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PLANCK NÃO ENCONTRA EVIDÊNCIAS NOVAS DE ANOMALIAS CÓSMICAS
11 de junho de 2019

 


As anisotropias do fundo cósmico de micro-ondas, observadas pela missão Planck da ESA.
É um instantâneo da luz mais antiga do nosso cosmos, impresso no céu quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões com densidades ligeiramente diferentes, representando as "sementes" de todas as estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje.
A primeira imagem da sequência mostra as anisotropias na temperatura da CMB à mais alta resolução obtida pelo Planck. Na segunda, as anisotropias de temperatura foram filtradas para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas que rondam os 5º no céu. A terceira imagem da sequência mostra as anisotropias de temperatura filtradas com uma indicação da direção da fração polarizada da CMB.
Uma pequena fração da CMB é polarizada - vibra numa direção preferida. Este é o resultado do último encontro desta luz com eletrões, antes de começar a sua viagem cósmica. Por esta razão, a polarização da CMB retém informação acerca da distribuição da matéria no Universo inicial, e o seu padrão no céu segue o padrão das pequenas flutuações observadas na temperatura da CMB.
Estas imagens são baseadas em dados da divulgação de Legado do Planck, a divulgação final de dados da missão, publicada em julho de 2018.
Crédito: ESA/Colaboração Planck

 

O satélite Planck da ESA não encontrou novas evidências para as intrigantes anomalias cósmicas que apareceram no seu mapa de temperatura do Universo. O estudo mais recente não exclui a potencial relevância das anomalias, mas significa que os astrónomos precisam de trabalhar ainda mais duro para entender a origem destas intrigantes características.

Os últimos resultados do Planck vêm de uma análise da polarização da Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB - Cosmic Microwave Background) - a luz mais antiga da história cósmica, libertada quando o Universo tinha apenas 380.000 anos.

A análise inicial do satélite, divulgada em 2013, concentrou-se na temperatura dessa radiação no céu. Isto permite que os astrónomos investiguem a origem e evolução do cosmos. Embora tenha confirmado em grande parte a imagem padrão de como o nosso Universo evolui, o primeiro mapa do Planck também revelou uma série de anomalias que são difíceis de explicar dentro do modelo padrão da cosmologia.

As anomalias são características ténues no céu que aparecem em grandes escalas angulares. Não são definitivamente artefactos produzidos pelo comportamento do satélite ou pelo processamento de dados, mas são fracas o suficiente para que possam ser variações estatísticas - flutuações que são extremamente raras, mas não totalmente descartadas pelo modelo padrão.

Alternativamente, as anomalias podem ser um sinal de "nova física", o termo usado para processos naturais ainda não reconhecidos que estenderiam as leis conhecidas da física.

Para investigar ainda mais a natureza das anomalias, a equipa do Planck analisou a polarização da CMB, que foi revelada após uma análise cuidadosa de dados multifrequência, desenhada para eliminar fontes de emissão de micro-ondas no plano da frente, incluindo gás e poeira da nossa própria Via Láctea.

Este sinal é a melhor medição, até à data, dos chamados modos-E de polarização da CMB e remonta ao tempo dos primeiros átomos formados no Universo e à libertação da CMB. Foi produzido pela forma como a luz se espalhou através das partículas de eletrões pouco antes de os eletrões se unirem em átomos de hidrogénio.

A polarização fornece uma visão quase independente da CMB, de modo que se as anomalias também aí aparecessem, isto aumentaria a confiança dos astrónomos de que podem ser provocadas por nova física, em vez de serem falhas estatísticas.

Embora o Planck não tenha sido originalmente construído para se concentrar na polarização, as suas observações foram usadas para criar os mapas mais precisos, até ao momento, da polarização da CMB. Estes foram publicados em 2018, melhorando consideravelmente a qualidade dos primeiros mapas de polarização do Planck, divulgados em 2015.

Quando a equipa do Planck analisou estes dados, não viram nenhum sinal óbvio das anomalias. Na melhor das hipóteses, a análise, publicada a semana passada na revista Astronomy & Astrophysics, revelou algumas pistas fracas de que algumas das anomalias podem estar presentes.

"As medições da polarização do Planck são fantásticas," diz Jan Tauber, cientista do projeto Planck da ESA.

"No entanto, apesar dos excelentes dados que temos, não vemos nenhum traço significativo de anomalias."

Assim sendo, isto parece fazer com que as anomalias sejam mais provavelmente acasos estatísticos, mas na verdade não descarta a nova física porque a natureza pode ser mais complicada do que imaginamos.

Até agora, não há hipótese convincente do novo tipo de física que pode estar a provocar as anomalias. Pode ser que o fenómeno responsável só afete a temperatura da CMB, mas não a polarização.

Deste ponto de vista, apesar da nova análise não confirmar a ocorrência de nova física, coloca importantes restrições sobre ela.

A anomalia mais séria que apareceu no mapa de temperatura da CMB é um déficit no sinal observado em grandes escalas angulares no céu, mais ou menos 5 graus - em comparação, a Lua Cheia abrange cerca de meio grau. Nestas grandes escalas, as medições do Planck são cerca de 10% mais fracas do que o modelo padrão da cosmologia poderia prever.

O Planck também confirmou, com alta confiança estatística, outras características anómalas que haviam sido sugeridas em observações anteriores da temperatura da CMB, como uma discrepância significativa do sinal, como observado nos dois hemisférios opostos do céu, e uma chamada "mancha fria" - uma mancha grande e de baixa temperatura com um perfil de temperatura invulgarmente íngreme.

"Nós dissemos, à época, que a primeira divulgação do Planck testaria as anomalias usando os seus dados de polarização. O primeiro conjunto de mapas de polarização suficiente limpos para este propósito foi lançado em 2018, agora temos os resultados," diz Krzysztof M. Górski, um dos autores do novo artigo, do JPL da NASA, Caltech, EUA.

Infelizmente, os novos dados não avançaram o debate, pois os resultados mais recentes não confirmam nem negam a natureza das anomalias.

"Temos alguns indícios de que, nos mapas da polarização, poderia haver uma assimetria de potência semelhante à que é observada nos mapas de temperatura, embora permaneça estatisticamente pouco convincente," acrescenta Enrique Martínez González, também coautor do artigo, do Instituto de Física da Cantábria em Santander, Espanha.

Embora vá haver uma análise mais profunda dos resultados do Planck, é improvável que produza resultados significativamente novos sobre este tema. O caminho óbvio é progredir para uma missão dedicada especialmente construída e otimizada para estudar a polarização da CMB, mas está pelo menos 10 a 15 anos de distância.

"O Planck deu-nos os melhores dados que teremos, pelo menos, durante uma década," diz o coautor Anthony Banday do Instituto de Pesquisa em Astrofísica e Planetologia em Toulouse, França.

Entretanto, o mistério das anomalias continua.

 


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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


Mapa da amplitude da polarização da CMB, conforme observado pelo satélite Planck da ESA. Embora as flutuações da CMB estejam presentes e tenham sido observadas pelo Planck até escalas angulares muito pequenas, estas imagens foram filtradas para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas razoavelmente grandes no céu, mais ou menos 5 graus - em comparação, a Lua Cheia abrange cerca de meio-grau no céu.
Nestas grandes escalas, várias anomalias podem ser observadas na temperatura da CMB - estas são características difíceis de explicar dentro do modelo padrão da cosmologia, que se baseia na suposição de que o Universo, a larga escala, tem as mesmas propriedades quando observado em todas as direções.
A anomalia mais séria é um déficit no sinal observado em grandes escalas com aproximadamente 5 graus, que é mais ou menos 10% mais fraca do que o previsto. Outras características anómalas são uma discrepância significativa do sinal, como observado nos dois hemisférios opostos do céu (os dois hemisférios são delineados pela curva grande, mais ou menos em forma de U, o Norte estando no centro) e uma chamada "mancha fria" - uma mancha grande e de baixa temperatura com um perfil de temperatura invulgarmente íngreme (a localização desta mancha é delineada perto do canto inferior direito).
Tais anomalias não foram detetadas, pelo menos em qualquer nível significativo, nas observações do Planck da polarização da CMB.
Uma comparação entre o mapa superior, mostrando a medição total do Planck - compreendendo tanto o sinal quanto o ruído - com o mapa de baixo, mostrando apenas o ruído, indica que algumas características anómalas podem estar presentes, como por exemplo uma assimetria de potência entre os dois hemisférios, mas não são estatisticamente convincentes.
A ausência de anomalias estatisticamente significativas nos mapas de polarização não exclui a potencial relevância daquelas vistas na temperatura, mas torna ainda mais difícil entender a origem destas características intrigantes.
As regiões cinzentas dos mapas foram mascaradas na análise para evitar a emissão residual de primeiro plano da nossa Via Láctea ou de fontes extragaláticas que afetam os resultados cosmológicos.
Crédito: ESA/Colaboração Planck


Mapa da amplitude da polarização da CMB, conforme observado pelo satélite Planck da ESA. Embora as flutuações da CMB estejam presentes e tenham sido observadas pelo Planck até escalas angulares muito pequenas, estas imagens foram filtradas para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas razoavelmente grandes no céu, mais ou menos 5 graus - em comparação, a Lua Cheia abrange cerca de meio-grau no céu.
Nestas grandes escalas, várias anomalias podem ser observadas na temperatura da CMB - estas são características difíceis de explicar dentro do modelo padrão da cosmologia, que se baseia na suposição de que o Universo, a larga escala, tem as mesmas propriedades quando observado em todas as direções.
A anomalia mais séria é um déficit no sinal observado em grandes escalas com aproximadamente 5 graus, que é mais ou menos 10% mais fraca do que o previsto. Outras características anómalas são uma discrepância significativa do sinal, como observado nos dois hemisférios opostos do céu (os dois hemisférios são delineados pela curva grande, mais ou menos em forma de U, o Norte estando no centro) e uma chamada "mancha fria" - uma mancha grande e de baixa temperatura com um perfil de temperatura invulgarmente íngreme (a localização desta mancha é delineada perto do canto inferior direito).
Uma comparação entre o mapa superior, mostrando a medição total do Planck - compreendendo tanto o sinal quanto o ruído - com o mapa de baixo, mostrando apenas o ruído, indica que as características anómalas não são, claramente, artefactos, pois estão presentes no sinal e não no ruído.
Tais anomalias não foram detetadas, pelo menos em qualquer nível significativo, nas observações do Planck da polarização da CMB.
A ausência de anomalias estatisticamente significativas nos mapas de polarização não exclui a potencial relevância daquelas vistas na temperatura, mas torna ainda mais difícil entender a origem destas características intrigantes.
As regiões cinzentas dos mapas foram mascaradas na análise para evitar a emissão residual de primeiro plano da nossa Via Láctea ou de fontes extragaláticas que afetam os resultados cosmológicos.
Crédito: ESA/Colaboração Planck


// ESA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico (arXiv.org)

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CCVAlg - Astronomia:
24/07/2018 - De um Universo quase perfeito ao melhor dos dois mundos
22/03/2013 - Planck revela um Universo quase perfeito

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A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
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Idade do Universo (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
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Cronologia do Big Bang (Wikipedia)

Observatório Planck:
ESA (ciência e tecnologia)
ESA (centro científico)
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NASA
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