Cosmologia

Introdução

Ao ligarmos um televisor em um canal em que não há transmissão, observamos na tela um ruído sem nenhum padrão. Esse ruído deve-se às ondas de rádio que permeiam nosso planeta, sejam sinais gerados pelo homem ou emissões de objetos astronômicos que chegam a Terra. Parte desse ruído (cerca de 3% da intensidade total) viajou desde os primeiros instantes do Universo para chegar até nossos aparelhos. Ele é conhecido como a "Radiação Cósmica de Fundo em Microondas" (RCFM). Nosso planeta é banhado por essa radiação que o atinge vindo de todas as direções do céu.

Em 1929, o astrônomo Edwin Hubble fez uma interessante descoberta que mudou radicalmente a forma como entendemos o Universo. Seus resultados indicavam que quanto mais distante estava o objeto observado, maior era sua velocidade de afastamento do observador, sugerindo que o Universo estava se expandindo. A interpretação desta expansão diz que o próprio espaço em que essas galáxias se encontram está aumentando. Isso contrastava com a idéia anterior de um Universo estático, proposta por Einstein em seu trabalho sobre uma teoria geral da gravitação. Uma questão que pode ser imediatamente levantada é: se o Universo está em expansão, ele deve ter sido menor no passado; então, que conseqüências físicas podemos deduzir desse processo de expansão?

A RCFM é uma das mais importantes ferramentas utilizadas para tentar responder essa questão. Na verdade, ela pode nos ajudar a conhecer uma série de processos físicos que ainda não podem ser reproduzidos nos laboratórios na Terra e é uma das quantidades astronômicas observáveis mais importantes no estudo da Cosmologia. A sua existência foi prevista por George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman no final da década de 40, quando estudavam a origem dos elementos químicos e o estado da matéria no Universo primordial, levando-os a concluir que essa matéria, que estaria ultracomprimida, deveria ter liberado uma radiação (a RCFM) que teria, hoje, uma temperatura entre 5 e 10 K.

A RCFM foi descoberta acidentalmente em 1964 por Arno Penzias e Robert Wilson, embora evidências observacionais anteriores de que o Universo estava imerso num banho de radiação em microondas já estivessem presentes no trabalho de A. McKellar e G. Herzberg, em 1941. Herzberg descobriu, baseado nas observações de McKellar, que havia uma temperatura que descrevia o grau de excitação observado em moléculas de CN presentes no meio interestelar, como se elas estivessem imersas em um recipiente em equilíbrio a uma temperatura de 2,3 K. Na época, porém, as conseqüências desse resultado não foram exploradas.

Penzias e Wilson trabalhavam no Bell Telephone Laboratories, nos EUA, e estavam preocupados em testar receptores para serem usados em medidas da emissão em microondas da nossa galáxia quando depararam com um ruído persistente em seus dados que não desaparecia de forma alguma. Independentemente da região do céu para a qual apontavam a antena, do dia e da hora, o "excesso" de sinal que eles mediam era sempre o mesmo. Essas observações foram feitas no comprimento de onda de 7,35 cm e indicavam uma temperatura do céu de aproximadamente 3,5 K. Na mesma época, um grupo de astrofísicos liderados por Robert Dicke, da Universidade de Princeton, também nos EUA, estava construindo um experimento para verificar a previsão de Gamow e colaboradores. Quando eles souberam dos resultados de Penzias e Wilson, perceberam que o objetivo do experimento que estavam construindo já havia sido atingido e, tendo já uma idéia clara do que ele significava, concordaram que a publicação dos resultados e a interpretação correspondente fossem feitas simultaneamente: Penzias e Wilson mostrariam as medidas num artigo e Dicke e colaboradores interpretariam a descoberta de Penzias e Wilson como sendo a radiação produzida nos primórdios do Universo. Essa descoberta é considerada como uma das mais importantes da história da ciência e, por isso, Penzias e Wilson ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1978.

A RCFM é perfeitamente descrita por uma curva de corpo negro a uma temperatura de 2,726 ± 0,010 K (vide "Espectro de Corpo Negro"). Pode-se dizer, então, que a temperatura do Universo hoje é de aproximadamente 2,7K (cerca de -270° C). A curva de corpo negro correspondente a esta temperatura tem intensidade máxima na faixa de microondas do espectro eletromagnético. Essa emissão térmica é resquício de uma época em que o Universo ainda era muito jovem. Nessa época, toda matéria formava um plasma, em que prótons, elétrons e fótons se mantinham em constante interação, impedindo a formação de átomos. Toda vez que um próton se juntava a um elétron para formar um átomo de Hidrogênio, um fóton (com temperatura igual ou maior que 3000 K) colidia com o átomo, ionizando-o. Com a expansão do Universo, essa temperatura foi diminuindo, possibilitando então a formação de átomos.

A RCFM é uma das fontes mais ricas de informação sobre o Universo primordial, já que nenhum outro observável cosmológico revela um passado mais remoto do Universo. Nem mesmo as galáxias e os quasares mais distantes conseguem nos revelar como era a fase inicial do Universo. A título de comparação: a luz do Sol viaja oito minutos até chegar a nós; a luz da estrela mais próxima da Terra (depois do Sol) viaja cerca de quatro anos e meio até chegar a nós; a luz da galáxia Andrômeda, que é uma das mais próximas da Terra, leva alguns milhões de anos até chegar aqui. Os fótons da RCFM, por sua vez, levam quase 14 bilhões de anos viajando até serem detectados na Terra.

Carlos Alexandre Wuensche - Criado em 2005-06-02