A sombra do Big Bang: como dois caras descobriram acidentalmente os ecos do universo

Fundo de micro-ondas cósmico do telescópio WMAP

A radiação cósmica de fundo, representada aqui a partir de nove anos de dados do telescópio WMAP da NASA, foi a chave para provar a validade da teoria do Big Bang. (Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team)

Paul Sutter é astrofísico em The Ohio State University e o cientista-chefe da COSI Science Center . Sutter também é anfitrião de Pergunte a um astronauta , RealSpace , e COSI Science Now .

Não é sempre que você pode ser promovido, elogiado e até mesmo premiado por falhando em fazer seu trabalho . Normalmente, é exatamente o oposto. Então, como exatamente Arno Penzias e Robert Wilson - dois quem-diabos-são-aqueles-caras da Bell Labs nos anos 1960 - ganharam uma viagem grátis para Estocolmo e uma brilhante medalha de ouro do Nobel?



Os contendores cósmicos

Primeiro, uma pequena configuração. Na época, a teoria do Big Bang não era o modelo campeão universal poderoso para explicar o fim de tudo e tudo no cosmos que é hoje. Longe disso: embora fosse um forte candidato ao título, tinha alguns rivais poderosos, especialmente a teoria do estado estacionário.

Veja, Edwin Hubble apontou corretamente dois fatos fantásticos sobre o nosso universo: é muito, muito, muito grande e parece estar ficando cada vez maior. Ou, pelo menos, parece que cada galáxia está se distanciando de todas as outras galáxias (em média, é claro, sem contar algumas fusões aqui e ali). Vivemos em um grande universo em expansão. [O Universo: Big Bang até agora em 10 etapas fáceis]

Com esse conhecimento alucinante, os teóricos se apressaram em apresentar explicações. Nos dias agitados dos anos 20 e 30, surgiram dois modelos. Em um canto: The Big Bang (embora não tenha recebido esse nome legal até mais tarde), que postulava que o universo costumava ser pequeno, quente e muito denso, e com o tempo foi suavizando para se tornar o personagem maduro e sóbrio que nós conhecer e amar hoje. Foi uma ideia muito simples e muito popular.

No canto oposto: Steady State, fortemente promovido pelo astrônomo Fred Hoyle porque - bem, talvez ele só quisesse mantê-lo no sistema. Nessa visão, o universo é praticamente o mesmo em todo o espaço e em todo o tempo. A matéria é gerada continuamente e então empurrada para fora em um ciclo cósmico sem fim. (Saiba mais sobre o modelo de estado estacionário em o vídeo abaixo .)

A batalha continua

Por algumas décadas, essas duas teorias não mudaram. O Big Bang tinha algumas pequenas vantagens quando se tratava de observações do mundo real, mas não conseguia explicar tudo. Na época, a cosmologia (o estudo de todo o universo como um todo) nem era realmente sua própria disciplina científica; era apenas um passatempo secundário para astrônomos razoáveis. As pessoas estavam muito mais interessadas em física nuclear solar e anãs brancas e outras coisas legais.

Sem muito poder cerebral adicional ou tempo de telescópio, simplesmente não havia dados suficientes para influenciar nossa compreensão do Big Bang ou do estado estacionário de forma conclusiva.

Mas alguns físicos começaram a fazer algumas previsões interessantes sobre a teoria do Big Bang. Se o universo era quente e denso há muito tempo, então deve ter sido um plasma: um estado da matéria em que todos os elétrons são arrancados de seus núcleos e nadam livremente.

Mas em algum ponto naquele estado inicial, o universo deve ter esfriado a ponto de que átomos estáveis ​​pudessem se formar. Em vez de serem arrancados violentamente por um pouco de luz de alta energia, os elétrons poderiam se aninhar com segurança ao lado dos prótons e formar o primeiro hidrogênio.

O universo passou de 'ensopado' a 'sopa', e a luz podia viajar livremente. Na época, a luz era incandescente, mas ao longo das eras essa luz primordial seria diluída e esticada pela expansão do universo. (Eu descrevo o efeito em esse vídeo .)

Essa luz ainda deve permear o universo hoje, resfriada de sua infância indisciplinada para apenas alguns graus calmos e coletados acima do zero absoluto - colocando-a na faixa de microondas.

'Hmmmm', raciocinaram esses físicos, 'devemos ser capazes de ... você sabe, ver isso. Talvez devêssemos construir um detector de micro-ondas ou algo assim? '

A partida final

A radiação Cosmic Microwave Background (CMB) nos diz a idade e a composição do universo e levanta novas questões que devem ser respondidas. Veja como funciona o Cosmic Microwave Background e pode ser detectado aqui.

A radiação Cosmic Microwave Background (CMB) nos diz a idade e a composição do universo e levanta novas questões que devem ser respondidas. Veja como funciona o Cosmic Microwave Background e pode ser detectado aqui.(Crédito da imagem: Karl Tate, artista de infográficos do SPACE.com)

Digite alguns curingas do Bell Labs. Depois de construir com sucesso um novo detector de micro-ondas sofisticado - sem o conhecimento da maioria dos outros cientistas - Penzias e Wilson tiveram um problema. Não importava o que acontecesse, eles não conseguiam se livrar de um chiado constante de fundo.

Apontar para uma parte diferente do céu? Não, ainda está lá.

Espere algumas semanas? Não, ainda está lá.

Perguntar à base do exército próxima se eles estavam fazendo algo sofisticado? Não, ainda está lá.

Raspar todo o cocô de pombo? Não, ainda está lá.

Eles tinham um trabalho - fazer com que a maldita antena funcionasse direito - e eles não podiam fazer isso. Não importa o que acontecesse, o céu parecia estar cheio de radiação de microondas, apenas alguns graus Kelvin acima do zero absoluto. Um fundo cósmico de micro-ondas, se preferir.

Eles acabaram se envolvendo com os físicos que estudavam o universo primitivo, e os dois grupos chegaram à mesma conclusão: o sinal errôneo que estavam detectando pode ser possivelmente a luz restante do universo primitivo.

Mas quem ganhou o grande prêmio? Os cientistas que trabalharam durante décadas para prever o sinal e começaram a investigar como detectá-lo - ou os dois caras aleatórios do Bell Labs?

Um passado diferente

Apesar de quem ficou com a glória, foi uma grande vitória para o Big Bang. O modelo de estado estacionário - com sua suposição de que o universo é imutável por toda a eternidade - simplesmente não poderia explicar a radiação cósmica de fundo. Todas as outras explicações para a radiação também não funcionaram: o modelo do Big Bang previu uma onda fria e fantasticamente uniforme de micro-ondas no céu, e foi exatamente isso que Penzias e Wilson descobriram acidentalmente. Tudo o mais no universo é muito irregular para tornar algo tão suave. [ Imagens: Peering Back to the Big Bang & Early Universe ]

A descoberta da radiação cósmica de fundo causou ondas de entusiasmo na comunidade científica. A cosmologia tornou-se uma disciplina científica completa. O universo era diferente no passado e será diferente no futuro. Tornou-se experimentalmente claro que as coisas mudam - em escalas muito maiores - com o tempo.

E a teoria do Big Bang teve sua primeira grande evidência. Isso é o que mais importa: se você deseja influenciar uma comunidade científica cética, pode começar e terminar com as evidências. Antes de 1964, não tínhamos razão para acreditar na teoria do Big Bang. Mas o próprio universo, em um sussurro sutil de microondas, está nos dizendo que devemos fazer isso.

Saiba mais ouvindo o episódio ' Qual é o fundo da micro-ondas cósmico? 'no podcast Ask A Spaceman, disponível em iTunes e na web em http://www.askaspaceman.com . Agradecimentos a Arlington T., Jeffrey B., Edward J., Jason A., Ernie J., Rea N., Chris L. e Randy B. pelas perguntas que levaram a este artigo! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter . Siga-nos @Spacedotcom , Facebook e Google+ . Artigo original em Space.com .