Como investigar energia escura, observando luz “invisível” e usando uma “régua estatística”?
O Universo é majoritariamente constituido por algo mito pouco conhecido. Aproximadamente 68% do Universo é composto de energia escura, 27% é constituído de matéria escura e apenas 5% é constituído por aquilo que podemos observar e detectar diretamente, a matéria bariônica.
A investigação das Oscilações Acústicas de Bárions, BAO, é uma forma de restringir as propriedades da energia escura com o objetico de compreender um pouco mais sobre a sua natureza. Um dos prinicpais propostas do Telescópio BINGO é monitorar as BAO por meio da emissão eletromagnética, por meio de radio frequência do hidrogênio atômico.
As Oscilações Acústicas de Bárion como régua padrão do Universo.
Logo após o Big Bang, o Universo era constituído por uma espécie de sopa de partículas, onde a matéria e a luz estavam acopladas, ou seja em equilíbrio térmico.
O Universo não era 100% homogêneo, e as pequenas uniformidades locais favoreceram o aparecimento de regiões mais densas, onde a matéria foi sendo acretada, ou seja reunida por aglomeração, via a gravidade. À medida que a matéria proviniente do exterior dessa região é puxada, esta também é aquecida, e no processo radiação é emitida.
Num palco em que a gravidade e a força de pressão da radiação emergente medem “forças”, resultando em um “puxar-para dentro” (gravidade) e “puxar-para fora” (pressão da radiação), há o surgimento de oscilações na matéria. A partir dessas oscilações, uma onda mecânica é criada e se propaga, tal como uma onda sonora.
A Régua
No caso do Universo primordial, as ondas sonoras arrastaram consigo bárions e fótons. A matéria escura, porque apenas interage através da gravidade, terá permanecido nas imediações do centro da onda sonora, correspondente à região de maior densidade.
Do topo (1) O Universo é um plasma em expansão composto por matéria barionica, matéria escura e luz, existindo pequenas inomogeneidades em termos de densidade de matéria (pontos mais brilhantes) (2) processos físicos nas regiões de maior densidade estimulam a produção de ondas que arrastam consigo os bárions e fótons (3) que viajam juntos até o momento da dissociação matéria-radiação, a partir do qual os fótons podem escapar (4) pelo contrário, a matéria permanece no local onde se dá o desacoplamento (5) ao longo de todo este tempo a matéria escura permaneceu no centro das inomogeneidades. Crédito: Imagens adaptadas da simulação de Martin White, http://newscenter.lbl.gov/2009/10/27/evolving-search-2.
Os bárions e fótons terão progredido com a onda sonora até o momento do seu desacoplamento, quando o Universo arrefeceu o suficiente e os fótons puderam escapar. Após o desacoplamento a maior parte da matéria (bariões) permaneceu a essa distância do centro da onda sonora, se formando uma espécie de anéis de excesso de densidade de matéria.
As anteriores regiões foram as sementes para a construção de estruturas maiores, isto é galáxias e enxames de galáxias. Existe assim uma espécie de raio “primordial” que está patente na distribuição da matéria em larga escala (note que a distribuição central da matéria escura, também podera ter actuado como atractor na construção de estruturas a larga escala).
Simulações 2D da evolução de perturbações de densidade. No topo uma única perturbação propaga-se pelo espaço, em baixo a mesma perturbação tem origem em vários locais. http://galaxies-cosmology-2015.wikidot.com/baryon-acoustic-oscillations.
Considerando que este processo não é único, mas que terão existindo múltiplos, cada um com pequenas diferenças, o “raio primordial” não é uma quantidade perfeitamente determinada e única mas sim uma medida estatística.
E essa é a nossa “régua cosmológica”, por vezes também conhecida por “horizonte de som”.
De fato, as oscilações acústicas estão impressas na radiação de fundo cósmico (CMB), a escala determinada pela distância percorrida nos 380 000 anos após o Big Bang, na era da recombinação e patente na distribuição de matéria desde então. Recentemente, a missão Planck determinou que essa escala é 147,4 +/- 0,6 Mpc com base em medidas CMB.
“Réguas” e energia escura
https://www.nap.edu/jhp/oneuniverse/linked_motion_10-11.ht
Num Universo que está em expansão, a distância angular entre dois pontos muda, e da mesma forma o tamanho da BAO. Simplificando muito, uma imagem a que se recorre frequentemente é a de um balão a ser enchido: distância entre dois pontos na superfície do balão vai aumentando.
Ao investigar a variação do tamanho das BAO ao longo do tempo, pode-se inferir a taxa de expansão do Universo e, assim, restringir as propriedades da energia escura.
Credit: Eric Huff, the SDSS-III team, and the South Pole Telescope team. Graphic by Zosia Rostomian
Na prática, isso pode ser obtido pela comparação do raio das BAO de hoje investigando a distribuição de matéria em larga escala, com o raio “inicial” das BAO, isto é no momento do desacoplamento da matéria com a radiação, através dos dados observacionais da radiação cósmica de fundo, vulgo CMB.
Referências:
Preuss, Paul. The Evolving Search for the nature of dark energy. Disponívem em <https://newscenter.lbl.gov/2009/10/27/evolving-search-2./>
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