2161: Planck não encontra evidências novas de anomalias cósmicas

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 detectado em escalas que rondam os 5º no céu. A terceira imagem da sequência mostra as anisotropias de temperatura filtradas com uma indicação da direcção da fracção polarizada da CMB.
Uma pequena fracção da CMB é polarizada – vibra numa direcção preferida. Este é o resultado do último encontro desta luz com electrões, 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 multi-frequência, 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 electrões pouco antes de os electrões 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 projecto 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 afecte 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 deficit 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 co-autor 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 optimizada 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 co-autor Anthony Banday do Instituto de Pesquisa em Astrofísica e Planetologia em Toulouse, França.

Entretanto, o mistério das anomalias continua.

Astronomia On-line
11 de Junho de 2019

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791: DE UM UNIVERSO QUASE PERFEITO AO MELHOR DOS DOIS MUNDOS

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.
Esta imagem é baseada em dados da divulgação de Legado do Planck, a divulgação final de dados da missão, publicada em Julho de 2018.
Crédito: ESA/Colaboração Planck

Era 21 de Março de 2013. A imprensa científica mundial reuniu-se na sede da ESA, em Paris, ou ligou-se online, juntamente com uma multidão de cientistas em todo o mundo, para testemunhar o momento em que a missão Planck da ESA revelou a sua “imagem” do cosmos. Esta imagem foi obtida não com luz visível, mas com micro-ondas.

Enquanto a luz que os nossos olhos podem ver é composta de pequenos comprimentos de onda – menos de um milésimo de milímetro de comprimento – a radiação que o Planck estava a detectar abrangeu comprimentos de onda mais longos, de alguns décimos de milímetro a alguns milímetros. Mais importante ainda, foi produzida no início do Universo.

Colectivamente, esta radiação é conhecida como fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB (inglês para Cosmic Microwave Background). Medindo as suas pequenas diferenças no céu, a imagem do Planck tinha a capacidade de nos contar sobre a idade, a expansão, a história e o conteúdo do Universo. Não era nada menos que o projecto cósmico.

Os astrónomos sabiam o que esperavam ver. Duas missões da NASA, o COBE no início dos anos 90 e o WMAP na década seguinte, já tinham realizado um conjunto de pesquisas aéreas do céu análogas que resultaram em imagens semelhantes. Mas essas imagens não tinham a precisão e a nitidez do Planck.

A nova visão mostraria, pela primeira vez, a marca do Universo primitivo em detalhes meticulosos. Tudo dependia dele.

Se o nosso modelo do Universo estivesse correto, então o Planck confirmá-lo-ia com níveis de precisão sem precedentes. Se o nosso modelo estivesse errado, o Planck enviaria os cientistas de volta aos papéis.

Quando a imagem foi revelada, os dados confirmaram o modelo. O ajuste às nossas expectativas era bom demais para tirar qualquer outra conclusão: o Planck mostrava-nos um “universo quase perfeito”. Porquê quase perfeito? Porque algumas anomalias permaneceram, e estas seriam o foco de pesquisas futuras.

Agora, cinco anos depois, o consórcio Planck fez a sua divulgação de dados final, conhecida como o lançamento do legado de dados. A mensagem continua a mesma e é ainda mais forte.

“Este é o legado mais importante do Planck”, diz Jan Tauber, Cientista do Projeto Planck da ESA. “Até agora, o modelo-padrão da cosmologia sobreviveu a todos os testes e o Planck fez as medições que mostram isso.”

Todos os modelos cosmológicos são baseados na Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein. Para reconciliar as equações relativísticas gerais com uma ampla gama de observações, incluindo o fundo cósmico de micro-ondas, o modelo-padrão de cosmologia inclui a acção de dois componentes desconhecidos.

Em primeiro lugar, um componente atractivo da matéria, conhecido como matéria escura e fria, que, ao contrário da matéria comum, não interage com a luz. Em segundo lugar, uma forma repulsiva de energia, conhecida como energia escura, que está a impulsionar a actual expansão acelerada do Universo. Descobriu-se que estes são componentes essenciais para explicar o nosso cosmos, além da matéria comum que conhecemos. Mas ainda não sabemos o que estes componentes exóticos realmente são.

O Planck foi lançado em 2009 e recolheu dados até 2013. O seu primeiro lançamento – que deu origem ao Universo quase perfeito – foi feito na primavera daquele ano. Baseou-se unicamente na temperatura da radiação cósmica de fundo de micro-ondas e utilizou apenas as duas primeiras pesquisas do céu da missão.

Os dados também forneceram mais evidências para uma fase muito inicial da expansão acelerada, chamada inflação, na primeira fracção minúscula de um segundo da história do Universo, durante a qual as sementes de todas as estruturas cósmicas foram semeadas. Fornecendo uma medida quantitativa da distribuição relativa dessas flutuações primordiais, o Planck forneceu a melhor confirmação já obtida do cenário inflaccionário.

Além de mapear a temperatura do fundo cósmico de micro-ondas através do céu com uma precisão sem precedentes, o Planck também mediu a sua polarização, a qual indica se a luz está a vibrar numa direcção preferida. A polarização do fundo cósmico de micro-ondas contém uma impressão da última interacção entre as partículas de radiação e matéria no Universo primordial e, como tal, contém informações adicionais importantes sobre a história do cosmos. Mas também pode conter informações sobre os primeiros instantes do nosso Universo e dar-nos pistas para entender o seu nascimento.

Em 2015, uma segunda divulgação de dados reuniu todos os dados recolhidos pela missão, que totalizaram oito pesquisas do firmamento. Deu a temperatura e a polarização, mas veio com um alerta.

“Sentimos que a qualidade de alguns dos dados de polarização não era boa o suficiente para ser usada para cosmologia,” diz Jan. Acrescentando que – é claro – isso não os impediu de fazer cosmologia com eles, mas que algumas conclusões obtidas na altura necessitam confirmação adicional e, portanto, deverão ser tratados com cautela.

E esta é a grande mudança para este lançamento de dados do Legacy 2018. O consórcio Planck concluiu um novo processamento dos dados. A maioria dos primeiros sinais que pediram cautela desapareceram. Os cientistas estão agora certos de que tanto a temperatura quanto a polarização estão determinadas com precisão.

“Agora estamos realmente confiantes de que podemos recuperar um modelo cosmológico baseado unicamente na temperatura, apenas na polarização e baseado na temperatura e na polarização. E todos combinam,” diz Reno Mandolesi, investigador principal do instrumento LFI do Planck, da Universidade de Ferrara, Itália.

“Desde 2015, foram recolhidos mais dados astrofísicos através de outras experiências, e novas análises cosmológicas foram também realizadas, combinando observações do CMB, em pequenas escalas, com aquelas de galáxias, aglomerados de galáxias e super-novas que, na maioria das vezes, melhoraram a coerência com os dados de Planck e o modelo cosmológico apoiado pelo Planck,” diz Jean-Loup Puget, investigador principal do instrumento de HFI do Planck, no Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Este é um feito impressionante e significa que os cosmólogos podem ter certeza de que a sua descrição do Universo como um lugar contendo matéria comum, matéria escura fria e energia escura, povoada por estruturas que haviam sido semeadas durante uma fase inicial de expansão inflacionaria, está amplamente correta.

Mas há algumas peculiaridades que precisam ser explicadas – ou tensões, como lhes chamam os cosmólogos. Uma, em particular, está relacionada com a expansão do Universo. A taxa dessa expansão é dada pela chamada Constante de Hubble.

Para medir a constante de Hubble, tradicionalmente, os astrónomos confiam nas medições das distâncias através do cosmos. Só podem fazer isso para o Universo relativamente local, medindo o brilho aparente de certos tipos de estrelas variáveis próximas e estrelas em explosão, cujo brilho real pode ser estimado independentemente. É uma técnica bem desenvolvida que foi aperfeiçoada ao longo do século passado, iniciada por Henrietta Leavitt e, mais tarde, aplicada no final da década de 1920, por Edwin Hubble e colaboradores, que usaram estrelas variáveis em galáxias distantes e outras observações para revelar que o Universo se estava a expandir.

A cifra que os astrónomos derivam a partir da constante de Hubble, utilizando uma ampla variedade de observações de ponta, incluindo algumas do observatório homónimo do Hubble, o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, é de 73,5 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas dois por cento. As unidades, ligeiramente esotéricas, dão a velocidade da expansão em km/s para cada milhão de parsecs (Mpc) de separação no espaço, onde um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz.

Uma segunda maneira de estimar a constante de Hubble é através da utilização do modelo cosmológico que se encaixa na imagem de fundo cósmico de micro-ondas, que representa o Universo muito jovem, e calcular uma previsão para o que a constante de Hubble deveria ser hoje. Quando aplicado aos dados do Planck, este método fornece um valor mais baixo de 67,4 km/s/Mpc, com uma pequena incerteza de menos de um por cento.

Por um lado, é extraordinário que duas formas radicalmente diferentes de derivar a constante de Hubble – uma usando o Universo local maduro e outra baseada no distante Universo infantil – estejam tão próximas uma da outra. Por outro lado, em princípio, esses dois números devem concordar dentro das suas respectivas incertezas. Essa é a tensão, e a questão é como podem eles ser reconciliados?

Ambos os lados estão convencidos de que quaisquer erros remanescentes nas suas metodologias de medição são agora muito pequenos para causar a discrepância. Então, pode ser que exista algo ligeiramente peculiar no nosso ambiente cósmico local que torne a medida próxima um tanto anómala? Sabemos, por exemplo, que a nossa galáxia está numa região pouco densa do Universo, o que poderia afectar o valor local da constante de Hubble. Infelizmente, a maioria dos astrónomos acha que tais desvios não são grandes o suficiente para resolver esse problema.

“Não existe uma solução astrofísica única e satisfatória que possa explicar a discrepância. Assim, talvez exista alguma nova física a ser encontrada,” diz Marco Bersanelli, vice-investigador principal do instrumento LFI da Universidade de Milão, na Itália.

‘Nova física’ significa que partículas ou forças exóticas poderiam estar a influenciar os resultados. No entanto, por mais emocionante que essa perspectiva pareça, os resultados do Planck colocam severas restrições a essa linha de pensamento, porque se ajustam tão bem à maioria das observações.

“É muito difícil adicionar novas físicas para aliviar a tensão e ainda manter a descrição precisa do modelo-padrão de tudo o que já se encaixa,” diz François Bouchet, vice-investigador principal do instrumento de HFI do Planck, do Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França.

Como resultado, ninguém foi capaz de chegar a uma explicação satisfatória para as diferenças entre as duas medições, e a questão permanece por resolver.

“De momento, não devemos ficar muito empolgados em encontrar uma nova física: pode ser que a discrepância relativamente pequena possa ser explicada por uma combinação de pequenos erros e efeitos locais. Mas precisamos continuar a melhorar as nossas medições e pensar em maneiras melhores de explicá-las,” diz Jan.

Este é o legado do Planck: com o seu Universo quase perfeito, a missão deu aos investigadores a confirmação dos seus modelos, mas com alguns detalhes para resolver. Por outras palavras: o melhor dos dois mundos.

Astronomia On-line
24 de Julho de 2018

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