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.
Observações
Wayne Hu e Martin White estão tentando desvendar a história do Universo por meio do estudo da evolução das estruturas cósmicas. Hu é professor associado de astronomia e astrofísica da University of Chicago. Obteve seu doutorado em física na University of California, em Berkeley em 1995. Seus interesses na pesquisa incluem a investigação da energia escura, matéria escura e formação de estruturas cosmológicas. White é professor de astronomia e física em Berkeley e obteve seu PhD em física na Yale University em 1992. Além de se preocupar com o surgimento de estruturas no Universo, ele também está interessado nas relações entre a astrofísica e a física básica.
Primeiras estrelas reionizaram gás próximo. Novas observações da radiação cósmica de fundo em microondas mostram que o universo primordial ressoou em vibrações harmônicas.