Radiação Cósmica de Fundo: O Eco Térmico do Big Bang

A Radiação Fóssil do Big Bang

A radiação cósmica de fundo (CMB) é a radiação eletromagnética residual emitida cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Naquela época, o Universo havia esfriado o suficiente para permitir a formação dos primeiros átomos de hidrogênio, tornando o cosmos transparente à luz. Essa radiação, que então preenchia todo o espaço, foi esticada pela expansão do Universo até comprimentos de onda centimétricos, correspondendo hoje a uma temperatura média de \(2{,}725\ \text{K}\).

Um Corpo Negro Quase Perfeito

As medições do satélite COBE (1989), depois do WMAP (2001-2010) e do Planck (2009-2013), mostraram que o espectro da CMB segue notavelmente bem a lei da radiação de corpo negro.

Essa distribuição espectral indica que a radiação cósmica de fundo é uma radiação térmica em equilíbrio, emitida por um plasma de fótons, elétrons e prótons que antes estavam em interação constante.

N.B.:
Um corpo negro é um sistema físico perfeito que absorve completamente toda a energia incidente e reemite uma radiação que depende apenas de sua temperatura. Seu espectro é descrito pela lei de Planck, que relaciona a densidade de energia espectral com a frequência \(\nu\) e a temperatura \(T\) segundo: \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\). A radiação cósmica de fundo é o melhor exemplo natural conhecido de radiação de corpo negro, com um desvio inferior a \(10^{-5}\) em relação à teoria.

Anisotropias: Marcas das Primeiras Flutuações

Apesar de sua notável homogeneidade, a CMB apresenta pequenas anisotropias (flutuações de temperatura da ordem de \(10^{-5}\)). Essas inhomogeneidades são as marcas das flutuações quânticas primordiais amplificadas pela expansão cósmica. Elas serviram como sementes para a formação posterior das estruturas em grande escala do Universo.

As missões WMAP e Planck permitiram mapear essas anisotropias com uma precisão sem igual, fornecendo restrições essenciais sobre os parâmetros cosmológicos, como a constante de Hubble \(H_0\), a densidade de matéria \(\Omega_m\) e a densidade de energia escura \(\Omega_\Lambda\).

Polarização e Memória do Universo Primordial

A polarização da radiação cósmica de fundo fornece informações adicionais sobre os processos físicos que ocorreram antes da recombinação. Em particular, a detecção de um modo de polarização do tipo B poderia revelar a presença de ondas gravitacionais primordiais, previstas pela teoria da inflação cósmica formulada por Alan Guth (nascido em 1947).

Essas ondas gravitacionais teriam deixado uma assinatura sutil na textura da radiação fóssil, oferecendo um teste indireto dos primeiros \(10^{-35}\ \text{s}\) da história cósmica.

Uma Janela para a Física Fundamental

A radiação cósmica de fundo não é apenas um vestígio do passado; ela também é uma janela para a física fundamental. Os menores desvios medidos em seu espectro e polarização testam os modelos do Universo FLRW e as previsões da relatividade geral de Albert Einstein (1879-1955).

A análise da CMB permitiu confirmar que nosso Universo é espacialmente plano com uma precisão melhor que 0,4%, e que a matéria visível constitui apenas cerca de 5% do conteúdo energético total, sendo o resto dividido entre matéria escura e energia escura.

N.B.:
A radiação cósmica de fundo não é observável no domínio visível porque sua radiação, inicialmente no infravermelho, foi esticada pelo fator de expansão \((1 + z) \approx 1100\), colocando hoje seu pico espectral em torno de \(160\ \text{GHz}\).

Fonte: Equipe Científica do WMAP, Arquivo Legado do Planck da ESA.