‘One Direction’ – O Universo é isotrópico ou não?

Título: How Isotropic is the Universe?

Autores: D. Saadeh, S.M. Feeney, A. Pontzen, H.V. Peiris e J.D. McEwen

Instituição do primeiro autor: University College London, Londres, Reino Unido

Status: Publicado em Physical Review Letters [acesso aberto]

No final deste post, você vai ter aprendido duas coisas:

  1. Um ‘Modelo Bianchi’ é um nome legal para modelos hipotéticos do universo.
  2. One Direction é uma banda terrível, exceto por este clipe que foi 100% gravado na NASA.

A relatividade geral e a cosmologia deram início ao modelo atual do universo — o famoso Lambda-CDM. Este é um universo formado por matéria comum, matéria escura fria (cold dark matter, ou CDM) e energia escura. Um dos pilares desse modelo é o chamado Princípio Cosmológico, que diz que o universo é homogêneo e isotrópico em grandes escalas. Isotropia implica que não há uma ou mais direções preferenciais, e homogeneidade significa que não há locais preferenciais. Em relação ao universo observável, isso significa que um observador vê a mesma distribuição de matéria independente de onde esteja (homogêneo) e independente da direção em que esteja olhando para o céu (isotrópico). Obviamente, isso não é verdade quando você está, por exemplo, no meio de um aglomerado de galáxias, que tem uma concentração de matéria muito mais densa que outras partes do universo. Mas em grandes escalas da ordem de milhões de anos-luz, observações indicam que homogeneidade e isotropia são princípios coerentes com o universo. A figura 1 abaixo ilustra essas propriedades.

Figura 1. Casos de homogeneidade e isotropia sendo conservadas independentemente, em exemplos a) tridimensional e b) bidimensional.

É crucial que nos convençamos de que é possível construir um modelo do universo que é homogêneo mas não isotrópico, ou seja, um universo que tem mais ou menos a mesma densidade, mas uma direção preferida onde a distribuição de galáxias ou material gasoso é mais concentrada ou dispersa. Nós poderíamos estar em um universo que é uniformemente denso, assim como chocolates M&Ms alinhados em linhas retas num bolo de chocolate — na direção da linha reta, o universo parece diferente do que na direção diagonal.

Será que é possível que o oposto ocorra? Se o Princípio Cosmológico serve pra alguma coisa — nós não temos razão para concluir que estamos em um lugar especial no universo — então a isotropia de diferentes locais no universo automaticamente implica que o mesmo é homogêneo. Isso significa que se eu ver, em média, o mesmo número de galáxias daqui da Terra em todas as direções, e de alguma forma eu sei que eu veria esse mesmo número mesmo se estivesse em um planeta a milhões de anos luz daqui, isso teria que implicar que a densidade média de galáxias no universo é a mesma. Muito legal, né!

Um jeito interessante que astrofísicos usaram para concluir que o universo pode ser isotrópico é através da Radiação Cósmica de Fundo (Cosmic Microwave Background, ou CMB) — uma relíquia das primeiras épocas do universo que contém a assinatura de quando a matéria e a luz se separaram. O CMB é a radiação que é uniforme até aproximadamente 1 parte em 100.000 — seja qual for a direção que você olhar! O CMB é então sugestivo de um universo isotrópico (e consequentemente homogêneo). Mas tem uma pegadinha aí.

Figura 2. O mapa do CMB do universo obtido pelo satélite PLANCK . Apesar de ter quase a mesma temperatura, em pequenas escalas é possível ver anisotropias (denotadas pelas regiões frias azuis e quentes vermelhas).

O CMB na verdade tem anisotropias (veja a Fig. 2 acima) — flutuações/inomogeneidades extremamente pequenas: exatamente aquelas de 1 parte em 100.000 mencionadas acima. Isso significa que vale a pena investigar modelo teóricos do universo que demandam homogeneidade mas permitem um pequeno nível de anisotropia, e mapear isso aos dados de CMB de telescópios como o PLANCK. Esses modelos teóricos são chamados de modelos Bianchi.

O artigo de hoje caracteriza alguns modelos Bianchi que incluem anisotropia no CMB. Essa anisotropia mostra que os fótons do CMB do universo jovem viajaram diferentes caminhos e levaram diferentes tempos (que mudam com a orientação e polarização) para chegar ao nosso telescópio. Isso é chamado de ‘cisalhamento’ dos fótons do CMB, um efeito que é pequeno, mas detectável em mapas do CMB. Neste artigo, vários novos tipos de cisalhamento foram estudados para investigar se o universo é definitivamente isotrópico, ou majoritariamente isotrópico com pequenas flutuações e algumas direções levemente preferenciais. Para isso, o grupo de pesquisa usou não apenas os dados de temperatura do CMB, mas também de polarização. A polarização do CMB nos diz qual é a orientação dos fótons (mais especificamente de seus campos elétrico e magnético), o que significa que possui mais informação sobre o cisalhamento devido a anisotropias.

Figura 3. Dados de temperatura e polarização dos campos elétrico e magnético foram usados para reconstruir o mapa CMB do universo, com modelos Bianchi que são coerentes com as predições do modelo Lambda-CDM atual.

Neste estudo, o universo foi modelado como um fluido perfeito de matéria escura, energia escura e matéria bariônica regular, e foi permitido expandir seguindo os formalismos da relatividade geral e de anisotropia do CMB; ou seja, o universo foi permitido a desviar da isotropia mas também vigiado para checar se os parâmetros cosmológicos lembram o que observamos no nosso universo. Deixando de lado os detalhes teóricos, o grupo concluiu que os modelos Bianchi considerados aqui lembram o modelo Lambda-CDM em um grau bastante alto. Em outras palavras, eles foram bem-sucedidos em melhorar os vínculos que nós temos sobre a isotropia do universo. Então, de agora em diante, o universo é aproximadamente plano, homogêneo e isotrópico — não há uma direção que é preferida. Vida longa ao Lambda-CDM!


Original em inglês: ‘One Direction’ – Isotropic Universe or not?,  por Gourav Khullar.

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