Oscilações acústicas de barións

Como investigar energia escura, observando luz “invisível” e usando uma “régua estatística”?

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Tudo o que conhecemos (vocẽ também) está contido no triângulo amarelo!

É de alguma forma confrangedor o facto deo Universo ser maioritariamente constituído por algo que conhecemos muito pouco. Na verdade, 68% “do tudo” é feito de “energia escura”, 27% “do tudo” é feito de “matéria escura”, os 5% restantes constituindo aquilo que podemos observar e detectar directamente, a chamada matéria “normal” (bariônica).

A investigação de BAO tem como objetivo principal tentar restringir as propriedades da energia escura, de forma a se avançar no conhecimento de sua natureza. O objetivo do BINGO é fazê-lo através da emissão de rádio do hidrogênio atômico.

Oscilações acústicas de barións

Logo após o Big Bang, o Universo era constituído por uma espécie de sopa de partículas, onde a matéria e a luz estavam acopladas (ou seja, em equilíbrio térmico).

O Universo não era 100% homogêneo, e as pequenas inomogeneidades locais favoreceram o aparecimento de regiões mais densas, onde a matéria foi sendo acretada via a gravidade. À medida que a matéria é puxada, esta também é aquecida, e no processo radiação é emitida.

Num palco em que a gravidade e a força de pressão da radiação emergente medem “forças”, resulta um “puxar-para dentro” e “puxar-para fora” que provoca oscilações na matéria e, a partir dessas oscilações, uma onda mecânica é criada e se propaga, tal como uma onda sonora.

De seguida o movimento de uma gota de água quando cai dentro de uma região mais extensa de água, onde é possível ver a criação de uma onda mecânica, sendo esta uma possível visualização do processo anteriormente descrito:

a Régua

No caso do Universo primordial, as ondas sonoras arrastaram consigo bárions e fótons. A matéria escura, porque apenas interage através da gravidade, terá permanecido nas imediações do centro da onda sonora, correspondente à região de maior densidade.

Do topo (1) O Universo é um plasma em expansão composto por matéria barionica, matéria escura e luz, existindo pequenas inomogeneidades em termos de densidade de matéria (pontos mais brilhantes) (2) processos físicos nas regiões de maior densidade estimulam a produção de ondas que arrastam consigo os bárions e fótons (3) que viajam juntos até o momento da dissociação matéria-radiação, a partir do qual os fótons podem escapar (4) pelo contrário, a matéria permanece no local onde se dá o desacoplamento (5) ao longo de todo este tempo a matéria escura permaneceu no centro das inomogeneidades. Crédito: Imagens adaptadas da simulação de Martin White, http://newscenter.lbl.gov/2009/10/27/evolving-search-2.

Os bárions e fótons terão progredido com a onda sonora até o momento do seu desacoplamento, quando o Universo arrefeceu o suficiente e os fótons puderam escapar. Após o desacoplamento a maior parte da matéria (bariões) permaneceu a essa distância do centro da onda sonora, se formando uma espécie de anéis de excesso de densidade de matéria.

As anteriores regiões foram as sementes para a construção de estruturas maiores, isto é galáxias e enxames de galáxias. Existe assim uma espécie de raio “primordial” que está patente na distribuição da matéria em larga escala (note que a distribuição central da matéria escura, também podera ter actuado como atractor na construção de estruturas a larga escala).

 

 Simulações 2D da evolução de  perturbações de densidade. No topo uma única perturbação propaga-se pelo espaço, em baixo a mesma perturbação tem origem em vários locais. http://galaxies-cosmology-2015.wikidot.com/baryon-acoustic-oscillations.

Considerando que este processo não é único, mas que terão existindo múltiplos, cada um com pequenas diferenças, o “raio primordial” não é uma quantidade perfeitamente determinada e única mas sim uma medida estatística.

E essa é a nossa “régua cosmológica”, por vezes também conhecida por “horizonte de som”.

Crédito: Chris Blake e Sam Moorfield
De fato, as oscilações acústicas estão impressas na radiação de fundo cósmico (CMB), a escala determinada pela distância percorrida nos 380 000 anos após o Big Bang, na era da recombinação e patente na distribuição de matéria desde então. Recentemente, a missão Planck determinou que essa escala é 147,4 +/- 0,6 Mpc com base em medidas CMB.

“Réguas” e energia escura

https://www.nap.edu/jhp/oneuniverse/linked_motion_10-11.ht

Num Universo que está em expansão, a distância angular entre dois pontos muda, e da mesma forma o tamanho da BAO. Simplificando muito, uma imagem a que se recorre frequentemente é a de um balão a ser enchido: distância entre dois pontos na superfície do balão vai aumentando.

Ao investigar a variação do tamanho das BAO ao longo do tempo, pode-se inferir a taxa de expansão do Universo e, assim, restringir as propriedades da energia escura.

Credit: Eric Huff, the SDSS-III team, and the South Pole Telescope team. Graphic by Zosia Rostomian

Na prática, isso pode ser obtido pela comparação do raio das BAO de hoje investigando a distribuição de matéria em larga escala, com o raio “inicial” das BAO, isto é no momento do desacoplamento da matéria com a radiação, através dos dados observacionais da radiação cósmica de fundo, vulgo CMB.