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Visualização da polarização da radiação cósmica de fundo, detetada pelo satélite Planck da ESA por todo o céu.
Na imagem, a escala de cores representa diferenças de temperatura na radiação cósmica de fundo, enquanto a textura indica a direção da luz polarizada. Os padrões vistos na textura são característicos da polarização de "modos-E", o tipo de polarização dominante na radiação cósmica de fundo.
Para fins de ilustração, ambos os conjuntos de dados foram filtrados para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas de aproximadamente 5º no céu. No entanto, as flutuações tanto na temperatura como na polarização estão presentes e foram observadas pelo Planck também a escalas angulares muito mais pequenas.
Crédito: ESA e Colaboração Planck
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Novos mapas do satélite Planck da ESA desvendaram a luz "polarizada" do início do Universo por todo o céu, revelando que as primeiras estrelas formaram-se muito mais tarde do que se pensava anteriormente.
A história do nosso Universo é um conto com 13,8 mil milhões de anos que os cientistas esforçam-se por ler através do estudo dos planetas, asteroides, cometas e outros objetos no nosso Sistema Solar, e recolhendo luz emitida por distantes estrelas, galáxias e por matéria espalhada entre elas.
A principal fonte de informação usada para reconstituir esta história é a Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (em inglês, Cosmic Microwave Background, sigla CMB), a luz fóssil resultante de uma época em que o Universo era quente e denso, apenas 380.000 anos após o Big Bang.
Graças à expansão do Universo, vemos que esta luz hoje cobre todo o céu em comprimentos de onda de micro-ondas.
Entre 2009 e 2013, o Planck examinou o céu para estudar esta radiação antiga em detalhes sem precedentes. As pequenas diferenças na temperatura de fundo traçam regiões de densidades ligeiramente diferentes no início do cosmos, representando as sementes de todas as estruturas futuras, as estrelas e as galáxias de hoje.
Os cientistas da colaboração Planck publicaram os resultados da análise destes dados num grande número de artigos científicos ao longo dos últimos dois anos, confirmando o quadro cosmológico padrão do nosso Universo cada vez com maior precisão.
"Mas há mais: a CMB contém pistas sobre a nossa história cósmica, codificadas na sua 'polarização'," explica Jan Tauber, cientista do projeto Planck da ESA.
"O Planck mediu este sinal pela primeira vez em alta-resolução e por todo o céu, produzindo estes mapas únicos."
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Sumário da história de quase 14 mil milhões de anos do Universo, mostrando em particular os eventos que contribuíram para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
O cronograma da secção superior da ilustração mostra uma impressão de artista da evolução do cosmos em larga escala. Os processos variam entre a inflação, a breve era de expansão acelerada do Universo quando tinha apenas uma pequena fração de um segundo, a libertação da CMB, a forma mais antiga de luz do Universo, impressa no céu quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos; e da "Idade das Trevas" até ao nascimento das primeiras estrelas e galáxias, que reionizaram o Universo quanto tinha apenas algumas centenas de milhões de anos, até ao presente.
Pequenas flutuações quânticas geradas durante o período inflacionário são as sementes das estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje. Depois do fim da inflação, as partículas de matéria escura começaram a aglomerar-se em torno destas sementes cósmicas, construindo lentamente uma teia cósmica de estruturas. Mais tarde, depois da libertação da CMB, a matéria normal começou a cair na direção destas estruturas, eventualmente dando origem às estrelas e galáxias.
As imagens circulares na secção inferior mostram ampliações de alguns processos microscópicos que tiveram lugar durante a história cósmica: desde pequenas flutuações geradas durante a inflação, até à sopa densa de luz e partículas que preencheram o Universo jovem; passando pela última dispersão de luz pelos eletrões, que deram origem à CMB e à sua polarização, até à reionização do Universo, provocada pelas primeiras estrelas e galáxias, que induziram polarização adicional na CMB.
Crédito: ESA
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A luz é polarizada quando vibra numa direção preferida, algo que pode surgir como resultado de fotões - partículas de luz - ricocheteados por outras partículas. Isto é exatamente o que aconteceu quando a radiação cósmica de fundo teve origem no início do Universo.
Inicialmente, os fotões estavam presos numa sopa quente e densa de partículas que, quando o Universo tinha apenas alguns segundos, consistia principalmente de eletrões, protões e neutrinos. Devido à alta densidade, os eletrões e os fotões colidiam uns com os outros com tanta frequência que a luz não podia viajar qualquer distância significativa sem esbarrar com outro eletrão, tornando o início do Universo extremamente "enevoado".
Lentamente mas seguramente, à medida que o cosmos expandia e arrefecia, os fotões e outras partículas afastaram-se e as colisões tornaram-se menos frequentes.
Isto teve duas consequências: os eletrões e os protões puderam finalmente combinar-se para formar átomos neutros sem serem dilacerados novamente por um fotão, e os fotões tiveram espaço suficiente para viajar, já não estando presos na neblina cósmica.
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Visualização da polarização da CMB, detetada pelo satélite Planck da ESA. Nas imagens, a escala de cores representa diferenças de temperatura na radiação cósmica de fundo, enquanto a textura indica a direção da luz polarizada. Os padrões vistos na textura são característicos da polarização de "modos-E", o tipo de polarização dominante na radiação cósmica de fundo.
Em primeiro lugar, a polarização da CMB é vista em todo o céu. Para fins de ilustração, ambos os conjuntos de dados foram filtrados para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas de aproximadamente 5º no céu. No entanto, as flutuações tanto na temperatura como na polarização estão presentes e foram observadas pelo Planck também a escalas angulares mais pequenas.
Para dar uma ideia da estrutura fina das medições obtidas pelo Planck, a animação amplia uma zona mais pequena do céu, com 20º de comprimento. Esta zona é vista inicialmente com os mesmos filtros da imagem de todo o céu, e depois com um filtro diferente que mostra principalmente o sinal detetado em ângulos do céu com mais ou menos 20 minutos de arco.
Crédito: ESA e Colaboração Planck
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Uma vez livre deste nevoeiro, a luz começou a sua viagem cósmica que iria levá-la até aos dias de hoje, onde telescópios como o Planck detetam-na como radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Mas a luz também mantém uma memória do seu último encontro com os eletrões, capturada na sua polarização.
"A polarização da CMB também mostra flutuações minúsculas de um lugar para outro através do céu: tal como as flutuações de temperatura, as flutuações da polarização refletem o estado do cosmos na altura em que a luz e matéria se separaram," explica François Bouchet do Institut d’Astrophysique de Paris, França.
"Isto fornece uma ferramenta poderosa para estimar, de um modo novo e independente, parâmetros como a idade do Universo, a sua taxa de expansão e a composição essencial da matéria normal, da matéria escura e da energia escura."
Os dados de polarização do Planck confirmam os detalhes do quadro cosmológico padrão determinados a partir da sua medição das flutuações de temperatura da CMB, mas acrescentam uma nova e importante resposta a uma questão fundamental: quando é que as primeiras estrelas nasceram?
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Representação da polarização da CMB, detetada pelo satélite Planck da ESA numa pequena zona do céu com 20º de comprimento.
A CMB (Cosmic Background Radiation, ou Radiação Cósmica de Fundo em Micro-Ondas em português) é um retrato da luz mais antiga do nosso Universo, impresso no céu quando este tinha apenas 380.000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões de densidades ligeiramente diferentes, representando as sementes da todas as estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje.
Uma pequena fração da CMB é polarizada - vibra num direção preferida. Isto é resultado do último encontro desta luz com os eletrões, antes de começaram a sua viagem cósmica. Por esta razão, a polarização da CMB retém informação acerca da distribuição da matéria no Universo jovem, e o seu padrão no céu segue aquele de pequenas flutuações observadas na temperatura da CMB.
Na imagem, a escala de cores representa diferenças de temperatura na radiação cósmica de fundo, enquanto a textura indica a direção da luz polarizada. Os padrões vistos na textura são característicos da polarização de "modos-E", o tipo de polarização dominante na radiação cósmica de fundo.
Para fins de ilustração, ambos os conjuntos de dados foram filtrados para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas de aproximadamente 5º no céu. No entanto, as flutuações tanto na temperatura como na polarização estão presentes e foram observadas pelo Planck também a escalas angulares maiores e mais pequenas.
Crédito: ESA e Colaboração Planck
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"Depois da libertação da CMB, o Universo era ainda muito diferente daquele em que vivemos hoje em dia e demorou muito tempo até que as primeiras estrelas fossem capazes de se formar," explica Marco Bersanelli da Università degli Studi di Milano, Itália.
"As observações da polarização da CMB pelo Planck dizem-nos agora que esta 'Idade das Trevas' acabou cerca de 550 milhões de anos após o Big Bang - mais de 100 milhões de anos mais tarde do que se pensava anteriormente.
"Embora estes 100 milhões de anos pareçam insignificantes em comparação com os quase 14 mil milhões de anos do Universo, constituem uma diferença significativa quando se trata da formação das primeiras estrelas."
A "Idade das Trevas" terminou quando as primeiras estrelas começaram a brilhar. E quando a sua luz interagia com o gás no Universo, cada vez mais átomos voltaram para as suas partículas constituintes: eletrões e protões.
Esta fase fundamental na história do cosmos é conhecida como "época da reionização" ou "alvorada cósmica".
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Representação da polarização da CMB, detetada pelo satélite Planck da ESA numa pequena zona do céu com 20º de comprimento.
Na imagem, a escala de cores representa diferenças de temperatura na radiação cósmica de fundo, enquanto a textura indica a direção da luz polarizada. Os padrões encaracolados são característicos da polarização de "modos-E", o tipo de polarização dominante na radiação cósmica de fundo.
Ambos os conjuntos de dados foram filtrados para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas de aproximadamente 20 minutos de arco no céu. Isto mostra a fina estrutura da medição obtida pelo Planck, revelando flutuações tanto na temperatura da CMB como na polarização em escalas angulares muito pequenas.
Crédito: ESA e Colaboração Planck
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Os eletrões recém-libertados foram uma vez mais capazes de colidir com a luz da CMB, ainda que com muito menos frequência agora que o Universo estava significativamente maior. No entanto, tal como o tinham feito da mesma forma 380.000 anos após o Big Bang, estes encontros entre eletrões e fotões deixaram uma marca reveladora na polarização da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
"A partir das nossas medições das galáxias e quasares mais distantes, sabemos que o processo de reionização ficou completo quando o Universo tinha aproximadamente 900 milhões de anos," explica George Efstathiou da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.
"Mas, de momento, é apenas com os dados da CMB que podemos aprender quando este processo começou."
Os novos resultados do Planck são cruciais, porque os estudos prévios da polarização da CMB pareciam apontar para um amanhecer anterior no que toca às primeiras estrelas, colocando o início da época de reionização cerca de 450 milhões de anos após o Big Bang.
E isto constituía um problema. As imagens muito profundas do céu obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA-ESA forneceram um censo das primeiras galáxias conhecidas do Universo, que começaram a formar-se talvez 300-400 milhões de anos após Big Bang.
No entanto, não teriam sido suficientemente poderosas para ter sucesso em acabar com a Idade das Trevas em 450 milhões de anos.
"Nesse caso, teríamos necessitado de fontes adicionais, de fontes mais exóticas de energia para explicar a história da reionização," afirma o professor Efstathiou.
As novas evidências do Planck reduzem significativamente o problema, indicando que a reionização começou mais tarde do que se pensava anteriormente e que as primeiras estrelas e galáxias, por si só, foram suficientes para a dirigir.
Este fim mais tardio da Idade das Trevas também implica que talvez seja mais fácil detetar a primeira geração de galáxias com a próxima geração de observatórios, incluindo o Telescópio Espacial James Webb.
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A interação entre a poeira interestelar na Via Láctea e a estrutura do campo magnético da nossa Galáxia, como detetado pelo satélite Planck da ESA em todo o céu.
O Planck estudou o céu para detetar a forma mais antiga de luz no Universo - a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Também detetou emissão significativa no plano da frente, oriunda de material difuso na nossa Galáxia que, apesar de ser um incómodo para os estudos cosmológicos, é extremamente importante para o estudo do nascimento das estrelas e de outros fenómenos na Via Láctea.
Entre as fontes de primeiro plano nos comprimentos de onda estudados pelo Planck destacam-se a poeira cósmica, um componente menor mas crucial do meio interestelar que permeia a Galáxia. Principalmente gás, é a matéria-prima da formação estelar.
As nuvens interestelares de gás e poeira são também segmentadas pelo campo magnético da Via Láctea, e os grãos de poeira tendem a alinhar o seu eixo maior perpendicularmente à direção do campo. Como resultado, a luz emitida pelos grãos de poeira é parcialmente "polarizada" - vibra numa direção preferida - e, como tal, pode ser detetada pelos instrumentos sensíveis a polarização do Planck.
Os cientistas da colaboração Planck estão a usar a emissão polarizada da poeira interestelar para reconstruir o campo magnético da Galáxia e para estudar o seu papel na construção de estruturas na Via Láctea, levando à formação estelar.
Na imagem, a escala de cores representa a intensidade total da emissão de poeira, revelando a estrutura das nuvens interestelares da Via Láctea. A textura é baseada em medições da direção da luz polarizada emitida pela poeira, que por sua vez indica a orientação do campo magnético.
Crédito: ESA e Colaboração Planck
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Mas as primeiras estrelas definitivamente não são o limite. Com os novos dados do Planck, divulgados ontem, os cientistas também podem estudar a polarização da emissão no plano da frente, oriunda do gás e da poeira da Via Láctea, a fim de analisar a estrutura do campo magnético galáctico.
Os dados também permitiram a recolha de novas e importantes informações sobre o início do cosmos e dos seus componentes, incluindo a intrigante matéria escura e os esquivos neutrinos, descritos em artigos também divulgados ontem.
Os dados do Planck mergulharam na história mais antiga do cosmos, até à inflação - a era breve da expansão acelerada que o Universo sofreu quando tinha apenas uma pequena fração de segundo. Como uma sonda final desta época, os astrónomos estão à procura da assinatura de ondas gravitacionais provocadas pela inflação e depois impressas na polarização da CMB.
Ainda não foi descoberta a deteção direta deste sinal, como anunciado há poucos dias. No entanto, quando os cientistas combinaram os dados mais recentes do Planck, determinaram os melhores limites superiores para a quantidade de ondas gravitacionais primordiais.
"Estes são apenas alguns destaques do escrutínio das observações da polarização da CMB pelo Planck, que está a revelar o céu e o Universo de uma maneira completamente nova," comenta Jan Tauber.
"É um conjunto extremamente rico de dados e a 'colheita' de descobertas está apenas a começar."
Links:
Cobertura da missão Planck pelo Núcleo de Astronomia do CCVAlg:
02/02/2015 - Planck: ondas gravitacionais permanecem elusivas
18/03/2014 - Primeira evidência directa da inflação cósmica
22/03/2013 - Planck revela um Universo quase perfeito
17/01/2012 - Instrumento HFI do Planck completa estudo do Universo primordial
06/07/2010 - Imagem global do céu revela neblina galáctica por cima de fundo cósmico
18/05/2009 - Herschel e Planck lançados com sucesso
13/05/2009 - Satélite Planck pronto para medir o Big Bang
Notícias relacionadas:
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Artigos científicos que descrevem os novos resultados (ESA)
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Universo:
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Big Bang (Wikipedia)
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Radiação cósmica de fundo em micro-ondas:
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Observatório Planck:
ESA (ciência e tecnologia)
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NASA
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