Cosmic microwave background seen by Planck

Planck revela um Universo quase perfeito

22 Março 2013

Captado pelo telescópio espacial da Agência Espacial Europeia, foi divulgado hoje o mais completo e detalhado mapa da radiação cósmica de fundo – os resquícios da radiação do Big Bang –, revelando algumas características que desafiam a forma atual de compreensão do Universo. 

Esta imagem é baseada nos primeiros 15.5 meses de dados do Planck e é a primeira imagem do céu completo da luz mais antiga do nosso Universo, impressa no céu quando este tinha apenas 380 000 anos.

Nessa altura, o Universo jovem era uma densa sopa de protões, eletrões e fotões em interação, a uma temperatura de 2700ºC. Quando os protões e os eletrões se juntaram para formar átomos de hidrogénio, a luz foi libertada. À medida que o universo se foi expandindo, esta luz foi-se esticando até ao comprimento de onda das micro-ondas, equivalente a uma temperatura de apenas 2,7 graus acima do zero absoluto.

Esta radiação cósmica de fundo – CMB na sigla em inglês – mostra pequenas flutuações na temperatura que correspondem a regiões de ligeiras diferenças de densidade, em tempos primitivos, representando as sementes de todas as futuras estruturas: as estrelas e galáxias de hoje.

De acordo com o modelo padrão da cosmologia, as flutuações surgiram imediatamente depois do Big Bang e foram-se espalhando para largas escalas cosmológicas durante um breve período de aceleração da expansão conhecido como inflação.

O Planck foi desenhado para mapear estas flutuações em todo o céu, com maior resolução e sensibilidade do que alguma vez tinha sido feito. Analisando a natureza e a distribuição das sementes na imagem da CMB do Planck podemos determinar a composição e a evolução do Universo, desde o nascimento até ao presente.   

Planck’s anomalous sky

A informação retirada do novo mapa do Planck fornece uma excelente confirmação do modelo padrão de cosmologia, com uma precisão sem precedentes, estabelecendo um novo padrão para os conteúdos do Universo. 

A precisão do mapa do Planck é tão elevada, que também tornou possível revelar algumas características peculiares inexplicadas que podem exigir nova física para ser entendida.

“A extraordinária qualidade das imagens do Planck sobre o Universo muito jovem permite-nos descascar as suas camadas até às suas fundações, revelando que a nossa impressão do cosmos está longe de estar completa. Estas descobertas tornaram-se possíveis graças à tecnologia única desenvolvida para este propósito pela indústria europeia,” diz Jean-Jacques Dordain, Diretor Geral da ESA.

“Desde a divulgação da primeira imagem do céu completo do Planck em 2010, temos vindo a analisar com cuidado todas as emissões de primeiro plano que estão entre nós e a primeira luz do Universo, revelando a radiação cósmica de fundo com o maior detalhe de sempre,” acrescenta George Efstathiou da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

Uma das descobertas mais surpreendentes é a de que as flutuações na temperatura da CMB em grandes escalas angulares não coincidem com o previsto pelo modelo padrão – os seus sinais não são tão fortes como o esperado a partir das estruturas em pequena escala reveladas pelo Planck.

Asymmetry and cold spot

A outra é uma assimetria na temperatura média em hemisférios opostos do céu. Isto contraria a previsão feita pelo modelo padrão de que o Universo deveria ser similar em qualquer direção para onde olhássemos.

Além disso, há uma mancha fria que se estende numa parte do céu e que é muito maior do que se esperava. 

A assimetria e a mancha fria já tinham sido vislumbradas pelo predecessor do Planck, a missão da NASA WMAP, mas foram ignoradas por causa das dúvidas acerca da sua origem cósmica.

“O facto de o Planck ter feito esta significativa deteção das anomalias apaga qualquer dúvida acerca da sua existência; já não se pode dizer que são resultado das medições. São reais e temos de procurar uma explicação credível,” diz Paolo Natoli da Universidade de Ferrara, Itália.

“Imagine espreitar as fundações de uma casa e descobrir que parte delas estão fracas. Pode não se saber se o enfraquecimento irá por a casa em risco, mas provavelm ente iria começar a procurar formas de a reforçar rapidamente, mesmo assim,” acrescenta François Bouchet do Instituto d’Astrofísica de Paris.

Uma forma de explicar as anomalias é propor que o Universo de facto não é o mesmo em todas as direções numa escala maior do que aquela que conseguimos observar. Neste cenário, os raios de luz do CMB podem ter feito um caminho mais complicado através do Universo do que o previsto, resultando nos padrões irregulares observados hoje.

“O nosso objetivo final seria construir um novo modelo que preveja  as anomalias e que as relacione. Mas estamos a falar dos tempos primordiais; até agora, não sabemos se isto é possível e qual o tipo de nova física de que iremos precisar. E isto é muito entusiasmante,” diz o Professor Efstathiou.

Nova receita cósmica

New cosmic recipe

Apesar destes resultados inesperado, os dados do Planck estão bem à altura das expetativas relativamente a um modelo simples do Universo, permitindo aos cientistas extrair os valores mais refinados para os seus ingredientes.

A matéria normal, de que são feitas as estrelas e as galáxias contribui com apenas 4.9% da densidade massa/energia do Universo. A matéria negra matter, que só foi detetada indiretamente pela sua influência gravitacional, corresponde a 26.8%, quase um quinto a mais do que o previsto.

A energia negra, uma força misteriosa que se pensa ser responsável pela aceleração da expansão do Universo, tem menos peso do que se pensava.

E ainda, os dados do Planck também estabelecem um novo valor para a taxa atual de expansão do Universo, conhecida como a constante de Hubble. A 67.15 km/s/Mpc, é significantivamente inferior ao atual valor standard value em astronomia. Os dados sugerem que a idade do Universo é de 13.82 mil milhões de anos.

“Com os mapas de microondas mais precisos e detalhados de sempre, o Planck está a pintar uma nova imagem do Universo que nos está a levar aos limites do entendimento das teorias cosmológicas,” diz Jan Tauber, Cientista de Projeto da ESA para o Planck.

“Vemos que há um encaixe perfeito com o modelo standard de cosmologia, mas com características intrigantes que nos força a repensar algumas das assumpções básicas.”

“É o início de uma nova viagem e esperamos que a análise contínua dos dados do Planck que nos podem trazer novas luzes sobre este enigma.”

Notas para os editores:

Uma série de artigos científicos a descrever os novos resultados são publicados a 22 de Março.

Informação de background nos tópicos discutidos neste artigo estão disponíveis nos links à direita desta página.

Os novos dados do Planck são baseados nos primeiros 15.5 meses de pesquisa de céu completo. Lançado em 2009, o Planck foi desenhado para  mapear o céu em nove frequências, usando dois instrumentos de ponta: o Low Frequency Instrument (LFI), que inclui frequências de banda 30–70 GHz, e o High Frequency Instrument (HFI), que inclui frequências de banda 100–857 GHz. HFI completou o seu estudo em Janeiro 2012, enquanto o LFI continua a operar.

A primeira imagem de céu completo do Planck foi divulgada em 2010 e os primeiros dados científicos foram libertados em 2011. Desde então, os cientistas têm estado a extrair as emissões de primeiro plano que estão entre nós e as primeiras emissões da CMB do Universo, reveladas agora. O novo conjunto de dados cosmológicos será libertado no início de 2014.

A Colaboração Científica do Planck é constituída por todos os cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da missão Planck, e que participam na exploração científica dos dados do Planck, durante o período de propriedade. Estes cientistas são membros de um ou mais de quatro consórcios: o LFI, o HFI Consortium, o DK-Planck, e o Gabinete da ESA, Planck Science Office. Os dois centros europeus de processamento de dados do Planck estão localizados em Paris, França e Trieste, Itália.

O consórcio LFI é dirigido por N. Mandolesi, Agenzia Spaziale Italiana ASI, Itália (M. Bersanelli, Universita' degli Studi di Milano, Itália), e foi responsável pelo desenvolvimento e operação do instrumento LFI. O consórcio HFI é conduzido por J.L. Puget, do Institut d’Astrophysique Spatiale em Orsay, França (F. Bouchet, Institut d'Astrophysique de Paris, França), e foi responsável pelo desenvolvimento e pelas operações do instrumento HFI.

O Institut d’Astrophysique Spatiale em Orsay é uma Unité Mixte de Recherche (UMR8617) do CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) e da Université Paris-Sud 11. O Institut d’Astrophysique de Paris é uma Unité Mixte de Recherche (UMR 7095) do CNRS e da Université Pierre et Marie Curie de Paris.

O desenvolvimento da missão Planck foi apoiado por financiamento substancial e contribuições tecnológicas dos estados membro da ESA. Mais de 40% do custo do desenvolvimento da missão foi assegurado pelas agências fornecedoras do HFI e do LFI. A França e a Itália, através das duas principais agências financiadores, o CNES e a ASI, e os organismos nacionais de investigação, forneceram mais de metade dos fundos nacionais.

A contribuição dos estados membros da ESA tem ainda mais significado para as operações científicas da missão e o processamento dos seus dados.  

Os estados membro da ESA também forneceram tecnologias essenciais tais como o arrefecedor inovador que permitiu que a instrumentação da missão se mantivesse a apenas um décimo de grau acima do zero absoluto (–273.15°C). Tecnologias importantes e elementos de carga também tiveram a contribuição da NASA.

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