses dados para estimar com precisão idade, composição e geometria do Universo. O processo é análogo ao que permite determinar a construção de um instrumento musical ouvindo atentamente as notas produzidas. Mas a sinfonia cósmica resulta de músicos muito estranhos e é acompanhada por coincidências ainda mais estranhas que pedem explicações.

Nossa compreensão básica por trás dessas observações remonta ao fim dos anos 60, quando P. James E. Peebles da Princeton University e o estudante de pós-graduação Jer Yu perceberam que o universo primordial produziu ondas sonoras. (Praticamente ao mesmo tempo, Yakov Zel´dovich e Rashid Sunyaev do Moscow Institute of Applied Mathematics chegaram a conclusões muito parecidas.) Quando a radiação ainda estava aprisionada pela matéria, o sistema de fótons, elétrons e prótons fortemente acoplado se comportava como um gás único, onde os elétrons eram espalhados pelos fótons como balas ricocheteando. Como ocorre no ar, uma pequena perturbação na densidade do gás teria se propagado como onda sonora - uma sucessão de suaves compressões e rarefações. As compressões seriam responsáveis pelo aquecimento do gás e as rarefações pelo seu resfriamento; assim, qualquer perturbação do universo primordial teria resultado em um padrão dinâmico de flutuações de temperatura.

Quando as distâncias no Universo chegaram a um milésimo de seu tamanho atual - cerca de 380 mil anos depois do Big Bang - a temperatura do gás tinha diminuído o suficiente para que prótons capturassem elétrons e formassem átomos. Essa transição, conhecida como recombinação, alterou drasticamente o panorama. Os fótons não eram mais espalhados por colisões com partículas carregadas. Assim, pela primeira vez, eles podiam deslocar-se livremente pelo espaço. Fótons emitidos por regiões mais densas e quentes eram mais energéticos que os liberados pelas regiões mais rarefeitas, de modo que os padrões de manchas quentes e frias induzidos pelas ondas sonoras ficaram congelados na RCFM. Simultaneamente, a matéria era libertada da pressão da radiação que tinha resistido à contração de densos conglomerados de matéria. Sob a atração da gravidade, as áreas mais densas coalesceram formando estrelas e galáxias. Na verdade, uma em cada 100 mil variações observadas na RCFM tem exatamente a amplitude correta para formar as estruturas de larga escala que vemos hoje.


A Fonte Sonora

Mas qual foi o primeiro propulsor, a fonte de perturbação inicial que produziu as ondas sonoras? A questão é desafiadora. Imagine que você é um espectador observando o Big Bang e sua subseqüente expansão. Em qualquer ponto que estivesse, você veria somente uma região finita do Universo, que corresponderia à distância percorrida pela luz desde o Big Bang. Os cosmólogos chamam de horizonte o limite dessa região além do que você não consegue ver mais nada. Essa região cresce continuamente até atingir o raio do Universo observável atual. Como a informação não pode ser transmitida mais rapidamente que a luz, o horizonte define a esfera de influência de qualquer mecanismo físico. À medida que retrocedemos no tempo, em busca da origem das estruturas de um certo tamanho físico, o horizonte torna-se menor que a estrutura. Portanto, nenhum processo físico que obedece à causalidade é capaz de explicar a origem das estruturas. Em cosmologia, este dilema é conhecido como o problema do horizonte.

Felizmente a teoria da inflação resolve o problema do horizonte e também fornece um mecanismo físico para explicar a primeira perturbação que deu origem às ondas sonoras primordiais e às sementes de todas as estruturas do Universo. A teoria propõe uma nova forma de energia, transportada por um campo denominado de "inflaton" que teria causado a expansão acelerada do Universo logo após os primeiros instantes do Big Bang. Como conseqüência, o Universo que vemos hoje é somente uma pequena fração do Universo observável antes da inflação. Além disso, as flutuações quânticas no campo do inflaton, ampliadas pela rápida expansão, formaram as perturbações iniciais que eram aproximadamente iguais em todas as escalas - isto é, as perturbações nas regiões menores tinham a mesma intensidade daquelas que afetavam as regiões maiores. Essas perturbações se transformaram em flutuações na densidade de energia observadas em diferentes pontos do plasma primordial.

Recentemente, foram encontradas evidências nos detalhes dos padrões de ondas sonoras da RCFM, que sustentam a teoria da inflação. Como a inflação produziu todas as perturbações de densidade ao mesmo tempo, basicamente no primeiro instante da criação, as fases de todas as ondas sonoras estavam sincronizadas. O resultado foi um espectro sonoro com harmônicos, muito semelhante ao produzido por um instrumento musical. Imagine que você está soprando um tubo com as duas extremidades abertas. A freqüência fundamental do som corresponde a uma onda (também chamada de modo de vibração) com um deslocamento máximo de ar em cada extremidade e um mínimo no meio do tubo. O comprimento de onda do modo fundamental é o dobro do comprimento do tubo. Mas o som também apresenta uma série de harmônicos que correspondem a comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental: metade, um terço, um quarto e assim por diante. Isto equivale a dizer que as freqüências dos harmônicos são duas, três, quatro ou mais vezes mais altas que a freqüência fundamental. São os harmônicos que permitem distinguir um Stradivarius de um violino comum. Eles enriquecem o som.

As ondas sonoras do universo primordial eram muito semelhantes, só que agora é preciso imaginar as ondas oscilando no tempo e não no espaço. Na analogia apresentada, o comprimento do tubo representa a duração finita, quando as ondas sonoras se propagavam através do plasma primordial. As ondas tiveram início na inflação e terminaram na recombinação, cerca de 380 mil anos depois. Suponha que uma certa região do espaço tivesse um deslocamento máximo positivo - isto é, uma temperatura máxima - na inflação. À medida que as ondas sonoras se propagavam, a densidade da região começava a oscilar, inicialmente em direção à temperatura média (deslocamento mínimo) e em seguida, em direção à temperatura mínima (deslocamento máximo negativo). A onda que fazia com que a região atingisse um deslocamento máximo negativo exatamente na recombinação é a onda fundamental do universo primordial. Os harmônicos têm comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental. Oscilando duas, três ou mais vezes mais rapidamente do que o modo fundamental, estes harmônicos fizeram com que as menores regiões do espaço atingissem deslocamentos máximos (positivos ou negativos) na recombinação.

Como os cosmólogos conseguem deduzir esses padrões a partir da RCFM? Eles constroem gráficos conhecidos como espectros de potência que relacionam o valor das variações de temperatura com o tamanho das manchas quentes e frias. Os resultados mostraram que as regiões com maiores variações subentendem um ângulo de cerca de um grau do céu, isto é, mais ou menos duas vezes o tamanho da lua cheia. (Na época da recombinação essas regiões tinham diâmetros de cerca de um milhão de anos-luz, mas devido à expansão de mil vezes que o Universo sofreu desde então, cada região se estende hoje por quase um bilhão de anos-luz.) O primeiro e mais alto pico do espectro de potência é uma evidência de que existiu uma onda fundamental que comprimiu e tornou rarefeitas as regiões do plasma até sua extensão máxima na época da recombinação. Os picos subseqüentes do espectro de potência representam as variações de temperatura produzidas pelos harmônicos. A seqüência de picos dá forte sustentação à teoria de que a inflação foi a responsável pelo disparo simultâneo de todas as ondas sonoras. Se as perturbações tivessem sido geradas continuamente ao longo do tempo, o espectro de potência não seria composto tão harmoniosamente. Voltando à analogia com o tubo, imagine a cacofonia que teria sido produzida, se o tubo que sopramos fosse guarnecido com diversos orifícios aleatoriamente distribuídos ao longo de seu comprimento.

A sinfonia cósmica é produzida por músicos muito estranhos e é acompanhada de coincidências ainda mais estranhas

A teoria da inflação também prediz que as ondas sonoras deveriam ter aproximadamente a mesma amplitude em todas as escalas. No entanto, o espectro de potência mostra uma brusca queda no valor da intensidade das variações de temperatura depois do terceiro pico. Esta discrepância pode ser explicada se admitirmos que as ondas sonoras com comprimento de onda mais curtos se dissiparam. Como o som é transmitido através da colisão entre partículas num gás ou plasma, um onda não pode se propagar se seu comprimento for menor que a distância típica percorrida pelas partículas entre as colisões. No ar, essa distância é de insignificantes10-5 centímetros, mas no plasma primordial antes da recombinação, uma partícula percorria, em média, cerca de 10 mil anos-luz antes de se chocar com outra. (O Universo naquela época pode ser considerado denso, se o compararmos com o Universo moderno, que é cerca de um bilhão de vezes mais rarefeito.) Medidas obtidas atualmente, depois de o Universo ter se expandido mil vezes, mostram que aquela distância é hoje de aproximadamente 10 milhões de anos-luz. Portanto, as amplitudes dos picos no espectro de potência sofreram um amortecimento de cerca de 10 vezes essa escala.

Da mesma forma como os músicos conseguem distinguir um violino de alta qualidade de um instrumento comum, pela riqueza dos seus harmônicos, os cosmólogos são capazes de desvendar a forma e a composição do Universo examinando a freqüência fundamental e a intensidade dos harmônicos das ondas sonoras primordiais. A RCFM revela as dimensões angulares das variações de temperatura - isto é, o tamanho das manchas quentes e frias que aparecem no céu - que, por sua vez, nos informa qual a freqüência fundamental da onda sonora. Os cosmólogos conseguem estimar com precisão o tamanho real dessa onda no momento da recombinação, porque eles sabem com que velocidade o som se propagava no plasma primordial. De forma análoga, os pesquisadores são capazes de determinar a distância que os fótons da RCFM percorreram antes de atingir a Terra - cerca de 45 bilhões de anos-luz. (Embora esses fótons tenham viajado somente durante aproximadamente 14 bilhões de anos, a expansão do Universo ajudou a alongar essa jornada.)

Assim, os cosmólogos possuem todas as informações necessárias sobre o triângulo formado pela onda e podem verificar se a soma de seus ângulos internos vale 180o - o teste clássico da curvatura do espaço. E eles conseguem fazer isso com uma precisão muito boa, o que mostra que apesar da expansão geral, o Universo obedece às leis da geometria euclidiana e deve estar muito próximo de ser espacialmente plano. Como a geometria do Universo depende da sua densidade de energia, estas descobertas evidenciam que a densidade média de energia está próxima da chamada densidade crítica - cerca de 10-29 gramas por centímetro cúbico.

A próxima resposta que os cosmólogos querem obter diz respeito ao colapso da matéria e energia do Universo. A amplitude dos harmônicos fornece a solução. Enquanto as ondas sonoras comuns são produzidas somente pela pressão do gás, as ondas sonoras do universo primordial eram modificadas pela força da gravidade. A gravidade comprime o gás criando regiões mais densas e, dependendo da fase da onda sonora, pode aumentar ou se contrapor alternadamente à compressão e à rarefação sônicas. A análise da modulação das ondas permite inferir a intensidade da gravidade, que, por sua vez, traduz a composição de matéria-energia do meio. Como no Universo atual, a matéria do universo primordial se distribuía entre duas categorias principais: bárions (prótons e nêutrons) que formam a maior parte da chamada matéria comum, e a matéria fria e escura que produz a gravidade. A matéria escura jamais foi observada diretamente porque ela não interage com a luz ou com a matéria comum de nenhuma forma perceptível. Tanto a matéria comum como a matéria escura forneceram massa para o gás primordial e aumentaram a atração gravitacional, mas somente a matéria comum sofreu a compressão e a rarefação sônicas. Na recombinação, a onda fundamental ficou congelada numa fase em que a gravidade aumentava sua compressão nas regiões mais densas do gás. Mas o primeiro harmônico, que possui a metade do comprimento do modo fundamental, foi apanhado em oposição de fase - a gravidade estava comprimindo o plasma enquanto a pressão do gás forçava a expansão. Como resultado, as variações de temperatura causadas por este harmônico seriam menos pronunciadas que aquelas produzidas pelo modo fundamental.

Isto explicaria por que o segundo pico do espectro de potência é mais baixo que o primeiro. Comparando as alturas dos dois picos os cosmólogos podem avaliar as intensidades relativas da gravidade e da pressão da radiação do universo primordial. Resultados experimentais indicam que os bárions tinham aproximadamente a mesma densidade de energia que os fótons na época da recombinação e por isso representam hoje cerca de 5% da densidade crítica. Este resultado está em perfeito acordo com os valores deduzidos a partir do estudo da síntese dos elementos leves por radiações nucleares nos primórdios do Universo.

A teoria da relatividade geral, no entanto, afirma que a matéria e a energia se comportam de forma muito parecida. Então, a gravidade dos fótons no universo primordial também teria contribuído para aumentar as variações de temperatura?

Sim, de fato, mas um outro efeito contrabalançava essa contribuição dos fótons. Depois do período da recombinação, os fótons da RCFM, provenientes de regiões mais densas, perdiam mais energia que os fótons de regiões menos densas. Isto porque eles tinham de vencer poços de potencial gravitacional mais profundos. Este processo, chamado de efeito Sachs-Wolfe, reduzia o valor das variações de temperatura na RCFM, contrabalançando exatamente aquele aumento produzido pela gravidade dos fótons. Nas regiões do universo primordial muito grandes para oscilar acusticamente - isto é, regiões que subentendiam ângulos de mais de um grau no céu - as variações de temperatura eram devidas somente ao efeito Sachs-Wolfe. Nestas escalas, paradoxalmente, as manchas quentes na RCFM representavam regiões menos densas do Universo.

Finalmente, os cosmólogos poderão utilizar a RCFM para medir a proporção de matéria escura existente no Universo. A gravidade dos bárions sozinha não seria suficiente para modular as variações de temperatura muito além do primeiro pico do espectro de potência. Seria necessária uma abundância maior de matéria fria e escura para manter os poços de potencial gravitacional suficientemente profundos. Estabelecendo uma relação entre as alturas dos três primeiros picos do espectro de potência, os pesquisadores conseguiram determinar que a densidade da matéria escura e fria deveria ser aproximadamente cinco vezes maior que a densidade de bárions. Por isso, a matéria escura representa hoje, cerca de 25% da densidade crítica.


Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
A Fonte Sonora
Mas qual foi o primeiro propulsor, a fonte de perturbação inicial que produziu as ondas sonoras? A questão é desafiadora. Imagine que você é um espectador observando o Big Bang e sua subseqüente expansão. Em qualquer ponto que estivesse, você veria somente uma região finita do Universo, que corresponderia à distância percorrida pela luz desde o Big Bang. Os cosmólogos chamam de horizonte o limite dessa região além do que você não consegue ver mais nada. Essa região cresce continuamente até atingir o raio do Universo observável atual. Como a informação não pode ser transmitida mais rapidamente que a luz, o horizonte define a esfera de influência de qualquer mecanismo físico. À medida que retrocedemos no tempo, em busca da origem das estruturas de um certo tamanho físico, o horizonte torna-se menor que a estrutura. Portanto, nenhum processo físico que obedece à causalidade é capaz de explicar a origem das estruturas. Em cosmologia, este dilema é conhecido como o problema do horizonte.

Felizmente a teoria da inflação resolve o problema do horizonte e também fornece um mecanismo físico para explicar a primeira perturbação que deu origem às ondas sonoras primordiais e às sementes de todas as estruturas do Universo. A teoria propõe uma nova forma de energia, transportada por um campo denominado de "inflaton" que teria causado a expansão acelerada do Universo logo após os primeiros instantes do Big Bang. Como conseqüência, o Universo que vemos hoje é somente uma pequena fração do Universo observável antes da inflação. Além disso, as flutuações quânticas no campo do inflaton, ampliadas pela rápida expansão, formaram as perturbações iniciais que eram aproximadamente iguais em todas as escalas - isto é, as perturbações nas regiões menores tinham a mesma intensidade daquelas que afetavam as regiões maiores. Essas perturbações se transformaram em flutuações na densidade de energia observadas em diferentes pontos do plasma primordial.

Recentemente, foram encontradas evidências nos detalhes dos padrões de ondas sonoras da RCFM, que sustentam a teoria da inflação. Como a inflação produziu todas as perturbações de densidade ao mesmo tempo, basicamente no primeiro instante da criação, as fases de todas as ondas sonoras estavam sincronizadas. O resultado foi um espectro sonoro com harmônicos, muito semelhante ao produzido por um instrumento musical. Imagine que você está soprando um tubo com as duas extremidades abertas. A freqüência fundamental do som corresponde a uma onda (também chamada de modo de vibração) com um deslocamento máximo de ar em cada extremidade e um mínimo no meio do tubo. O comprimento de onda do modo fundamental é o dobro do comprimento do tubo. Mas o som também apresenta uma série de harmônicos que correspondem a comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental: metade, um terço, um quarto e assim por diante. Isto equivale a dizer que as freqüências dos harmônicos são duas, três, quatro ou mais vezes mais altas que a freqüência fundamental. São os harmônicos que permitem distinguir um Stradivarius de um violino comum. Eles enriquecem o som.

As ondas sonoras do universo primordial eram muito semelhantes, só que agora é preciso imaginar as ondas oscilando no tempo e não no espaço. Na analogia apresentada, o comprimento do tubo representa a duração finita, quando as ondas sonoras se propagavam através do plasma primordial. As ondas tiveram início na inflação e terminaram na recombinação, cerca de 380 mil anos depois. Suponha que uma certa região do espaço tivesse um deslocamento máximo positivo - isto é, uma temperatura máxima - na inflação. À medida que as ondas sonoras se propagavam, a densidade da região começava a oscilar, inicialmente em direção à temperatura média (deslocamento mínimo) e em seguida, em direção à temperatura mínima (deslocamento máximo negativo). A onda que fazia com que a região atingisse um deslocamento máximo negativo exatamente na recombinação é a onda fundamental do universo primordial. Os harmônicos têm comprimentos de onda que são frações inteiras do comprimento de onda fundamental. Oscilando duas, três ou mais vezes mais rapidamente do que o modo fundamental, estes harmônicos fizeram com que as menores regiões do espaço atingissem deslocamentos máximos (positivos ou negativos) na recombinação.

Como os cosmólogos conseguem deduzir esses padrões a partir da RCFM? Eles constroem gráficos conhecidos como espectros de potência que relacionam o valor das variações de temperatura com o tamanho das manchas quentes e frias. Os resultados mostraram que as regiões com maiores variações subentendem um ângulo de cerca de um grau do céu, isto é, mais ou menos duas vezes o tamanho da lua cheia. (Na época da recombinação essas regiões tinham diâmetros de cerca de um milhão de anos-luz, mas devido à expansão de mil vezes que o Universo sofreu desde então, cada região se estende hoje por quase um bilhão de anos-luz.) O primeiro e mais alto pico do espectro de potência é uma evidência de que existiu uma onda fundamental que comprimiu e tornou rarefeitas as regiões do plasma até sua extensão máxima na época da recombinação. Os picos subseqüentes do espectro de potência representam as variações de temperatura produzidas pelos harmônicos. A seqüência de picos dá forte sustentação à teoria de que a inflação foi a responsável pelo disparo simultâneo de todas as ondas sonoras. Se as perturbações tivessem sido geradas continuamente ao longo do tempo, o espectro de potência não seria composto tão harmoniosamente. Voltando à analogia com o tubo, imagine a cacofonia que teria sido produzida, se o tubo que sopramos fosse guarnecido com diversos orifícios aleatoriamente distribuídos ao longo de seu comprimento.

A sinfonia cósmica é produzida por músicos muito estranhos e é acompanhada de coincidências ainda mais estranhas

A teoria da inflação também prediz que as ondas sonoras deveriam ter aproximadamente a mesma amplitude em todas as escalas. No entanto, o espectro de potência mostra uma brusca queda no valor da intensidade das variações de temperatura depois do terceiro pico. Esta discrepância pode ser explicada se admitirmos que as ondas sonoras com comprimento de onda mais curtos se dissiparam. Como o som é transmitido através da colisão entre partículas num gás ou plasma, um onda não pode se propagar se seu comprimento for menor que a distância típica percorrida pelas partículas entre as colisões. No ar, essa distância é de insignificantes10-5 centímetros, mas no plasma primordial antes da recombinação, uma partícula percorria, em média, cerca de 10 mil anos-luz antes de se chocar com outra. (O Universo naquela época pode ser considerado denso, se o compararmos com o Universo moderno, que é cerca de um bilhão de vezes mais rarefeito.) Medidas obtidas atualmente, depois de o Universo ter se expandido mil vezes, mostram que aquela distância é hoje de aproximadamente 10 milhões de anos-luz. Portanto, as amplitudes dos picos no espectro de potência sofreram um amortecimento de cerca de 10 vezes essa escala.

Da mesma forma como os músicos conseguem distinguir um violino de alta qualidade de um instrumento comum, pela riqueza dos seus harmônicos, os cosmólogos são capazes de desvendar a forma e a composição do Universo examinando a freqüência fundamental e a intensidade dos harmônicos das ondas sonoras primordiais. A RCFM revela as dimensões angulares das variações de temperatura - isto é, o tamanho das manchas quentes e frias que aparecem no céu - que, por sua vez, nos informa qual a freqüência fundamental da onda sonora. Os cosmólogos conseguem estimar com precisão o tamanho real dessa onda no momento da recombinação, porque eles sabem com que velocidade o som se propagava no plasma primordial. De forma análoga, os pesquisadores são capazes de determinar a distância que os fótons da RCFM percorreram antes de atingir a Terra - cerca de 45 bilhões de anos-luz. (Embora esses fótons tenham viajado somente durante aproximadamente 14 bilhões de anos, a expansão do Universo ajudou a alongar essa jornada.)

Assim, os cosmólogos possuem todas as informações necessárias sobre o triângulo formado pela onda e podem verificar se a soma de seus ângulos internos vale 180o - o teste clássico da curvatura do espaço. E eles conseguem fazer isso com uma precisão muito boa, o que mostra que apesar da expansão geral, o Universo obedece às leis da geometria euclidiana e deve estar muito próximo de ser espacialmente plano. Como a geometria do Universo depende da sua densidade de energia, estas descobertas evidenciam que a densidade média de energia está próxima da chamada densidade crítica - cerca de 10-29 gramas por centímetro cúbico.

A próxima resposta que os cosmólogos querem obter diz respeito ao colapso da matéria e energia do Universo. A amplitude dos harmônicos fornece a solução. Enquanto as ondas sonoras comuns são produzidas somente pela pressão do gás, as ondas sonoras do universo primordial eram modificadas pela força da gravidade. A gravidade comprime o gás criando regiões mais densas e, dependendo da fase da onda sonora, pode aumentar ou se contrapor alternadamente à compressão e à rarefação sônicas. A análise da modulação das ondas permite inferir a intensidade da gravidade, que, por sua vez, traduz a composição de matéria-energia do meio. Como no Universo atual, a matéria do universo primordial se distribuía entre duas categorias principais: bárions (prótons e nêutrons) que formam a maior parte da chamada matéria comum, e a matéria fria e escura que produz a gravidade. A matéria escura jamais foi observada diretamente porque ela não interage com a luz ou com a matéria comum de nenhuma forma perceptível. Tanto a matéria comum como a matéria escura forneceram massa para o gás primordial e aumentaram a atração gravitacional, mas somente a matéria comum sofreu a compressão e a rarefação sônicas. Na recombinação, a onda fundamental ficou congelada numa fase em que a gravidade aumentava sua compressão nas regiões mais densas do gás. Mas o primeiro harmônico, que possui a metade do comprimento do modo fundamental, foi apanhado em oposição de fase - a gravidade estava comprimindo o plasma enquanto a pressão do gás forçava a expansão. Como resultado, as variações de temperatura causadas por este harmônico seriam menos pronunciadas que aquelas produzidas pelo modo fundamental.

Isto explicaria por que o segundo pico do espectro de potência é mais baixo que o primeiro. Comparando as alturas dos dois picos os cosmólogos podem avaliar as intensidades relativas da gravidade e da pressão da radiação do universo primordial. Resultados experimentais indicam que os bárions tinham aproximadamente a mesma densidade de energia que os fótons na época da recombinação e por isso representam hoje cerca de 5% da densidade crítica. Este resultado está em perfeito acordo com os valores deduzidos a partir do estudo da síntese dos elementos leves por radiações nucleares nos primórdios do Universo.

A teoria da relatividade geral, no entanto, afirma que a matéria e a energia se comportam de forma muito parecida. Então, a gravidade dos fótons no universo primordial também teria contribuído para aumentar as variações de temperatura?

Sim, de fato, mas um outro efeito contrabalançava essa contribuição dos fótons. Depois do período da recombinação, os fótons da RCFM, provenientes de regiões mais densas, perdiam mais energia que os fótons de regiões menos densas. Isto porque eles tinham de vencer poços de potencial gravitacional mais profundos. Este processo, chamado de efeito Sachs-Wolfe, reduzia o valor das variações de temperatura na RCFM, contrabalançando exatamente aquele aumento produzido pela gravidade dos fótons. Nas regiões do universo primordial muito grandes para oscilar acusticamente - isto é, regiões que subentendiam ângulos de mais de um grau no céu - as variações de temperatura eram devidas somente ao efeito Sachs-Wolfe. Nestas escalas, paradoxalmente, as manchas quentes na RCFM representavam regiões menos densas do Universo.

Finalmente, os cosmólogos poderão utilizar a RCFM para medir a proporção de matéria escura existente no Universo. A gravidade dos bárions sozinha não seria suficiente para modular as variações de temperatura muito além do primeiro pico do espectro de potência. Seria necessária uma abundância maior de matéria fria e escura para manter os poços de potencial gravitacional suficientemente profundos. Estabelecendo uma relação entre as alturas dos três primeiros picos do espectro de potência, os pesquisadores conseguiram determinar que a densidade da matéria escura e fria deveria ser aproximadamente cinco vezes maior que a densidade de bárions. Por isso, a matéria escura representa hoje, cerca de 25% da densidade crítica.


Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
Como os cosmólogos conseguem deduzir esses padrões a partir da RCFM? Eles constroem gráficos conhecidos como espectros de potência que relacionam o valor das variações de temperatura com o tamanho das manchas quentes e frias. Os resultados mostraram que as regiões com maiores variações subentendem um ângulo de cerca de um grau do céu, isto é, mais ou menos duas vezes o tamanho da lua cheia. (Na época da recombinação essas regiões tinham diâmetros de cerca de um milhão de anos-luz, mas devido à expansão de mil vezes que o Universo sofreu desde então, cada região se estende hoje por quase um bilhão de anos-luz.) O primeiro e mais alto pico do espectro de potência é uma evidência de que existiu uma onda fundamental que comprimiu e tornou rarefeitas as regiões do plasma até sua extensão máxima na época da recombinação. Os picos subseqüentes do espectro de potência representam as variações de temperatura produzidas pelos harmônicos. A seqüência de picos dá forte sustentação à teoria de que a inflação foi a responsável pelo disparo simultâneo de todas as ondas sonoras. Se as perturbações tivessem sido geradas continuamente ao longo do tempo, o espectro de potência não seria composto tão harmoniosamente. Voltando à analogia com o tubo, imagine a cacofonia que teria sido produzida, se o tubo que sopramos fosse guarnecido com diversos orifícios aleatoriamente distribuídos ao longo de seu comprimento.

A sinfonia cósmica é produzida por músicos muito estranhos e é acompanhada de coincidências ainda mais estranhas

A teoria da inflação também prediz que as ondas sonoras deveriam ter aproximadamente a mesma amplitude em todas as escalas. No entanto, o espectro de potência mostra uma brusca queda no valor da intensidade das variações de temperatura depois do terceiro pico. Esta discrepância pode ser explicada se admitirmos que as ondas sonoras com comprimento de onda mais curtos se dissiparam. Como o som é transmitido através da colisão entre partículas num gás ou plasma, um onda não pode se propagar se seu comprimento for menor que a distância típica percorrida pelas partículas entre as colisões. No ar, essa distância é de insignificantes10-5 centímetros, mas no plasma primordial antes da recombinação, uma partícula percorria, em média, cerca de 10 mil anos-luz antes de se chocar com outra. (O Universo naquela época pode ser considerado denso, se o compararmos com o Universo moderno, que é cerca de um bilhão de vezes mais rarefeito.) Medidas obtidas atualmente, depois de o Universo ter se expandido mil vezes, mostram que aquela distância é hoje de aproximadamente 10 milhões de anos-luz. Portanto, as amplitudes dos picos no espectro de potência sofreram um amortecimento de cerca de 10 vezes essa escala.

Da mesma forma como os músicos conseguem distinguir um violino de alta qualidade de um instrumento comum, pela riqueza dos seus harmônicos, os cosmólogos são capazes de desvendar a forma e a composição do Universo examinando a freqüência fundamental e a intensidade dos harmônicos das ondas sonoras primordiais. A RCFM revela as dimensões angulares das variações de temperatura - isto é, o tamanho das manchas quentes e frias que aparecem no céu - que, por sua vez, nos informa qual a freqüência fundamental da onda sonora. Os cosmólogos conseguem estimar com precisão o tamanho real dessa onda no momento da recombinação, porque eles sabem com que velocidade o som se propagava no plasma primordial. De forma análoga, os pesquisadores são capazes de determinar a distância que os fótons da RCFM percorreram antes de atingir a Terra - cerca de 45 bilhões de anos-luz. (Embora esses fótons tenham viajado somente durante aproximadamente 14 bilhões de anos, a expansão do Universo ajudou a alongar essa jornada.)

Assim, os cosmólogos possuem todas as informações necessárias sobre o triângulo formado pela onda e podem verificar se a soma de seus ângulos internos vale 180o - o teste clássico da curvatura do espaço. E eles conseguem fazer isso com uma precisão muito boa, o que mostra que apesar da expansão geral, o Universo obedece às leis da geometria euclidiana e deve estar muito próximo de ser espacialmente plano. Como a geometria do Universo depende da sua densidade de energia, estas descobertas evidenciam que a densidade média de energia está próxima da chamada densidade crítica - cerca de 10-29 gramas por centímetro cúbico.

A próxima resposta que os cosmólogos querem obter diz respeito ao colapso da matéria e energia do Universo. A amplitude dos harmônicos fornece a solução. Enquanto as ondas sonoras comuns são produzidas somente pela pressão do gás, as ondas sonoras do universo primordial eram modificadas pela força da gravidade. A gravidade comprime o gás criando regiões mais densas e, dependendo da fase da onda sonora, pode aumentar ou se contrapor alternadamente à compressão e à rarefação sônicas. A análise da modulação das ondas permite inferir a intensidade da gravidade, que, por sua vez, traduz a composição de matéria-energia do meio. Como no Universo atual, a matéria do universo primordial se distribuía entre duas categorias principais: bárions (prótons e nêutrons) que formam a maior parte da chamada matéria comum, e a matéria fria e escura que produz a gravidade. A matéria escura jamais foi observada diretamente porque ela não interage com a luz ou com a matéria comum de nenhuma forma perceptível. Tanto a matéria comum como a matéria escura forneceram massa para o gás primordial e aumentaram a atração gravitacional, mas somente a matéria comum sofreu a compressão e a rarefação sônicas. Na recombinação, a onda fundamental ficou congelada numa fase em que a gravidade aumentava sua compressão nas regiões mais densas do gás. Mas o primeiro harmônico, que possui a metade do comprimento do modo fundamental, foi apanhado em oposição de fase - a gravidade estava comprimindo o plasma enquanto a pressão do gás forçava a expansão. Como resultado, as variações de temperatura causadas por este harmônico seriam menos pronunciadas que aquelas produzidas pelo modo fundamental.

Isto explicaria por que o segundo pico do espectro de potência é mais baixo que o primeiro. Comparando as alturas dos dois picos os cosmólogos podem avaliar as intensidades relativas da gravidade e da pressão da radiação do universo primordial. Resultados experimentais indicam que os bárions tinham aproximadamente a mesma densidade de energia que os fótons na época da recombinação e por isso representam hoje cerca de 5% da densidade crítica. Este resultado está em perfeito acordo com os valores deduzidos a partir do estudo da síntese dos elementos leves por radiações nucleares nos primórdios do Universo.

A teoria da relatividade geral, no entanto, afirma que a matéria e a energia se comportam de forma muito parecida. Então, a gravidade dos fótons no universo primordial também teria contribuído para aumentar as variações de temperatura?

Sim, de fato, mas um outro efeito contrabalançava essa contribuição dos fótons. Depois do período da recombinação, os fótons da RCFM, provenientes de regiões mais densas, perdiam mais energia que os fótons de regiões menos densas. Isto porque eles tinham de vencer poços de potencial gravitacional mais profundos. Este processo, chamado de efeito Sachs-Wolfe, reduzia o valor das variações de temperatura na RCFM, contrabalançando exatamente aquele aumento produzido pela gravidade dos fótons. Nas regiões do universo primordial muito grandes para oscilar acusticamente - isto é, regiões que subentendiam ângulos de mais de um grau no céu - as variações de temperatura eram devidas somente ao efeito Sachs-Wolfe. Nestas escalas, paradoxalmente, as manchas quentes na RCFM representavam regiões menos densas do Universo.

Finalmente, os cosmólogos poderão utilizar a RCFM para medir a proporção de matéria escura existente no Universo. A gravidade dos bárions sozinha não seria suficiente para modular as variações de temperatura muito além do primeiro pico do espectro de potência. Seria necessária uma abundância maior de matéria fria e escura para manter os poços de potencial gravitacional suficientemente profundos. Estabelecendo uma relação entre as alturas dos três primeiros picos do espectro de potência, os pesquisadores conseguiram determinar que a densidade da matéria escura e fria deveria ser aproximadamente cinco vezes maior que a densidade de bárions. Por isso, a matéria escura representa hoje, cerca de 25% da densidade crítica.


Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
A próxima resposta que os cosmólogos querem obter diz respeito ao colapso da matéria e energia do Universo. A amplitude dos harmônicos fornece a solução. Enquanto as ondas sonoras comuns são produzidas somente pela pressão do gás, as ondas sonoras do universo primordial eram modificadas pela força da gravidade. A gravidade comprime o gás criando regiões mais densas e, dependendo da fase da onda sonora, pode aumentar ou se contrapor alternadamente à compressão e à rarefação sônicas. A análise da modulação das ondas permite inferir a intensidade da gravidade, que, por sua vez, traduz a composição de matéria-energia do meio. Como no Universo atual, a matéria do universo primordial se distribuía entre duas categorias principais: bárions (prótons e nêutrons) que formam a maior parte da chamada matéria comum, e a matéria fria e escura que produz a gravidade. A matéria escura jamais foi observada diretamente porque ela não interage com a luz ou com a matéria comum de nenhuma forma perceptível. Tanto a matéria comum como a matéria escura forneceram massa para o gás primordial e aumentaram a atração gravitacional, mas somente a matéria comum sofreu a compressão e a rarefação sônicas. Na recombinação, a onda fundamental ficou congelada numa fase em que a gravidade aumentava sua compressão nas regiões mais densas do gás. Mas o primeiro harmônico, que possui a metade do comprimento do modo fundamental, foi apanhado em oposição de fase - a gravidade estava comprimindo o plasma enquanto a pressão do gás forçava a expansão. Como resultado, as variações de temperatura causadas por este harmônico seriam menos pronunciadas que aquelas produzidas pelo modo fundamental.

Isto explicaria por que o segundo pico do espectro de potência é mais baixo que o primeiro. Comparando as alturas dos dois picos os cosmólogos podem avaliar as intensidades relativas da gravidade e da pressão da radiação do universo primordial. Resultados experimentais indicam que os bárions tinham aproximadamente a mesma densidade de energia que os fótons na época da recombinação e por isso representam hoje cerca de 5% da densidade crítica. Este resultado está em perfeito acordo com os valores deduzidos a partir do estudo da síntese dos elementos leves por radiações nucleares nos primórdios do Universo.

A teoria da relatividade geral, no entanto, afirma que a matéria e a energia se comportam de forma muito parecida. Então, a gravidade dos fótons no universo primordial também teria contribuído para aumentar as variações de temperatura?

Sim, de fato, mas um outro efeito contrabalançava essa contribuição dos fótons. Depois do período da recombinação, os fótons da RCFM, provenientes de regiões mais densas, perdiam mais energia que os fótons de regiões menos densas. Isto porque eles tinham de vencer poços de potencial gravitacional mais profundos. Este processo, chamado de efeito Sachs-Wolfe, reduzia o valor das variações de temperatura na RCFM, contrabalançando exatamente aquele aumento produzido pela gravidade dos fótons. Nas regiões do universo primordial muito grandes para oscilar acusticamente - isto é, regiões que subentendiam ângulos de mais de um grau no céu - as variações de temperatura eram devidas somente ao efeito Sachs-Wolfe. Nestas escalas, paradoxalmente, as manchas quentes na RCFM representavam regiões menos densas do Universo.

Finalmente, os cosmólogos poderão utilizar a RCFM para medir a proporção de matéria escura existente no Universo. A gravidade dos bárions sozinha não seria suficiente para modular as variações de temperatura muito além do primeiro pico do espectro de potência. Seria necessária uma abundância maior de matéria fria e escura para manter os poços de potencial gravitacional suficientemente profundos. Estabelecendo uma relação entre as alturas dos três primeiros picos do espectro de potência, os pesquisadores conseguiram determinar que a densidade da matéria escura e fria deveria ser aproximadamente cinco vezes maior que a densidade de bárions. Por isso, a matéria escura representa hoje, cerca de 25% da densidade crítica.


Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
Uma Concordância Perfeita

Infelizmente, os cálculos de matéria e energia do Universo moderno deixam cerca de 70% da densidade crítica sem explicação. Para dar conta dessa diferença os teóricos propuseram um componente misterioso chamado de energia escura, cuja influência foi crescendo à medida que o Universo foi se expandindo. Fomos assim, aos poucos, levados a uma conclusão pouco provável: a maior parte do Universo atual é formada de matéria e de energia escura, invisíveis. O pior é que a matéria e a energia escura parecem ser coincidentemente comparáveis com a densidade de energia de hoje, ainda que a primeira tenha suplantado consideravelmente a segunda na época da recombinação. Os físicos são gostam de coincidências; eles preferem explicar o mundo em termos de causa e efeito e não por uma sorte fortuita. Além disso, um outro componente misterioso, o inflaton, dominava o Universo bem no início e semeou as estruturas cósmicas. Por que devemos acreditar num modelo que aparentemente se baseia na introdução de três raras entidades enigmáticas?

Uma das razões talvez seja porque as três entidades explicam a riqueza de fatos que já se conheciam anteriormente. A matéria escura foi postulada pela primeira vez nos anos 30 para explicar as medidas de densidade de massa local em aglomerados de galáxias. Albert Einstein introduziu o conceito de energia escura em 1917, ao incluir a chamada constante cosmológica nas equações para compensar o efeito da gravidade. Mais tarde ele repudiou a constante, mas ela foi ressuscitada na década de 90, quando observações de supernovas distantes mostraram que a expansão do Universo estava se acelerando. As densidades de energia da matéria e da energia escura, de acordo com as medidas da RCFM, estão em perfeito acordo com estas observações astronômicas.

Outra razão é que o modelo cosmológico padrão tem poder para fazer predições. Uma predição importante, verificada recentemente, é que os picos acústicos de pequena escala da RCFM podem ser amortecidos de forma específica, calculada, e que a radiação correspondente deve adquirir uma polarização pequena, mas conhecida com precisão. (A radiação polarizada está orientada numa determinada direção.) Pode-se supor que a RCFM não se tornou polarizada porque o espalhamento dos fótons no plasma primordial não teria privilegiado nenhuma direção em particular. No entanto, nas pequenas escalas, onde ocorre amortecimento, os fótons podem deslocar-se praticamente sem sofrer espalhamento de modo a manter a informação direcional que está gravada como uma polarização da RCFM. Essa polarização acústica foi medida pelo Degree Angular Scale Interferometer (um instrumento que funciona na Amundsen-Scott South Pole Station na Antártida) e posteriormente pela WMAP. O valor obtido estava em ótimo acordo com as previsões. O WMAP também detectou uma polarização em grandes escalas produzida pelo espalhamento de fótons da RCFM após a recombinação.

Além disso, a existência de energia escura prevê fenômenos adicionais na RCFM que estão começando a ser observados. Como a energia escura acelera a expansão do Universo, enfraquece os poços de potencial gravitacional associados aos aglomerados galácticos. Ao atravessar uma região como essa um fóton recebe um reforço de energia à medida que vai penetrando no poço de potencial. Mas como o poço é mais raso na saída do fóton, o fóton perde menos energia que havia ganho na entrada. Este fenômeno, conhecido como efeito Sachs-Wolfe integrado, produz variações de temperatura de grande escala na RCFM. Observadores notaram recentemente indícios dessa correlação, ao comparar grandes estruturas, no levantamento de galáxias utilizando dados do WMAP. A quantidade de energia escura necessária para produzir as variações de temperatura em grande escala é consistente com a quantidade inferida através dos picos acústicos e de supernovas distantes. À medida que melhoram os dados de levantamento de galáxias, e outros traçadores de estruturas de galáxias de grande escala do Universo se tornam disponíveis, o efeito de Sachs-Wolfe integrado pode se tornar uma importante fonte de informação sobre a energia escura.

A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.
A RCFM também pode fornecer novas evidências cruciais que poderiam explicar o que aconteceu nos primeiros momentos logo após o Big Bang. Poucos aspectos da cosmologia são mais estranhos que o período da inflação. Será que o Universo realmente inflou? E se isso aconteceu, qual a natureza do inflaton, o campo teórico que produziu a rápida expansão? Medições recentes da RCFM fortaleceram dramaticamente os modelos mais simples da inflação, aqueles que admitem que as amplitudes das flutuações de densidade iniciais eram as mesmas em todas as escalas. Mas se as observações mais detalhadas da RCFM revelarem que as amplitudes variavam de acordo com a escala, estes modelos estarão em maus lençóis. Será necessário postular alternativas mais sofisticadas ou adotar paradigmas completamente diferentes.

Outra possibilidade interessante é que poderíamos aprender muito sobre a física da inflação, se pudéssemos determinar a escala de energia em que ela ocorreu. Por exemplo, os físicos acreditam que a força nuclear fraca e a força eletromagnética constituíam aspectos de uma única força eletrofraca quando o Universo tinha uma temperatura maior que 1015 kelvins. Se os pesquisadores determinarem que a inflação ocorreu nessa escala de energia, então haveria fortes indícios de que a inflação tinha alguma coisa a ver com a unificação eletrofraca. Mas a inflação poderia ter ocorrido a uma temperatura muito maior que aquela em que a força eletrofraca se funde com a força nuclear forte. Neste caso, a inflação poderia muito bem estar associada à grande unificação das forças fundamentais.

Uma assinatura característica na RCFM poderia permitir que os pesquisadores consolidassem esta questão. Além de disseminar as perturbações primordiais de densidade, a inflação seria capaz de criar flutuações na própria estrutura do espaço-tempo. Essas flutuações são ondas gravitacionais cujo comprimento pode estender-se por todo o Universo observável. A amplitude dessas ondas gravitacionais é proporcional ao quadrado da escala de energia em que a inflação ocorreu. Se a inflação ocorreu nas energias mais altas, associadas à grande unificação, seus efeitos devem ser visíveis na polarização da RCFM.

Embora o modelo cosmológico padrão funcione razoavelmente bem ao descrever os aspectos fenomenológicos do Universo, para ter um conhecimento mais profundo de seus mistérios é preciso aguardar as descobertas que os novos experimentos trarão. Tudo indica que a sinfonia cósmica vai continuar a encantar seus ouvintes ainda por muito tempo.