Imagina que dispunhas de um telescópio [1] que observa comprimentos de onda desde o milímetro a alguns centímetros e o apontavas para direcções aleatórias do céu. Em qualquer direcção, observarias um espectro característico de corpo negro com uma temperatura em torno de 2.725 graus Kelvin, em 95% dos casos entre 2.724 e 2.726. Recordo-te que zero graus celsius corresponde a 273.15 graus Kelvin. Desta observação concluirias que estamos imersos num banho de luz extraordinariamente fria e isotrópica, comummente designada por radiação cósmica de micro-ondas.
Imagina que dispunhas também de um telescópico [2] que observa comprimentos de onda desde algumas décimas de nanómetro a nanómetros e o apontavas também para direcções aleatórias do céu. Conforme a direcção que apontasses, observarias ora filamentos densamente povoados de galáxias ora volumes quase vazios, padrão este que se repete pelo céu. Se complementasses esta observação com a medição do efeito de Doppler na luz dessas galáxias, o que nos dá uma medida de quando essa luz foi emitida, verificarias que este padrão se repete para diferentes tempos. Concluirias então que a matéria está distribuída de forma extraordinariamente homogénea.
Repara que para tirares tais conclusões sobre o Universo assumes implicitamente que as conclusões são válidas independentemente da posição que ocupas enquanto observador, logo que a nossa posição no Universo é equivalente a qualquer outra posição.
Imagem cedida por C. Sofia Carvalho
Para além de galáxias, verias também estrelas que estariam comparativamente mais próximas. Se prestasses atenção a um determinado tipo de estrelas cuja fase final da sua vida toma a forma de uma explosão violenta, explosão essa que assumes ser igual para todas as estrelas desse tipo, e medisses a distância a que elas se encontram de nós, então verificarias que quanto mais distantes estão as estrelas, mais depressa se afastam de nós. Concluirias então que o Universo está não só a expandir-se como a fazê-lo de forma acelerada.
Esta é a actual imagem que temos do Universo: frio, rarefeito e em expansão. A isotropia da radiação por um lado e a homogeneidade da distribuição da matéria por outro levam-te a concluir que as diferentes regiões do Universo terão estado no passado em relação causal, i.e. trocado informação entre elas de modo a hoje conterem essencialmente a mesma informação. Se extrapolares para o passado invertendo o sentido da expansão, o comprimento de onda da radiação contrai-se, logo a temperatura aumenta. Pensarás então que o Universo terá começado quente e denso e que terá depois expandido e arrefecido. Se combinares a observação da expansão acelerada com a observação do espectro da radiação cósmica ser o de um corpo negro, concluirás que todos os comprimentos de onda foram esticados pelo mesmo factor, o que fortalece a evidência de expansão a partir de uma origem comum.
Se o telescópio tiver uma resolução suficientemente boa, conseguirás ver flutuações na temperatura da ordem das dezenas do microkelvin. Estas flutuações reflectem os desvios da perfeita isotropia, que designamos por anisotropias. A radiação cósmica propaga-se quase imperturbadamente e por isso transporta essencialmente informação sobre o Universo primordial na forma de anisotropias ditas primordiais. Devido ao seu percurso desde a altura em que foi emitida até à altura em que é detectada, a radiação cósmica transporta também informação sobre a dinâmica e a geometria do Universo em expansão em forma de anisotropies ditas secundárias.
Imagina agora o percurso que a radiação cósmica terá tomado até chegar a nós. Recordo-te que devido à velocidade da luz ser finita, a distâncias gradualmente maiores correspondem tempos gradualmente mais anteriores. Assim, a radiação cósmica terá passado por diferentes fases de evolução da estrutura da matéria no Universo. A radiação terá presenciado a formação da estrutura que observamos na forma de aglomerados de galáxias, passando predominantemente por espaço vazio mas também pela estrutura filamentosa de galáxias. Anteriormente terá presenciado a formação de galáxias, de moléculas, de estrelas, de átomos, até ao plasma primordial, em que partículas de matéria e radiação se encontravam intimamente ligadas. Na sequência do arrefecimento, o plasma primordial desintegrou-se, do que resultaram dois estados separados: matéria e radiação. A altura da separação entre matéria e radiação define uma superfície tri-dimensional designada por superfície da última difusão. É nesta altura que os fotões terão começado a propagar-se livremente, formando a radiação cósmica de micro-ondas.
Informação sobre o que é anterior à superfície da última dispersão não nos é acessível directamente pela radiação cósmica de micro-ondas, de natureza electromagnética. Em teoria, no entanto, será acessível por meio de ondas gravitacionais primordiais. Estas ondas descrevem flutuações na estrutura não da matéria mas antes do espaço-tempo sob a forma de direcções de oscilação, que se reflectem na polarização da radiação cósmica. Com telescópios cada vez mais precisos, a medição de ondas gravitacionais por meio da polarização é actualmente um tema de investigação muito atraente pela possibilidade única que nos oferece de acedermos a tempos anteriores à emissão da radiação cósmica de micro-ondas e deste modo sondarmos a física do Universo primordial.
[1] http://www.cosmos.esa.int/web/planck
[2] http://www.sdss.org
É com profundo pesar que a Faculdade de Ciências comunica o falecimento de José Carvalho Soares, professor aposentado do Departamento de Física, o
