Aula 189 — Radiação Cósmica de Fundo em Micro-Ondas (CMB)

O professor pergunta: "se o Big Bang realmente aconteceu, deveria sobrar algum tipo de 'eco' observável dele até hoje, bilhões de anos depois?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: que tipo de sinal poderia ser esse "eco", e por que ele viria de TODAS as direções do céu ao mesmo tempo? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que essa radiação primordial deveria vir de um ponto ou região específica do céu, de onde o Big Bang "aconteceu" — na verdade, como o Big Bang ocorreu em TODO o espaço (não num ponto), essa radiação vem uniformemente de todas as direções.

Apresentação dos slides 2 a 9: cerca de 380 mil anos após o Big Bang, a expansão contínua do Universo (Aula 188) já havia esfriado o suficiente para que elétrons e prótons se combinassem formando átomos neutros de hidrogênio — um processo chamado recombinação. Antes disso, o Universo era um plasma opaco (a luz era constantemente espalhada pelas partículas carregadas livres); após a recombinação, o Universo se tornou transparente, e a luz pôde viajar livremente pela primeira vez — essa luz, observada hoje, é a Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB): a luz mais antiga que é possível observar diretamente. Como o Universo continuou se expandindo por bilhões de anos desde então, essa luz (originalmente emitida como luz visível/infravermelha, numa temperatura de cerca de 3000 K) foi esticada pela expansão cósmica até se tornar radiação de micro-ondas, hoje correspondendo a uma temperatura de apenas T≈2,725 K — isso resolve o obstáculo do Momento 2: como a recombinação ocorreu em TODO o espaço praticamente ao mesmo tempo, essa radiação chega até nós de todas as direções do céu, uniformemente. A CMB foi descoberta acidentalmente em 1965 por Arno Penzias e Robert Wilson, engenheiros que tentavam eliminar um ruído persistente e inexplicável de sua antena de rádio — a descoberta foi reconhecida como confirmação decisiva do modelo do Big Bang sobre teorias rivais, e rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1978. O espectro da CMB corresponde a um espectro de corpo negro quase perfeito (Módulo 11, Aula 163), a medição mais precisa desse tipo de espectro já feita; pequenas variações de temperatura na CMB (de cerca de uma parte em 100 mil) são hoje entendidas como as sementes que deram origem, por atração gravitacional ao longo de bilhões de anos, a toda a estrutura em grande escala do Universo — galáxias, aglomerados e os vazios entre eles.

Resolução guiada: discutir coletivamente por que a temperatura da CMB caiu de cerca de 3000 K, no momento da recombinação, para apenas 2,725 K hoje — relacionando essa queda de mais de mil vezes ao desvio para o vermelho cosmológico (Aula 188) sofrido por essa radiação ao longo de bilhões de anos de expansão do Universo. Em duplas: discutir por que a CMB é considerada uma confirmação tão forte do Big Bang, e não apenas mais uma evidência entre outras (foi uma previsão específica do modelo, feita ANTES de ser observada, e sua descoberta eliminou teorias cosmológicas rivais que não previam essa radiação).

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: o "eco" do Big Bang é exatamente a Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas — a luz mais antiga observável, emitida na recombinação e hoje esfriada pela expansão cósmica a apenas 2,725 K, chegando até nós de todas as direções do céu.