O Universo surgiu há 13,8 bilhões de anos. O que aconteceu nesse momento mais antigo é de intenso interesse para quem tenta entender por que tudo é como é hoje.
"Acho que essa questão do que acontece no início do Universo é profunda", disse David Spergel, presidente da Fundação Simons, uma organização sem fins lucrativos que apoia pesquisas nas fronteiras da matemática e da ciência. "E o que é incrivelmente emocionante para mim é o fato de que podemos fazer observações que podem nos dar insights sobre isso."
Um novo observatório de US$ 110 milhões no deserto do norte do Chile, com US$ 90 milhões financiados pela fundação, poderia descobrir pistas importantes sobre o que aconteceu após o Big Bang, olhando para partículas de luz que viajaram pelo Universo desde quase o início dos tempos.
Os dados poderiam finalmente fornecer uma corroboração convincente para uma ideia fantástica conhecida como inflação cósmica. Ela sustenta que, no primeiro instante de tempo após o nascimento do Universo, o tecido do espaço-tempo acelerou para velocidades muito mais rápidas do que a velocidade da luz.
Alternativamente, as medições do observatório poderiam minar essa hipótese, um pilar na compreensão atual da cosmologia.
O observatório leva o nome da fundação e de seus fundadores: Jim Simons, um bilionário gestor de fundos de hedge e filantropo que faleceu em 10 de maio, e sua esposa, Marilyn, uma economista treinada. Dois dos quatro telescópios começaram a fazer medições em abril, a tempo do 86º aniversário de Simons em 25 de abril.
"Essa era meio que a meta que Jim estabeleceu há muito tempo para a conclusão do projeto", disse Spergel. "E chegamos lá."
Localizado em uma paisagem majestosamente árida a uma altitude de 17 mil pés, o observatório possui três pequenos telescópios com uma semelhança passageira com cones de sorvete e um maior que consiste em uma caixa orientável, algo que se parece com um primo de um droide de "Star Wars".
Os telescópios coletam micro-ondas —comprimentos de onda mais longos do que a luz visível, mas mais curtos do que as ondas de rádio. Dois dos telescópios menores estão coletando dados. O terceiro se juntará em alguns meses, e o quarto, muito maior, começará as operações no próximo ano.
Aproximadamente 60 mil detectores nos quatro telescópios então estudarão um brilho cósmico de micro-ondas que preenche o Universo.
"É um instrumento único", disse Suzanne Staggs, professora de física na Universidade de Princeton e co-diretora do Observatório Simons. "Nós temos tantos detectores."
Durante os primeiros 380 mil anos da infância do Universo, as temperaturas eram tão altas que os átomos de hidrogênio não podiam se formar, e fótons —partículas de luz— ricocheteavam em partículas carregadas, continuamente absorvidas e emitidas. Mas assim que o hidrogênio pôde se formar, os fótons puderam viajar sem impedimentos. Os fótons esfriaram para apenas alguns graus acima do zero absoluto, e seus comprimentos de onda se esticaram para a parte de micro-ondas do espectro.
O fundo cósmico de micro-ondas foi observado pela primeira vez há meio século, um sibilo serendipitoso captado por uma antena em Holmdel, Nova Jersey.
Na década de 1990, um satélite da Nasa, o Explorador Cósmico de Fundo, revelou pequenas ondulações de temperatura dentro das micro-ondas cósmicas —impressões digitais apontando para como era o Universo primitivo. As flutuações refletiam variações na densidade do Universo, e as regiões mais densas mais tarde se coalesceriam em galáxias e estruturas em escalas ainda maiores de superaglomerados de galáxias se alinhando como uma teia cósmica.
O Observatório Simons tem como objetivo extrair ainda mais detalhes —padrões de luz polarizada que os cosmologistas chamam de modos B— nas micro-ondas.
Alan Guth, professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, propôs a ideia da inflação cósmica há 45 anos, em parte para explicar a homogeneidade monótona do Universo. Não importa para que direção você olhe, não importa o quão longe você olhe, tudo no fundo cósmico de micro-ondas parece praticamente o mesmo.
Mas o universo observável é tão grande que não há tempo suficiente para um fóton viajar até igualar as temperaturas em todos os lugares. Mas um estiramento rápido do espaço-tempo —inflação— poderia ter realizado isso, mesmo que tenha terminado quando o Universo tinha menos de um trilionésimo de bilionésimo de bilionésimo de segundo de idade.
Observações cosmológicas atuais se encaixam com a imagem da inflação cósmica, disse Brian Keating, professor de física na Universidade da Califórnia, San Diego, e um dos líderes do projeto.
Mas, Keating acrescentou, "até o momento, não há uma prova definitiva."
A expansão acelerada teria gerado ondas gravitacionais titânicas que teriam sacudido a matéria de uma maneira que teria impresso modos B entre a radiação primordial de micro-ondas."Os modos B, essas ondas de gravidade percolando por todo o cosmos, seriam equivalentes à fumaça da arma", disse Keating.
Para os modos B, os cientistas examinarão uma propriedade da luz conhecida como polarização.
A luz consiste em campos elétricos e magnéticos que oscilam em ângulos retos entre si. Normalmente, esses campos estão orientados em direções aleatórias, mas quando a luz reflete em certas superfícies, os campos podem ser alinhados, ou polarizados.
A polarização da luz pode ser estudada com um filtro, através do qual apenas a parte da luz polarizada em uma direção específica passará. (É assim que os óculos de sol polarizados suprimem o brilho. Quando a luz solar reflete na água, ela se torna polarizada, de forma semelhante à luz no início do Universo que se tornou polarizada.)
Os detectores no observatório consistem, essencialmente, de filtros polarizadores giratórios. Se as micro-ondas estiverem não polarizadas, então o brilho das micro-ondas permanecerá constante. Se estiverem polarizadas, então o brilho aumentará e diminuirá —mais brilhante quando o filtro se alinha com a polarização, mais fraco quando o filtro está em ângulo reto com a polarização.
Repetir essa medição em uma área do céu revelará os padrões de polarizações.
Existem dois tipos de padrões de polarização. Um é chamado de modo E, para elétrico, porque é o análogo dos campos elétricos emanando de uma partícula carregada. Observações anteriores de micro-ondas detectaram modos E nas micro-ondas primordiais, geradas pelas variações na densidade do Universo.
O outro padrão de polarização possui uma característica encontrada em campos magnéticos. Como a física usa a letra B como símbolo para designar campos magnéticos, é conhecido como modo B.
"Eles parecem redemoinhos", disse Spergel.
As ondas gravitacionais teriam sacudido elétrons de forma a gerar pequenos modos B nas micro-ondas cósmicas.
"A detecção, isso será um Prêmio Nobel", disse Gregory Gabadadze, professor de física na Universidade de Nova York e vice-presidente sênior de física na Fundação Simons. "Deixe de lado o Prêmio Nobel. Uma descoberta de tal magnitude, quem se importa com que prêmio você dá a isso?"
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