De um Universo quase perfeito ao melhor dos dois mundos

Era 21 de Março de 2013. A imprensa científica mundial reuniu-se na sede da ESA, em Paris, ou conectou-se online, juntamente com uma multidão de cientistas em todo o mundo, para testemunhar o momento em que a missão Planck da ESA revelou a sua “imagem” do cosmos. Esta imagem foi obtida não com luz visível, mas com micro-ondas.

Enquanto a luz que os nossos olhos podem ver é composta de pequenos comprimentos de onda – menos de um milésimo de milímetro de comprimento – a radiação que Planck estava a detetar abrangeu comprimentos de onda mais longos, de alguns décimos de milímetro a alguns milímetros. Mais importante ainda, foi gerada no início do Universo.


Colectivamente, esta radiação é conhecida como fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB. Medindo as suas pequenas diferenças no céu, a imagem de Planck tinha a capacidade de nos contar sobre a idade, a expansão, a história e o conteúdo do Universo. Não era nada menos que o projecto cósmico.

Os astrónomos sabiam o que esperavam ver. Duas missões da NASA, o COBE no início dos anos 90 e a WMAP na década seguinte, já tinham realizado um conjunto de pesquisas aéreas do céu análogas que resultaram em imagens semelhantes. Mas essas imagens não tinham a precisão e a nitidez do Planck.

A nova visão mostraria, pela primeira vez, a marca do Universo primitivo em detalhes meticulosos. E tudo estava montado nele.

Se o nosso modelo do Universo estivesse correcto, então Planck confirmá-lo-ia com níveis de precisão sem precedentes. Se o nosso modelo estivesse errado, Planck enviaria cientistas de volta à mesa de desenho.

Quando a imagem foi revelada, os dados confirmaram o modelo. O ajuste às nossas expectativas era bom demais para tirar qualquer outra conclusão: Planck mostrava-nos um “universo quase perfeito”. Porquê quase perfeito? Porque algumas anomalias permaneceram, e estas seriam o foco de pesquisas futuras.

Agora, cinco anos depois, o consórcio Planck fez a sua divulgação de dados final, conhecida como o lançamento do legado de dados. A mensagem continua a mesma e é ainda mais forte.

“Este é o legado mais importante do Planck”, diz Jan Tauber, Cientista do Projecto Planck da ESA. “Até agora, o modelo-padrão da cosmologia sobreviveu a todos os testes e o Planck fez as medições que mostram isso.”

Todos os modelos cosmológicos são baseados na Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein. Para reconciliar as equações relativísticas gerais com uma ampla gama de observações, incluindo o fundo cósmico de micro-ondas, o modelo-padrão de cosmologia inclui a acção de dois componentes desconhecidos.

Em primeiro lugar, um componente atractivo da matéria, conhecido como matéria escura e fria, que, ao contrário da matéria comum, não interage com a luz. Em segundo lugar, uma forma repulsiva de energia, conhecida como energia escura, que está a impulsionar a atual expansão acelerada do Universo. Descobriu-se que estes são componentes essenciais para explicar o nosso cosmos, além da matéria comum que conhecemos. Mas ainda não sabemos o que estes componentes exóticos realmente são.

O Planck foi lançado em 2009 e colectou dados até 2013. O seu primeiro lançamento – que deu origem ao Universo quase perfeito – foi feito na primavera daquele ano. Baseou-se unicamente na temperatura da radiação cósmica de fundo de micro-ondas e utilizou apenas as duas primeiras pesquisas do céu da missão.

Os dados também forneceram mais evidências para uma fase muito inicial da expansão acelerada, chamada inflação, na primeira fracção minúscula de um segundo na história do Universo, durante a qual as sementes de todas as estruturas cósmicas foram semeadas. Fornecendo uma medida quantitativa da distribuição relativa dessas flutuações primordiais, Planck forneceu a melhor confirmação já obtida do cenário inflaccionário.

Além de mapear a temperatura do fundo cósmico de micro-ondas através do céu, com uma precisão sem precedentes, Planck também mediu a sua polarização, a qual indica se a luz está a vibrar numa direcção preferida. A polarização do fundo cósmico de micro-ondas contém uma impressão da última interacção entre as partículas de radiação e matéria no Universo primordial e, como tal, contém informações adicionais importantes sobre a história do cosmos. Mas também pode conter informações sobre os primeiros instantes do nosso Universo e dar-nos pistas para entender o seu nascimento.

Em 2015, uma segunda divulgação de dados reuniu todos os dados colectados pela missão, que totalizaram oito pesquisas do firmamento. Deu a temperatura e a polarização, mas veio com um alerta.

“Sentimos que a qualidade de alguns dos dados de polarização não era boa o suficiente para ser usada para cosmologia,” diz Jan. Acrescentando que – é claro – isso não os impediu de fazer cosmologia com eles, mas que algumas conclusões obtidas na altura necessitam confirmação adicional e, portanto, deverão ser tratados com cautela.

E esta é a grande mudança para este lançamento de dados do Legacy 2018. O consórcio Planck concluiu um novo processamento dos dados. A maioria dos primeiros sinais que pediram cautela desapareceram. Os cientistas estão agora certos de que tanto a temperatura quanto a polarização estão determinadas com precisão.

“Agora estamos realmente confiantes de que podemos recuperar um modelo cosmológico baseado unicamente na temperatura, apenas na polarização e baseado na temperatura e na polarização. E todos combinam,” diz Reno Mandolesi, investigador principal do instrumento LFI do Planck, da Universidade de Ferrara, Itália.

História do Universo

Desde 2015, foram colectados mais dados astrofísicos através de outras experiências, e novas análises cosmológicas foram também realizadas, combinando observações do CMB, em pequenas escalas, com aquelas de galáxias, aglomerados de galáxias e supernovas que, na maioria das vezes, melhoraram a coerência com os dados de Planck e o modelo cosmológico apoiado pelo Planck,” diz Jean-Loup Puget, investigador principal do instrumento de HFI do Planck, no Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Este é um feito impressionante e significa que os cosmologistas podem ter certeza de que a sua descrição do Universo como um lugar contendo matéria comum, matéria escura fria e energia escura, povoada por estruturas que haviam sido semeadas durante uma fase inicial de expansão inflacionária, está amplamente correta.

Mas há algumas peculiaridades que precisam ser explicadas – ou tensões, como lhes chamam os cosmologistas. Uma, em particular, está relacionada com a expansão do Universo. A taxa dessa expansão é dada pela chamada Constante de Hubble.

Para medir a constante de Hubble, tradicionalmente, os astrónomos confiam nas medições das distâncias através do cosmos. Só podem fazer isso para o Universo relativamente local, medindo o brilho aparente de certos tipos de estrelas variáveis próximas e estrelas em explosão, cujo brilho real pode ser estimado independentemente. É uma técnica bem desenvolvida que foi aperfeiçoada ao longo do século passado, iniciada por Henrietta Leavitt e, mais tarde, aplicada no final da década de 1920, por Edwin Hubble e colaboradores, que usaram estrelas variáveis em galáxias distantes e outras observações para revelar que o Universo se estava a expandir.

Medições da constante de Hubble

A cifra que os astrónomos derivam a partir da constante de Hubble, utilizando uma ampla variedade de observações de ponta, incluindo algumas do observatório homónimo do Hubble, o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, é de 73,5 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas dois por cento. As unidades, ligeiramente esotéricas, dão a velocidade da expansão em km/s para cada milhão de parsecs (Mpc) de separação no espaço, onde um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz.

Uma segunda maneira de estimar a constante de Hubble é através da utilização do modelo cosmológico que se encaixa na imagem de fundo cósmico de micro-ondas, que representa o Universo muito jovem, e calcular uma previsão para o que a constante de Hubble deveria ser hoje. Quando aplicado aos dados do Planck, este método fornece um valor mais baixo de 67,4 km/s/Mpc, com uma pequena incerteza de menos de um por cento.

Por um lado, é extraordinário que duas formas radicalmente diferentes de derivar a constante de Hubble – uma usando o Universo local maduro e outra baseada no distante Universo infantil – estejam tão próximas uma da outra. Por outro lado, em princípio, esses dois números devem concordar dentro das suas respectivas incertezas. Essa é a tensão, e a questão é como podem eles ser reconciliados?

Ambos os lados estão convencidos de que quaisquer erros remanescentes nas suas metodologias de medição são agora muito pequenos para causar a discrepância. Então, pode ser que exista algo ligeiramente peculiar no nosso ambiente cósmico local que torne a medida próxima um tanto anómala? Sabemos, por exemplo, que a nossa galáxia está numa região pouco densa do Universo, o que poderia afetar o valor local da constante de Hubble. Infelizmente, a maioria dos astrónomos acha que tais desvios não são grandes o suficiente para resolver esse problema.

“Não existe uma solução astrofísica única e satisfatória que possa explicar a discrepância. Assim, talvez haja alguma nova física a ser encontrada,” diz Marco Bersanelli, vice-investigador principal do instrumento LFI da Universidade de Milão, na Itália.

‘Nova física’ significa que partículas ou forças exóticas poderiam estar a influenciar os resultados. No entanto, por mais emocionante que essa perspectiva pareça, os resultados do Planck colocam severas restrições a essa linha de pensamento, porque se ajustam tão bem à maioria das observações.

“É muito difícil adicionar novas físicas para aliviar a tensão e ainda manter a descrição precisa do modelo-padrão de tudo o que já se encaixa,” diz François Bouchet, vice-investigador principal do instrumento de HFI do Planck, do Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Como resultado, ninguém foi capaz de chegar a uma explicação satisfatória para as diferenças entre as duas medições, e a questão permanece por resolver.

“No momento, não devemos ficar muito empolgados em encontrar uma nova física: pode ser que a discrepância relativamente pequena possa ser explicada por uma combinação de pequenos erros e efeitos locais. Mas precisamos continuar a melhorar as nossas medições e pensar em maneiras melhores de explicá-las,” diz Jan.

Este é o legado do Planck: com o seu Universo quase perfeito, a missão deu aos investigadores a confirmação dos seus modelos, mas com alguns detalhes para resolver. Por outras palavras: o melhor dos dois mundos.

O Arquivo do Legado de Planck está disponível em http://pla.esac.esa.int/pla/

Mais sobre o Planck: http://sci.esa.int/planck/

Notícia e imagens: ESA

Texto corrigido para Língua Portuguesa pré-AO90

 

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