O prêmio Nobel pelos fundamentos da Cosmologia

“Não é exagero dizer que a cosmologia moderna consiste basicamente de uma série de notas de rodapé ao Peebles” —Sean Carroll

Como veremos no próximo astroponto, metade do Prêmio Nobel em Física de 2019 foi dado a Michael Mayor e Didier Queloz “pela descoberta de um exoplaneta orbitando ao redor de uma estrela do tipo solar”. O astroponto de hoje vai falar sobre a outra metade do Nobel, dado a James (Jim) Peebles, “por descobertas teóricas em cosmologia física”.

Peebles é atualmente o Albert Einstein Professor of Science, Emeritus, na Universidade de Princeton, onde ele obteve seu doutorado em Física em 1962. Logo após, ele permaneceu em Princeton como um instrutor e pesquisador, e depois como professor, durante toda sua carreira. Como um dos fundadores da cosmologia moderna, Peebles desenvolveu a base teórica da cosmologia física – iniciando em 1964, e desenvolvida durante duas décadas – e contribuiu significativamente para nossa compreensão da história do Universo atual até o Big Bang. Quando perguntado sobre o que ele enxerga como a sua principal ideia em cosmologia, Peebles então respondeu: “It’s a life’s work.” (Tradução: “É o trabalho de uma vida”). Dado a grandeza das contribuições de Peebles, será impossível se aprofundar sobre todos os artigos que contribuíram para seu reconhecimento do Nobel em uma só postagem, então hoje discutiremos sobre alguns de seus trabalhos mais importantes. Nota: todos os artigos que foram linkados aqui encontram-se em acesso aberto.

A radiação cósmica de fundo

A descoberta acidental da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM) pelos laureados do prêmio Nobel em 1978 Arno Penzias e Robert Wilson é uma dos eventos mais fortuitos a ter acontecido na física moderna. Porém, a significância para a ciência só ficou clara quando eles conversaram com pesquisadores em Princeton, incluindo Peebles, que estavam na época projetando instrumentos para tentar detectar a RCFM. A publicação seminal fruto desta colaboração (Dicke, Peebles, Roll, and Wilkinson 1965) deu o pontapé inicial do campo da cosmologia observacional. Embora a RCFM tenha sido predita alguns anos antes, este artigo também discutiu vínculos sobre matéria ‘ordinária’ (bariônica) no Universo a partir da RCFM, discutindo ainda sobre como observações de galáxias sugeriram uma densidade média de matéria muitas vezes maior do que aquela que os cálculos apontaram. Essa contradição sugeriu a necessidade de uma quantidade grande de matéria desconhecida (matéria “escura”) para compensar essa diferença.

Mais tarde no mesmo ano, Peebles publicou um artigo (Peebles 1965) discutindo como a RCFM afetaria a formação de galáxias. Ele argumentou que a radiação inicialmente impediria variações de densidade de crescerem muito no Universo primordial, logo, impedindo a formação de sistemas gravitacionais ligados, tais como estrelas e galáxias. Contudo, depois que o Universo se expandiu até um tamanho crítico, a instabilidade de Jeans (Jeans instability, em inglês) tomaria conta e então nuvens de gás finalmente se formariam, as quais seriam transformadas em estrelas e galáxias livres o suficiente para evoluírem independente da RCFM. Este artigo foi um dos primeiros a aplicar leis da física para o Universo como um todo. Dois anos depois, Peebles também examinou formação de estruturas (Peebles and Dicke 1968) para aglomerados globulares, prevendo (com limitações) que eles devem ter precedido a formação de galáxias.

Núcleos no Universo primordial

Em 1966, Peebles desenvolveu previsões pioneiras relacionadas à nucleossíntese do Big Bang (NBB, link em inglês), ou seja, a formação de elementos leves (mais pesados do que o hidrogênio) durante o Universo primordial. Imediatamente após o Big Bang, em uma sopa quente e densa de núcleos, elementos leves como Deutério e Hélio se formariam. Quando a temperatura dos fótons da RCFM decai abaixo de um valor crítico, Hélio tornou-se o elemento dominante. A densidade de matéria do Universo conforme a RCFM esfriava até esta temperatura crítica seria diretamente proporcional à abundância de Hélio presente no Universo primordial. Peebles calculou que, se a temperatura atual da RCFM é de 3K, então Hélio devia compor 27-30% da massa do Universo primordial (Peebles 1966a), depois revisando os seus números em um cálculo mais detalhado e assim obtendo 26-28% (Peebles 1966b). Suas previsões permanecem bastante acuradas ainda hoje: experimentos atuais medem a abundância primordial de Hélio como 25%.

Em 1968, Peebles trabalhou nos detalhes de um processo chamado recombinação do Universo primordial (Peebles 1968). Durante este processo, elementos leves produzidos durante a NBB combinaram-se com elétrons para formar átomos neutros. Peebles abordou este processo com uma aproximação intuitiva chamada “three-level atom” – cada nível desses corresponde ao hidrogênio em seu estado fundamental, seu primeiro estado excitado, e ao seu estado ionizado, assim contabilizando os processos físicos mais importantes. Esta previsão permanece acurada (dentro de uma margem de erro de ~10%) mesmo após revisões modernas.

Explorando “inflação” antes da inflação

Peebles também contribuiu para as previsões para a amplitude das flutuações de temperatura da RCFM através do céu em escalas angulares pequenas (Peebles and Yu 1970). Estas assinaturas viriam de ondas acústicas produzidas de pequenas flutuações de densidade no plasma primordial. Peebles e Yu inicialmente previram variações de pelo menos 15 entre 100,000; medidas realizadas pelo satélite COBE décadas depois observaram variações da ordem de 1 entre 100,000 (desvios de ~30μK da temperatura média de 3K da RCFM). Para obter essas previsões, eles argumentaram que o espectro de potência inicial do Universo que gerou as ondas acústicas era invariante em escala. Um espectro de potência nos diz qual é o tamanho da escala em que estruturas importantes podem se formar, mas um espectro de potência invariante em escala não apresenta uma escala característica. Em outras palavras, no Universo primordial, estruturas parecem as mesmas em todas as escalas. Uma década depois, a teoria da inflação cosmológica foi proposta tal que, entre outras coisas, previu um espectro de potência aproximadamente invariante em escala.

Matéria e energia escuras

Peebles também fez imensas contribuições para o campo da matéria escura. Ele ajudou a construir os cálculos numéricos que descrevem a formação de galáxias espirais barradas, e também notaram uma grande quantidade de matéria não diretamente observada – matéria escura – no halo galáctico deveria estar presente para que a Via Láctea seja um sistema estável (Ostriker and Peebles 1973). Um ano depois, ele ajudou a construir o caso em que o nosso Universo deve ter grande quantidade de matéria não observada também (Ostriker, Peebles, and Yahil 1974). Estes artigos ajudaram a fornecer o contexto teórico da matéria escura, algo que astrônomos – especialmente Vera Rubin – já haviam tido evidências observacionais alguns anos antes

Então, em 1982, Peebles publicou uma teoria da matéria escura fria (Peebles 1982). Ele mencionou que as flutuações de temperatura da RCFM (até então não observadas) deveria ser menor do que uma parte em 10,000, e este fato combinado com a “cosmologia usual com bárions, elétrons, radiação, e neutrinos sem massa” era incompatível com o Universo então observado. Neste artigo, ele também previou que a flutuação de temperatura da RCFM deveria ser de 5 partes em 100,000, logo, mais próxima ao valor medido pelo COBE. Deste modo, ele propôs a existência de um tipo de partículas não-relativística, massivas, e fracamente interativas (soa familiar?) que domina a composição de matéria do Universo. Mais ainda, ele contabilizou o efeito deste tipo de matéria na formação de estruturas cosmológicas, encontrando previsões para a formação de galáxias e aglomerados de galáxias razoavelmente consistentes com o que era observado.

Dois anos depois, Peebles reintroduziu a constante cosmológica na cosmologia teórica, primeiro no contexto da matéria escura fria e formação de estruturas (Peebles 1984a), e depois no contexto de restrição de modelos cosmológicos (Peebles 1984b). Ele propôs que a constante cosmológica aliviaria o conflito entre a densidade de matéria medida no Universo, e os vínculos que diziam que o Universo é “plano” em grandes escalas. A constante cosmológica representa uma energia intrínseca do espaço em si, e corresponde à explicação mais simples para a energia escura, nossa denominação para o mecanismo desconhecido que explica a expansão acelerada do Universo no presente momento. Ambos os trabalhos formam os componentes chaves do modelo padrão da Cosmologia: matéria escura fria e energia escura.

Concluindo…

Peebles foi um dos primeiros cientistas a aplicar leis da Física para estudar o nosso Universo como um sistema físico que evolui com o tempo. Seus métodos e cálculos forjaram o caminho para a Cosmologia tornar-se um campo de ciência de precisão quantitativa, não mais um campo especulativo, sendo assim testável através de observações. Na verdade, um tema recorrente é que maior parte das ideias de Peebles em Cosmologia precederam dados observacionais que, quando obtidos, confirmaram suas previsões. O jogo entre teoria e observações na Cosmologia física tem sido absurdamente belo, e mudaram para sempre o modo como enxergamos o Universo – visões que ainda estão mudando com a Cosmologia de precisão atual, e com as descobertas que teremos no futuro!