UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO
FRANCISCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
NÍVEL MESTRADO PROFISSIONAL
RAMON MARQUES DE CARVALHO
UM BREVE RELATO SOBRE A HISTÓRIA DA
RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
PICOS
2014
A
Radiação
Cósmica
de
Fundo
(RCF)
é
uma
radiação
eletromagnética na faixa de micro-ondas que remonta dos primórdios do
universo e o permeia como um todo com um espectro de corpo negro de 2,75
K. A RCF é um dos principais pilares da teoria cosmológica do “Big Bang” que
hoje é o modelo mais aceito na comunidade científica.
Esse trabalho não tem o objetivo de aprofundar-se na teoria relativa
à RCF, tão pouco de introduzir novas variáveis a questão. O que se apresenta
é um breve relato sobre o desenvolvimento histórico da RCF, com uma
linguagem acessível afim de que possa ser apreciado por leitores que nunca
tiveram contato com o assunto.
O modelo cósmico padrão, conhecido como Big Bang, é atualmente
o que melhor explica a historia do universo, e para isso sustenta-se em alguns
pontos já observados. Contudo, antes de qualquer evidencia observacional,
George Lemaître, ainda na década de 1920, já previa a possibilidade da
medição de um sinal proveniente do início do universo, que segundo ele
deveria ter sido quente e denso no seu começo. Nessa época muitos cientistas
não acreditavam que o universo teve um início, acreditava-se em um universo
estacionário, logo, necessitava-se de uma comprovação observacional.
Em 1965, dois cientistas, Arno A. Penzias e Robert W. Wilson,
utilizando uma antena de telecomunicação para emitir ondas eletromagnéticas
na mesma faixa das ondas emitidas pela Via-Láctea, detectaram uma radiação
de comprimento de onda 7,3 centímetros e que, segundo as observações,
parecia vir de todas as direções do universo de maneira uniforme, oque foi
chamado de isotropia da RCF.
Primeiramente Arno A. Penzias e Robert W. Wilson acharam que
aquele ruído era apenas um defeito no equipamento, contudo, por mais que
tentassem não conseguiam eliminar tal anomalia, que tinha uma radiação
térmica de aproximadamente 2,5K. Foi então que perceberam que esse ruído
deveria se tratar da radiação prevista nos trabalhos teóricos que descrevem a
história térmica do universo.
A RCF foi prevista em Em 1948 a radiação cósmica de fundo foi
prevista por três cientistas da universidade de Princeton, George Gamov, Ralph
Alpher e Robert Herman que demonstraram teoricamente que se o universo
teve uma origem deveria estar mergulhado em uma radiação térmica
caracterizada por um espectro de corpo negro. Depois Alpher e Herman foram
capazes de estimar a temperatura da radiação cósmica de fundo como sendo
de 2,25K.
Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, quando investigaram o “ruído”
em sua antena não imaginavam que estavam revolucionando a cosmologia,
essa descoberta é de tamanha relevância para a história do universo que foram
ganhadores do prêmio Nobel de física em 1978.
Um breve relato sobre a história do universo:
Do tempo de Planck aos nossos dias
Começaremos a contar a vida do universo não do início t=0 mas de
um tempo de aproximadamente t= 10ˉ 43, esse instante conhecido como tempo
de Planck é onde a relatividade geral separa-se das outras forças, pelo fato de
não termos informações de como a relatividade estaria unificada que
começamos nosso relato a partir do tempo de Planck. Nesse momento o
universo tem um tamanho de 1,6x10 ˉ 35 m que é chamado de comprimento de
Planck que é um comprimento muito pequeno, logo as partículas como as
conhecemos não fazem nenhum sentido na época de Planck, onde as quatro
interações fundamentais; a Gravidade, Interação forte, Interação fraca e a
Eletromagnética estavam unificadas. É quando nesse instante os Grávitons se
espalham no universo, devido um desequilíbrio com as outras partículas,
gerando ondas gravitacionais cósmicas de fundo.
O intervalo do tempo de Planck até o tempo de 10 -35 s é conhecido
como época unificada, pelo fato de termos a Interação forte, a Interação fraca e
a Eletromagnética unificadas. No fim da época unificada o universo entra num
fase conhecida como inflação, onde ele começa a crescer de forma
exponencial.
A partir de 10-35 s a temperatura diminuiu a ponte de ocorrer uma
quebra de equilíbrio provocando o desacoplamento da Interação nuclear forte
da Interação nuclear fraca e da Interação eletromagnética. E assim temos inicio
a era dos Quarks, pelo fato de nesse momento termos gluons separados dos
quarks.
No instante 10-6 s tem fim a época dos quarks e por volta do instante
10-11 s temos o universo a uma temperatura de 1015 K e nesse momento que a
Interação fraca se separa da Interação Eletromagnética, e finalmente temos as
quatro forças separadas.
Depois da separação das forças a matéria ainda se apresentava na
forma de um plasma de Glúons e Quarks quando no tempo de 10 -6 s após o Big
Bang os quarks começaram a condensar formando os Hadrons, tendo assim
início a era dos hadrons.
A era dos Hadrons teve um pequena duração e finalmente temos
com o desaparecimento dos pares Barion-Antibarion a formação dos fótons
que originaram a maior parte da radiação cósmica de fundo que observamos
hoje em dia.
Depois disso veio a época dos léptons cerca de 10 -4 s após o Big
Bang, nesse momento o universo continua a resfriar e é formado por um caldo
de fótons, neutrinos, elétrons, prótons, nêutrons e pósitrons provenientes de
épocas anteriores. A medida que o tempo passa a temperatura do universo
diminuía e as partículas com menor massa dominavam a maior parte do
universo.
Finalmente, um segundo após o Big Bang, o universo com uma
temperatura de aproximadamente de 1010K , teve sua densidade reduzida de
tal modo que os neutrinos não conseguiam interagir com outras partículas a fim
de se manter o
equilíbrio térmico, e dessa forma eles continuaram seu
caminho no universo do mesmo modo que a RCF. É importante salientar que
não podemos realizar os estudos dos neutrinos, nos moldes do que se faz com
a RCF, apenas pela dificuldade de detecção.
Depois disso a temperatura ficou abaixo da necessária para
produção de elétrons e dessa forma fixou-se a razão entre prótons e nêutrons.
Então 180 segundos após o Big Bang o universo resfriou a uma
temperatura de 109K permitindo a formação de núcleos estáveis, essa época
foi chamada de “Época da Nucleossíntese”. O universo continuou resfriando, e
chegou a um ponto onde a radiação, até então dominante, chegou a mesma
proporção da matéria, contudo
essa equivalência não perdurou por muito
tempo pois a expansão continuava, mas durante essa época ocorre algo crucial
para nosso estudo, começa a ocorrer a aglomeração de matéria em regiões
específicas do universo formando estruturas observáveis.
Com isso, temos o início da época atual do universo, onde existe
uma predominância da matéria, nessa época por volta da temperatura de 3000
K acontece algo notável pois,
abaixo dessa temperatura não mas tinham
velocidade suficiente para escapar dos campos elétricos do núcleo, os elétrons
são
capturados
por
prótons
começando
a
formar
hidrogênio.
Este
acontecimento chamado de recombinação é o principal tema de estudo da RCF,
nesse momento a maioria dos elétrons são capturados pelos prótons deixando
de interferir de forma significativa nos fótons da RCF, como consequência
temos agora a radiação e a matéria em desequilíbrio térmico e o universo
transparente.
Conclusão
Com isso, podemos ter um pequeno entendimento sobre o
desenrolar da teoria e da verificação experimental da radiação cósmica de
fundo, bem como os avanços propiciados aos alicerces da teoria mais aceita
para história do universo. A pesar de não aprofundarmos em temas
importantes como a anisotropia da RCF, o texto acima cumpri o papel de uma
introdução acessível ao tema exposto.
Bibliografia
Introdução à Cosmologia – Souza, Ronaldo E. de. Edusp (2004).
http://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o_c%C3%B3smica_de_fun
do Acesso em 01/01/2014.
MARTINS, André Machado Murtinheira. A história do universo a partir da
observação da Radiação Cósmica de Fundo: Da visão newtoniana às
equações da Relatividade Geral. 2009. 139 f. Tese (Mestrado) - Curso de
Mestrado em Astronomia e Astrofísica, Departamento de Departamento de
FÍsica,
Universidade
de
Lisboa,
Lisboa,
2009.
Disponível
em:
<http://repositorio.ul.pt/bitstream/10451/4978/1/ulfc055997_tm_André_Martins.
pdf>. Acesso em: 10 jan. 2014.