Sombras no pós-brilho do Big Bang revelam estruturas cósmicas invisíveis

Quase 400,000 anos após o Big Bang, o plasma primordial do universo infantil esfriou o suficiente para que os primeiros átomos se aglutinassem, abrindo espaço para a radiação incorporada voar livremente. Essa luz – a radiação cósmica de fundo (CMB) – continua a fluir pelo céu em todas as direções, transmitindo um instantâneo do início do universo que é captado por telescópios dedicados e até mesmo revelado na estática em velhas televisões de raios catódicos.

Depois que os cientistas descobriram a radiação CMB em 1965, eles mapearam meticulosamente suas pequenas variações de temperatura, que exibiam o estado exato do cosmos quando era um mero plasma espumante. Agora eles estão redirecionando os dados da CMB para catalogar as estruturas em larga escala que se desenvolveram ao longo de bilhões de anos à medida que o universo amadurecia.

“Essa luz experimentou grande parte da história do universo e, vendo como ela mudou, podemos aprender sobre diferentes épocas”, disse Kimmy Wu, cosmólogo do SLAC National Accelerator Laboratory.

Ao longo de sua jornada de quase 14 bilhões de anos, a luz do CMB foi esticada, espremida e distorcida por toda a matéria em seu caminho. Os cosmólogos estão começando a olhar além das flutuações primárias na luz CMB para as impressões secundárias deixadas por interações com galáxias e outras estruturas cósmicas. A partir desses sinais, eles obtêm uma visão mais nítida da distribuição da matéria comum – tudo o que é composto de partes atômicas – e da misteriosa matéria escura. Por sua vez, essas percepções estão ajudando a resolver alguns mistérios cosmológicos de longa data e a apresentar alguns novos.

“Estamos percebendo que o CMB não nos informa apenas sobre as condições iniciais do universo. Também nos fala sobre as próprias galáxias”, disse Emmanuel Schaan, também cosmólogo da SLAC. “E isso acaba sendo realmente poderoso.”

Um universo de sombras

Pesquisas ópticas padrão, que rastreiam a luz emitida pelas estrelas, ignoram a maior parte da massa subjacente das galáxias. Isso ocorre porque a grande maioria do conteúdo total de matéria do universo é invisível para os telescópios – escondida como aglomerados de matéria escura ou como o gás ionizado difuso que liga as galáxias. Mas tanto a matéria escura quanto o gás espalhado deixam impressões detectáveis ​​na ampliação e na cor da luz CMB recebida.

“O universo é realmente um teatro de sombras no qual as galáxias são as protagonistas e o CMB é a luz de fundo”, disse Schaan.

Muitos dos jogadores das sombras agora estão entrando em relevo.

Quando as partículas de luz, ou fótons, do CMB espalham elétrons no gás entre as galáxias, elas são lançadas para energias mais altas. Além disso, se essas galáxias estiverem em movimento em relação ao universo em expansão, os fótons CMB recebem uma segunda mudança de energia, para cima ou para baixo, dependendo do movimento relativo do aglomerado.

Este par de efeitos, conhecidos respectivamente como efeitos térmicos e cinemáticos Sunyaev-Zel'dovich (SZ), foram primeiro teorizado no final dos anos 1960 e foram detectados com precisão crescente na última década. Juntos, os efeitos SZ deixam uma assinatura característica que pode ser extraída das imagens CMB, permitindo aos cientistas mapear a localização e a temperatura de toda a matéria comum do universo.

Finalmente, um terceiro efeito conhecido como lente gravitacional fraca distorce o caminho da luz CMB conforme ela viaja perto de objetos massivos, distorcendo o CMB como se fosse visto através da base de uma taça de vinho. Ao contrário dos efeitos SZ, a lente é sensível a toda a matéria - escura ou não.

Juntos, esses efeitos permitem aos cosmólogos separar a matéria comum da matéria escura. Então, os cientistas podem sobrepor esses mapas com imagens de pesquisas de galáxias para medir distâncias cósmicas e até mesmo rastreamento de formação estelar.

In companheiro papéis em 2021, equipe comandada por Schaan e Stefania Amodeo, que agora está no Observatório Astronômico de Estrasburgo, na França, colocou essa abordagem em prática. Eles examinaram os dados do CMB obtidos pela Agência Espacial Européia satélite Planck e o baseado em terra Telescópio Cosmológico Atacama, em seguida, empilhou no topo desses mapas uma pesquisa óptica adicional de quase 500,000 galáxias. A técnica permitiu que eles medissem o alinhamento da matéria comum e da matéria escura.

A análise mostrou que o gás da região não abraçou sua rede de matéria escura de suporte com tanta força quanto muitos modelos previram. Em vez disso, sugere que explosões de supernovas e buracos negros supermassivos em acreção forçaram o gás a se afastar de seus nódulos de matéria escura, espalhando-o de forma que era muito fino e frio para ser detectado por telescópios convencionais.

Identificar esse gás difuso nas sombras da CMB ajudou os cientistas a abordar ainda mais o chamado problema dos bárions ausentes. Também forneceu estimativas para a força e temperatura das explosões de dispersão – dados que os cientistas estão usando agora para refinar seus modelos de evolução galáctica e a estrutura em larga escala do universo.

Nos últimos anos, os cosmólogos ficaram intrigados com o fato de que a distribuição observada da matéria no universo moderno é mais suave do que a teoria prevê. Se as explosões que reciclam o gás intergaláctico são mais energéticas do que os cientistas supunham, como o recente trabalho de Schaan, Amodeo e outras parece sugerir, essas explosões podem ser parcialmente responsáveis ​​por espalhar a matéria de maneira mais uniforme pelo universo, disse colina Colina, cosmólogo da Universidade de Columbia que também trabalha com assinaturas CMB. Nos próximos meses, Hill e seus colegas do Atacama Cosmology Telescope planejam revelar um mapa atualizado das sombras CMB com um salto notável tanto na cobertura do céu quanto na sensibilidade.

“Nós apenas começamos a arranhar a superfície do que você pode fazer com este mapa”, disse Hill. “É uma melhoria sensacional em relação a qualquer coisa que veio antes. É difícil acreditar que seja real.”

Sombras do Desconhecido

O CMB foi uma peça-chave de evidência que ajudou a estabelecer o modelo padrão da cosmologia – a estrutura central que os pesquisadores usam para entender a origem, composição e forma do universo. Mas os estudos de luz de fundo do CMB agora ameaçam abrir buracos nessa história.

“Esse paradigma realmente sobreviveu ao teste de medições de precisão – até recentemente”, disse Eiichiro Komatsu, cosmólogo do Max Planck Institute for Astrophysics que trabalhou para estabelecer a teoria como membro da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, que mapeou a CMB entre 2001 e 2010. “Podemos estar na encruzilhada … de um novo modelo do universo .”

Nos últimos dois anos, Komatsu e seus colegas investigaram indícios de um novo personagem no palco do teatro de sombras. O sinal aparece na polarização, ou orientação, das ondas de luz CMB, que o modelo padrão da cosmologia diz que deve permanecer constante na jornada das ondas pelo universo. Mas como teorizado três décadas atrás por Sean Carroll e colegas, essa polarização poderia ser girada por um campo de matéria escura, energia escura ou alguma partícula totalmente nova. Tal campo faria com que fótons de diferentes polarizações viajassem em velocidades diferentes e girassem a polarização líquida da luz, uma propriedade conhecida como “birrefringência” que é compartilhada por certos cristais, como os que permitem as telas de LCD. Em 2020, a equipe da Komatsu descoberta relatada uma pequena rotação na polarização do CMB - cerca de 0.35 graus. Um estudo de acompanhamento publicado no ano passado reforçou o resultado anterior.

Se o estudo de polarização ou outro resultado relacionado à distribuição das galáxias for confirmado, isso implicaria que o universo não parece o mesmo em todas as direções para todos os observadores. Para Hill e muitos outros, ambos os resultados são tentadores, mas ainda não definitivos. Estudos de acompanhamento estão em andamento para investigar essas dicas e descartar possíveis efeitos de confusão. Alguns até propuseram um dedicado espaçonave “backlight astronomy” que inspecionaria ainda mais as várias sombras.

“Cinco a 10 anos atrás, as pessoas pensavam que a cosmologia havia acabado”, disse Komatsu. “Isso está mudando agora. Estamos entrando em uma nova era.”