título do resumo

ANISOTROPIAS DA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO
Renan Alves de Oliveira (Bolsista IC/UEL), Thiago dos Santos Pereira, e-mail:
[email protected]
Universidade Estadual de Londrina/Departamento de Física/CCE.
Área e sub-área do conhecimento: Astronomia/Astrofísica Extragaláctica.
Palavras-chave: Radiação Cósmica de Fundo; Espectro de Potências;
Anisotropias.
Resumo
Será apresentado neste trabalho de forma qualitativa as variáveis para se obter
o espectro de potências observado, no qual se ajusta ao modelo cosmológico
padrão (ΛCDM). A partir do estudo das flutuações intrínsecas de temperatura
da Radiação Cósmica de Fundo, é possível extrair informações relacionadas a
quantidade percentual dos constituintes do universo, a curvatura espacial,
idade do universo, dentre outras características.
Introdução
A Radiação Cósmica de Fundo (RCF) carrega boa parte da informação
relacionada ao universo primordial. Essa radiação térmica foi descoberta em
1964 pelos radio astrônomos Arno Penzias e Robert Wilson (PENZIAS,
WILSON, 1965). É possível medir três propriedades deste tipo de radiação:
frequência, temperatura e os modos de polarização. O foco deste trabalho está
na temperatura. Antes de começarmos a trabalhar com a informação de
temperatura obtida, faremos um breve comentário a respeito ao que foi obtido
no espectro de frequência. Os resultados do experimento WMAP apontaram
que a RCF se comporta como um corpo negro e a sua temperatura média é
2,72548 ± 0,00057K para altas frequências (FIXSEN, 2009). Porém essa é a
temperatura medida hoje (aproximadamente 14 bilhões de anos após o Big
Bang). Espera-se que no universo primordial esta temperatura fosse muito
maior. Entretanto, muito das propriedades primordiais do universo são
extraídas medindo a temperatura da RCF em diversas posições do espaço. Ao
medir a temperatura da RCF, notou-se a existência de flutuações intrínsecas
da ordem de 10-5K. Todas as propriedades relacionadas a homogeneidade e
isotropia do universo são extraídas analisando essas flutuações de temperatura
que também são chamadas de anisotropias (DODELSON, 2003). Além disso,
estudando-se as anisotropias é possível estimar por exemplo a idade do
1
universo, a constante de Hubble, as densidades de bárions, matéria escura e
energia escura, o índice espectral, a época da re-ionização e a curvatura do
universo.
Fundamentação Teórica
Para se medir a temperatura em todas as direções, foram lançados diversos
satélites onde o mais recente e mais preciso foi o satélite Planck. A imagem
abaixo mostra as anisotropias da RCF que foram obtidas.
Figura 1 - Anisotropias da Radiação Cósmica de Fundo.
Fonte: Agência Espacial Europeia/Colaboração Planck.
Na Figura 1 foram retiradas as possíveis contaminações de temperatura
oriundas da vizinhança do sistema solar e da Via Láctea fazendo com que a
figura acima mostre somente as anisotropias intrínsecas que são ordem de µK.
Estas flutuações são expandidas em uma esfera utilizando os harmônicos
esféricos. Fazendo a correlação de temperatura para dois ângulos ou pontos
distintos no espaço, é possível definir o Espectro de Potências (CL). Como as
flutuações de temperatura são gaussianas, os coeficientes da expansão
dessas flutuações (aLM) tem média nula para l’s iguais e a função de correlação
para l’s diferentes é CLδLL’δMM’=<aLMa*L’M’>. Portanto, devido a essa
gaussianidade, toda a informação relacionada as anisotropias estão contidas
nos coeficientes de CL. O espectro de potências que foi obtido pelo
experimento Planck (ADE et al., 2014) está mostrado na Figura 2.
O modelo utilizado que se ajusta com os dados observados (pontos com
as barras de erro) foi o ΛCDM ou Lambda Cold Dark Mater (linha contínua).
Este modelo leva em conta que o universo está se expandindo rapidamente e
dominado por energia escura. Para que o modelo se ajuste com o observado, é
2
necessário fazer uma suposição do que constituí o universo: átomos ou matéria
bariônica, matéria escura e energia escura. A partir disso, determina-se
também a curvatura do universo. Leva-se também em conta o valor atual do
parâmetro de Hubble, o índice espectral, e o desvio para o vermelho (redshift)
da re-ionização.
Analisando o redshift de galáxias e supernovas (TONRY et al., 2003)
juntamente com o espectro de potências observado (SPERGEL et al., 2003;
ADE et al., 2013) é determinado os constituintes do universo tais como os
átomos, a matéria escura e a energia escura. Assim, sabe-se que o universo é
composto majoritariamente de energia escura 74%, matéria escura 22% e
apenas 4% de matéria bariônica. O fato de que o universo está se expandindo
aceleradamente (RIESS et al., 1998) é explicado pela presença da energia
escura. Os valores da constante de Hubble e da idade do universo são
calculados baseados nas porcentagens dos constituintes do universo.
O índice espectral relaciona a frequência com a densidade de fluxo
radiado que de maneira geral é uma forma da medida da intensidade do sinal
de radiação. No caso da RCF, o índice espectral é 0,95 (ADE et al., 2013).
A re-ionização foi a época na qual o universo se tornou “luminoso”, ou
seja, foi o período em que as primeiras fontes de radiação luminosa surgiram.
Essas fontes são por exemplo as estrelas e galáxias.
Portanto, observando os parâmetros mencionados acima, é possível
obter o mesmo espectro de potências que foi obtido pelo Planck e por outros
satélites.
Figura 2 - Flutuações de Temperatura da RCF.
Fonte: Agência Espacial Europeia/Colaboração Planck.
3
Conclusões
Neste trabalho foram apresentados os principais parâmetros que são utilizados
no modelo ΛCDM. Assim, fazendo a observação de redshifts de galáxias e
supernovas é possível determinar diferentes quantidades tais como a
porcentagem de átomos, matéria e energia escura afim de se obter o espectro
de potências observados por diversos satélites tais como o Planck e o WMAP.
Referências
PENZIAS, A. A.; WILSON, R. W. A Measurement of Excess Antenna
Temperature at 4080 Mc/s. The Astrophysical Journal, v. 142, p. 419–421,
1965.
FIXSEN, D. The temperature of the cosmic microwave background. The
Astrophysical Journal, v. 707, n. 2, p. 916, 2009.
DODELSON, S. Modern cosmology. [s.l.] Academic press, 2003.
ADE, P. et al. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results.
Astronomy & Astrophysics, v. 571, p. A1, 2014.
TONRY, J. L. et al. Cosmological results from high-z supernovae. The
Astrophysical Journal, v. 594, n. 1, p. 1, 2003.
SPERGEL, D. N. et al. First-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
(WMAP) observations: determination of cosmological parameters. The
Astrophysical Journal Supplement Series, v. 148, n. 1, p. 175, 2003.
RIESS, A. G. et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating
universe and a cosmological constant. The Astronomical Journal, v. 116, n. 3,
p. 1009, 1998.
4