👶🏿 🧑🏿‍🤝‍🧑🏾 🙇 Pergunte a Ethan nº 54: Qual é o primeiro dos sinais do universo que gravamos? 🚫 ☢️ 😎

Existe uma maneira de olhar além da barreira que existe antes daquele momento na vida do Universo, quando ele se tornou transparente?

Desde o início, as pessoas - pesquisadores e pensadores - queriam descobrir a forma do seu mundo. E sempre fizemos isso contando histórias. É difícil deixar a verdade atrapalhar uma boa história.
- Adam Savage

Após um breve intervalo, tenho o prazer de anunciar o retorno de nossa coluna. Todas as semanas, convidamos você a enviar suas perguntas e sugestões para receber uma resposta detalhada, utilizando todas as possibilidades de conhecimento científico. Devido à longa ausência, decidi dar três respostas de uma só vez, graças a Gerard, que pergunta:

Duas questões astronômicas:
1) em princípio, a carga da matéria não deve afetar as ondas gravitacionais. É possível que eles nos ajudem a olhar além do tempo da CMB? Ou seja, para superar a barreira da radiação relict?
2) Os fótons são espalhados por partículas carregadas mais do que por átomos de hidrogênio neutros. Os fótons de certas frequências serão mais dispersos que outros por partículas carregadas?

E uma pergunta pessoal: como você se interessou por astronomia? Por causa de um professor na faculdade? Por causa de um parente? Por causa de ir ao planetário?

Vamos começar com as duas primeiras perguntas e o presente.

Quando olhamos para o universo, seria natural pensar que o que vemos é limitado apenas pela quantidade de luz que podemos coletar. Se precisarmos encontrar um objeto distante ou escuro, precisamos coletar luz de uma área maior (com um telescópio com uma abertura maior) ou por um longo período de tempo (com uma exposição mais longa), e nós a veremos. Usamos essa técnica com bastante frequência - foi assim que obtivemos fotos como o Hubble Deep Field, o Hubble Ultra Deep Field e, mais recentemente, o Hubble eXtreme Deep Field (abaixo).

Mas vemos essas galáxias, embora muito distantes, porque a luz alcançou a linha de visão através do espaço quase vazio para nós, sem obstáculos. Embora a matéria neutra - gás e poeira - absorva e novamente emita luz de certos comprimentos de onda, o Universo nem sempre estava em um estado em que a matéria existia em estados estáveis e neutros.

Quando o Universo era mais quente, mais jovem e mais denso, os átomos neutros não eram estáveis devido às altas temperaturas e às altas energias cinéticas do ambiente. O espaço já tem 13,8 bilhões de anos e é frio e vazio. Mas, com centenas de milhares de anos, ele era tão quente e denso que átomos neutros não podiam surgir! O universo era plasma ionizado de elétrons, núcleos, fótons e outras partículas.

Isso é ruim, já que os fótons têm pouco a dizer sobre esse período. Quando o universo é ionizado, os fótons são muito bem dispersos por elétrons livres. A segunda pergunta de Gerard foi: os fótons de certas frequências estão espalhados com mais eficiência do que outros. Para energias típicas de um universo com milhares de anos, os fótons de alta frequência mudam para fótons mais baixos quando colidem com elétrons (espalhamento de Compton), os fótons de baixa frequência mudam para fótons mais altos quando colidem com elétrons de alta energia (retroespalhamento Compton), mas qual é a probabilidade geral de colisão ?

Este é o perfil da Thomson:

Como não depende da energia, frequência e comprimento de onda dos fótons, a resposta para a segunda pergunta: não, fótons de todas as frequências se espalharam com muita frequência para salvar e transmitir informações sobre os tempos que precedem a radiação das relíquias.

Mas as ondas gravitacionais não têm esses problemas.

Ondas gravitacionais (ou gravitons, se você gosta da descrição em termos de partículas) são ondas no tecido do próprio cosmos. Eles se movem na velocidade da luz no vácuo, mas apenas distorcem o espaço. Eles são emitidos, mas, tanto quanto sabemos, não são absorvidos por mudanças na configuração das massas.

E, embora geralmente falemos sobre fontes astrofísicas comuns que emitem essas ondas - estrelas de nêutrons, buracos negros, anãs brancas, sistemas orbitais e supernovas - os momentos que levaram ao Big Bang também deveriam tê-los criado!

Durante a era da inflação cósmica que precedeu e levou ao Big Bang , houve dois tipos de flutuações quânticas que ocorreram e se espalharam por todo o universo. Um tipo são as flutuações em todos os campos quânticos vetoriais, de rotação e escalares existentes. Eles levaram a flutuações de densidade e, mais tarde, ao aparecimento de regiões, que depois se transformaram em estrelas, galáxias e aglomerados, ou enormes espaços vazios. E outro tipo foram as flutuações nos campos quânticos tensores do Universo, que levaram à radiação gravitacional. Esta radiação pode, em princípio, ser detectada por versões aprimoradas de interferômetros a laser terrestres ou espaciais. Embora eles devam ser bastante aprimorados em comparação com nossos projetos atuais.

A inflação fornece classes muito específicas de previsões sobre o que deve ser o espectro das ondas gravitacionais que criou, e diferentes modelos fazem previsões que diferem nesses detalhes.

Se o modelo de inflação estiver errado, o espectro de ondas gravitacionais nascidas no início do Universo deve ser completamente diferente.

De qualquer forma, o seguinte será verdadeiro:

No início do Universo - com um estado muito quente, denso e em expansão, com energias mais altas do que o que podemos alcançar em laboratórios terrestres ou astrofísicos - as ondas gravitacionais deveriam ter aparecido
Essas ondas não teriam mudado, com exceção do desvio para o vermelho, passando pela matéria, radiação e espaço, desde o momento de sua origem até os dias atuais.
As ondas devem ter um certo conjunto de amplitudes, dependendo das frequências. Quer a inflação fosse ou não, as medições da radiação gravitacional de fundo deveriam nos fornecer informações adicionais sobre o nascimento do Universo.

Se a teoria da inflação estiver correta, as únicas variáveis reais, além de um ligeiro desvio do espectro, serão as amplitudes das flutuações dos tensores do Universo primitivo.

Isso se manifestará na radiação de fundo de microondas e, especificamente, em certos modos de polarização dos fótons. Medindo com precisão esses modos - e o BICEP2 e Planck estão tentando fazer isso - podemos aprender mais sobre a inflação do espaço.

Portanto, Gerard, as ondas gravitacionais realmente abrem uma janela para nós nos estágios iniciais do desenvolvimento do Universo. Só porque as tecnologias modernas não nos permitem tocá-las, não significa que não devemos lutar por isso e não devemos investir no desenvolvimento de tecnologias que nos permitam investigar diretamente os estágios iniciais da vida do Universo. Em princípio, devemos conseguir isso em uma geração, se os recursos apropriados forem investidos nela.

Em relação a outra questão: o que despertou meu interesse em astronomia. Duas coisas aconteceram comigo quando eu era jovem, e provavelmente irão surpreendê-lo. Minha história é diferente da maioria das histórias de astrônomos e astrofísicos.

Eu sempre amei ir acampar. Para uma criança que cresceu em Nova York e arredores, a oportunidade de tocar florestas, montanhas, fogueiras e o céu escuro era rara para mim, mas ao mesmo tempo o melhor de todos os prazeres que me lembro da infância. Em particular, lembrei-me de uma experiência que tive aos 11 anos: só deito em um campo de costas com outro cara da minha idade e seu irmão mais velho.

Então eu ainda podia ver sem óculos, e provavelmente poderíamos ver vários milhares de estrelas. E olhamos para cima, conversamos sobre tudo e sobre nada e não restringimos nossa imaginação. Era muito bonito e me pareceu que por trás de cada fragmento que eu via havia algum tipo de história, e eu realmente queria fazer parte dessas histórias. É estranho que nada mais - seja visitando o planetário, trabalhando com professores, lendo livros, visualizando imagens, usando o telescópio - tenha me causado tais sentimentos. Foi a experiência em que estava deitado de costas e olhando para o céu escuro e estrelado que me deu uma sensação inesquecível.

Alguns anos depois, quando eu tinha 13 a 14 anos, em um acampamento de verão, navegava em um barco à noite e tinha um sentimento semelhante. Mas naquela época eu já conhecia melhor a matemática.

E ficou interessante para mim: afinal, se você viajar de barco em uma direção por tempo suficiente, retornará ao mesmo lugar. E o que acontece se você voar o tempo suficiente em uma direção no espaço? Você retornará ao mesmo ponto?

Quando olhei para o céu e pensei sobre a estrutura matemática e física do Universo, sobre dimensões mais altas e como o Universo se parece em larga escala, senti o mesmo sentimento de surpresa, curiosidade e envolvimento. Por falta de uma descrição melhor, senti que precisava saber sobre essas coisas. Não que eu vi algo específico, aprendi algo específico ou conheci uma pessoa específica - esse foi o próprio pensamento que acendeu o fogo em mim.

A vida me levou em direções diferentes, mas sempre voltei a perguntas e sentimentos semelhantes e - sei que isso parece bobagem - sinto que dentro de mim há um poço infinito de paixão por esse campo de conhecimento que nunca pode ser devastado. E descobri isso precisamente com a ajuda dos dois eventos que descrevi.

Pergunte a Ethan nº 54: Qual é o primeiro dos sinais do universo que gravamos?

Existe uma maneira de olhar além da barreira que existe antes daquele momento na vida do Universo, quando ele se tornou transparente?

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