Como o satélite astronômico de Planck mudou para sempre nossa percepção do universo

O detalhamento do brilho residual do Big Bang tem aumentado constantemente graças às novas imagens de satélite. Os últimos resultados finais do satélite Planck nos dão a imagem mais precisa do universo.

Mais de 50 anos se passaram desde o momento em que a humanidade descobriu um fluxo uniforme de radiação de microondas de baixa energia vinda de todas as partes do céu. Não vem da Terra, nem do Sol, nem mesmo da Galáxia; vem de lugares fora de qualquer estrela ou galáxia que já observamos. E embora seus descobridores a princípio não soubessem o que ele queria dizer, um grupo de físicos localizados não muito longe deles já estava desenvolvendo um experimento para procurar precisamente esse recurso: o brilho residual teórico do Big Bang.

No início, foi chamada bola de fogo primordial e, em seguida, chamamos de radiação de relicamento (IR) [ ou fundo cósmico de microondas, fundo cósmico de microondas (CMB) / aprox. perev. ] e suas propriedades já foram medidas nos mínimos detalhes. O observatório mais avançado de suas propriedades já medido é o satélite astronômico Planck, da Agência Espacial Européia , lançado em 2009. O satélite coletou um conjunto completo de dados por vários anos e os cientistas acabaram de concluir e publicaram sua análise final. E aqui está como ele mudou para sempre nossa visão do universo.


A luminescência residual do Big Bang, RI, não é homogênea e possui muitas pequenas imperfeições e flutuações de temperatura na faixa de várias centenas de microelvininas. E, embora isso tenha um papel importante no período após o crescimento gravitacional, é importante lembrar que no Universo primitivo, bem como no Universo de grande escala de nossos dias, as heterogeneidades atingem valores de apenas 0,01%. Planck descobriu e mediu essas flutuações com precisão não disponível anteriormente.

Esta fotografia da infância do universo, que mostra a luz emitida quando ela tinha apenas 380.000 anos, é a melhor de todas. No início dos anos 90, o satélite COBE nos deu a primeira abordagem, um mapa do RI para todo o céu com uma resolução de cerca de 7 graus. Cerca de 10 anos atrás, o WMAP conseguiu aumentar a resolução para meio grau.

E o Planck? A prancha é tão sensível que suas limitações são causadas não por instrumentos capazes de trabalhar com uma resolução de até 0,07 °, mas pela astrofísica fundamental do próprio universo! Em outras palavras, nesta fase do desenvolvimento do Universo, é impossível obter uma imagem melhor do que Planck conseguiu. Aumentar a resolução não fornecerá mais informações sobre espaço.


O COBE, o primeiro satélite do RI, mediu flutuações com uma resolução de 7º. O WMAP conseguiu melhorar a resolução para 0,3 ° em cinco faixas de frequência diferentes, e Planck fez medições com uma precisão de até 5 minutos do ângulo (0,07 °) em nove faixas de frequência diferentes.

Além disso, Planck foi capaz de medir essa radiação e suas flutuações em um número maior de faixas de frequência (no total, em nove) do que qualquer outro dos satélites anteriores. O COBE tinha quatro faixas (e apenas três úteis) e o WMAP, cinco. O COBE pode medir flutuações de temperatura tão altas quanto 70 μK; Planck foi capaz de melhorar a precisão para 5 μK.

A alta resolução, a capacidade de medir a polarização dessa luz e as várias faixas de frequência nos ajudaram a entender, medir e subtrair os efeitos produzidos pela poeira em nossa galáxia melhor do que nunca. Para entender o brilho residual do Big Bang, é necessário estudar com igual precisão os efeitos que podem poluir o sinal desejado. Este passo tinha que ser feito antes de recuperar qualquer informação cosmológica.


O mapa completo de poeira da Via Láctea, obtido por Planck, mostra um mapa bidimensional de baixa resolução da distribuição de poeira na galáxia. Esse "ruído" deve ser subtraído para recriar nosso sinal cósmico pré-histórico de fundo.

Tendo recebido o sinal completo do Universo primitivo, ele pode ser analisado e todas as informações possíveis extraídas. Isso significa extrair das flutuações de temperatura que ocorrem em escalas grandes, médias e pequenas, informações como:

• quanta matéria normal, matéria escura e energia escura existem no universo,
• qual foi a distribuição inicial e o espectro das flutuações de densidade,
• qual é a forma e curvatura do universo.

Os valores da temperatura em pontos quentes e frios, bem como sua escala, indicam a curvatura do universo. O melhor de nossas dimensões nos dá um universo plano. As oscilações acústicas bariônicas e os IRs juntos fornecem os melhores métodos para limitar o erro dessa medida a 0,1%.

O que está acontecendo em diferentes escalas não depende um do outro, mas depende muito da composição do Universo. Também podemos estudar as propriedades de polarização dessa radiação e obter ainda mais informações, por exemplo:

• quando ocorreu a reionização do Universo (e, consequentemente, a formação de estrelas atingiu um certo limiar),
• houve flutuações que excederam a escala do horizonte,
• podemos ver o resultado da ação das ondas gravitacionais,
• a quantidade e temperatura de neutrinos de cada vez

e muito mais Embora a temperatura do RI obtida por nós ainda permaneça no nível de 2.725 K, muito mais nos é conhecido há várias décadas. Diante de tudo isso, foi assim que Planck mudou para sempre nossa compreensão do universo.


Os dados do satélite Planck, juntamente com conjuntos de dados adicionais, nos deram restrições muito estritas sobre os possíveis valores dos parâmetros cosmológicos. Em particular, a taxa de expansão do Hubble variou de 67 a 68 km / s / Mpc.

Havia mais matéria no universo e sua taxa de expansão era menor do que pensávamos. Antes de Planck, acreditávamos que no Universo havia 26% da matéria e 74% da energia escura, e a velocidade de expansão era de cerca de 70 km / s / Mpc.

E agora?

No universo, 31,5% da matéria era (dos quais 4,9% são normais e o restante é escuro), 68,5% é energia escura e a velocidade de expansão é de 67,4 km / s / Mpc. Além disso, a velocidade apresenta um erro tão pequeno (~ 1%) que entra em conflito com as medições feitas com base na escada espacial de distâncias , a partir da qual a velocidade é de 73 km / s / Mpc. Esta é talvez a maior contradição de todas relacionada ao conceito moderno do universo.


O ajuste do número de espécies de neutrinos necessário para coincidir com os dados sobre as flutuações do IR. Esses dados correspondem a um fundo de neutrinos com uma temperatura energeticamente equivalente a 1,95 K, muito menor que a dos fótons de raios-X. Resultados recentes de Planck também definitivamente apontam para apenas três tipos de neutrinos leves.

Aprendemos com Planck que existem apenas três tipos de neutrinos e que a massa de cada espécie não pode exceder 0,4 eV / s ² : é 10 milhões de vezes menor que um elétron. Sabemos que a temperatura cósmica desses neutrinos corresponde a 72% da temperatura / energia cinética dos fótons do IR; se não tivessem massa, hoje a temperatura seria de 2 K.

Também sabemos que o Universo é muito, muito plano em termos de curvatura espacial geral. Ao combinar dados de Planck com dados sobre a formação de estruturas de grande escala, podemos estabelecer que a curvatura do Universo não excede 1/1000, ou seja, o Universo é indistinguível de perfeitamente plano.


As flutuações do RI são baseadas nas flutuações primárias produzidas pela inflação. Em particular, a parte plana do gráfico em larga escala (esquerda) não pode ser explicada sem a inflação. Uma linha reta indica as sementes das quais o padrão de quedas e picos aparecerá durante os primeiros 380.000 anos do Universo, assumindo que n _s = 1. O espectro real de dados de Planck fornece um desvio pequeno, mas importante: n _s = 0,965

Hoje, também temos as melhores evidências de que as flutuações de densidade combinam perfeitamente com as previsões da teoria da inflação cósmica. Os modelos mais simples de inflação prevêem que as flutuações com as quais o Universo nasceu são as mesmas em todas as escalas e, em larga escala, são levemente mais fortes do que nas pequenas.

Para Planck, isso significa que uma das quantidades que ele pode derivar, n _s , deve ser quase 1, mas um pouco menor que isso. As medidas de Planck tornaram-se as mais precisas de todas, e confirmaram perfeitamente a inflação: n _s = 0,965, com um erro inferior a 0,05%.


Os dados de Planck sozinhos não dão restrições muito rígidas à equação do estado da energia escura. Mas se você combiná-los com um conjunto completo de dados sobre estruturas de grande escala e supernovas, podemos definitivamente demonstrar que a energia escura se encaixa extremamente bem na estrutura de uma constante cosmológica pura (a interseção de duas linhas tracejadas).

Há também a questão de saber se a energia escura é uma constante verdadeiramente cosmológica e é muito sensível ao IR e aos dados dos cantos mais distantes do Universo - por exemplo, supernovas do tipo Ia. Se a energia escura é uma constante cosmológica ideal, então sua equação de estado, especificada pelo parâmetro w, deve ser exatamente igual a -1.

Valor medido?

Descobrimos que w = -1,03, com um erro de 0,03. Evidências a favor de outras opções não são observadas, ou seja, a grande compactação e a grande lacuna não suportam esses dados.


Nossas melhores medições das proporções entre a quantidade de matéria escura, matéria normal e energia escura no Universo hoje e como elas mudaram em 2013: antes de Planck e após o lançamento dos primeiros dados de Planck. O resultado final obtido da Planck não é mais do que 0,2% diferente do primeiro.
Esquerda - antes, direita - depois. Como resultado, temos 68,3% de energia escura, 26,8% de matéria escura e 4,9% de matéria comum

Outros valores mudaram um pouco. O universo é um pouco mais velho (13,8 em vez de 13,7 bilhões de anos) do que pensávamos anteriormente; a distância até a borda do universo observado é ligeiramente menor (46,1 em vez de 46,5 bilhões de anos-luz) do que o WMAP mostrou; as restrições à magnitude da onda gravitacional criada pela inflação melhoraram ligeiramente. O parâmetro da razão tensor-escalar, r, para Planck foi delimitado de cima por um valor de 0,3. Agora, com dados de Planck em estruturas de larga escala e outros experimentos (por exemplo, BICEP2 e maciço de Keck), podemos dizer com segurança que r <0,07. Isso exclui vários padrões de inflação considerados anteriormente possíveis.


A vertical é a razão do tensor para o escalar ®, a horizontal é o índice espectral escalar ( _ns ), determinado por Planck e dados sobre supernovas e estruturas de grande escala. Observe que se n _{s estiver} bem delimitado, isso não poderá ser dito sobre r. É provável que r seja extremamente pequeno (até 0,001 ou até menos). As limitações de Planck, embora sejam as melhores disponíveis, ainda não são boas o suficiente.

E agora, com todos esses dados, que idéias sobre o Universo e seus componentes podemos dizer "sim" e quais "não"?

• Sim - inflação, não - a ondas gravitacionais depois dela.
• Sim - com três neutrinos super leves do modelo padrão, não - com extensões.
• Sim - uma expansão um pouco mais lenta, um Universo mais antigo, não - qualquer evidência de curvatura espacial.
• Sim - um pouco mais de matéria escura e matéria normal, sim - um pouco menos de energia escura.
• Não - a energia escura em mudança, a Grande Fenda e a Grande Compressão.

Os resultados finais da colaboração Planck demonstram uma correspondência extremamente exata entre as previsões da cosmologia e a abundância de energia escura e matéria escura (linha azul) com dados (pontos vermelhos e erros de preto). Todos os 7 picos acústicos correspondem perfeitamente aos dados.

Mais importante ainda, há uma tremenda consistência com precisão sem precedentes entre o IR observado e as previsões teóricas do comportamento do Universo com 5% de matéria normal, 27% de matéria escura e 68% de energia escura. Alguns desses valores podem flutuar entre 1-2%, mas o Universo não pode existir sem grandes quantidades de matéria escura e energia escura. Eles são reais, são necessários e suas previsões correspondem perfeitamente a todo o conjunto de dados.

A inflação, a física dos neutrinos e o Big Bang receberam confirmação adicional, e alternativas e opções especiais tornaram-se mais limitadas. Definitivamente, como escreve a colaboração Planck, "Não encontramos evidências convincentes da necessidade de expandir o modelo lambda-CDM básico". Finalmente, podemos afirmar com extrema confiança do que o Universo é feito.