O que aconteceu no primeiro trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o Big Bang?

Detectores de micro-ondas super-sensíveis, construídos no National Institute of Standards and Technology (NIST), podem ajudar os cientistas a descobrir em breve.

Os novos sensores, descritos hoje no encontro da Sociedade Americana de Física (Ameri­can Physical Society = APS) em Denver, foram fabricados para uma experiência potencial­mente revolucionária – a Busca pelo Modo-B em Atacama, Atacama B-mode Search (ABS) – realizada por uma colaboração que envolve o NIST, a Universidade de Princeton, a Univer­sidade do Colorado em Boulder e a Universidade de Chicago.

Embora o NIST seja mais conhecido por suas medições na Terra, um projeto já antigo que funciona no campus de Boulder desempenha um papel de relevo no estudo do Fundo Cós­mico de Micro-ondas (cosmic microwave background = CMB) — o apagado resquício da lu­minosidade do Big Bang que ainda permeia o universo. Esse projeto construiu anteriormen­te amplificadores super-condutivos e câmeras para experiências com o CMB no Polo Sul, em observatórios a bordo de balões, e no Planalto de Atacama no
Chile.

A nova experiência vai começar em aproximadamente um ano no deserto chileno e consisti­rá da colocação de um grande dispositivo de sensores do NIST em um telescópio montado em um contêiner de carga adaptado.

Os detectores vão procurar por pequenas “impressões digitais” sutís no CMB, causados por ondas gravitacionais primevas — ondulações na tessitura do espaço-tempo nascidas do par­to violento do universo, há mais de 13 bilhões de anos. Acredita-se que essas ondas te­­nham deixado uma marca, tênue porém inconfundível, na direção do campo elétrico do CMB, chamadas de “polarização modo-B”. Essas ondas — cuja existência jamais foi con­firmada por meio de medições — ainda são potencialmente detectáveis, contanto que se empregue equipamento suficientemente sensível.

“Este é um dos grandes desafios de medição que confrontam a comunidade científica nos próximos 20 anos e também um dos mais excitantes”, disse Kent Irwin, o físico do NIST en­carregado do projeto.

Caso descobertas, essas ondas seriam o indício mais claro já encontrado em apoio à “teo­ria da inflação”, que propõe que todo o universo atualmente observável se expandiu rapida­mente a partir de um volume subatômico, deixando um rastro de ondas gravitacionais no fun­do cósmico de micro-ondas.

“A polarização em modo-B é a mais significativa peça de indícios a ser observada em todos os tempos”, declarou Ki Won Yoon,  pós-graduado do NIST, encarregado de apresentar o projeto na reunião da APS. “A detecção de ondas gravitacionais primordiais através da pola­rização do CMB seria um enorme passo para colocar a teoria da inflação sobre bases sóli­das”.

Os dados também podem dar aos cientistas novas perspectivas sobre diferentes modelos de teoria das cordas para o universo e outras teorias “unificadas” da física.

Esse tipo de experiência só pode ser realizado se estudarmos o universo como um todo, já que as partículas e os campos eletromagnéticos, no início da era inflacionária, eram apro­ximadamente 10 bilhões de vezes mais quentes do que as energias alcançáveis pelo mais poderoso colisor de partículas existente na Terra. Nessa escala de energia, é previsto que as forças fundamentais, atualmente identificadas como coisas distintas, se unifiquem.

Irwin disse: “O universo é um laboratório de física: se olharmos para longe, na verdade esta­remos olhando para trás no tempo, podendo observar interações que aconteceram em ní­veis de energias que estão para sempre fora do alcance das experiências terrestres”.

Estudos recentes sobre o CMB vinham se focalizando na medição de ligeiras variações es­paciais na temperatura ou na energia existentes cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Esses padrões de radiação permitem aos cientistas caracterizar as primeiras distribuições de matéria e energia que evoluíram para formar as estrelas e galáxias que vemos hoje.

Comparando as medições realizadas às previsões feitas pelas várias teorias, os cientistas tornam cada vez mais precisa a história do universo, por exemplo, estreitando sua possível idade (hoje estimada em 13,7 bilhões de anos).

Em contraste, os novos detectores do NIST são projetados para medir não só a temperatu­ra, mas também a polarização. Os sinais da polarização em modo-B podem ser mais de um milhão de vezes mais tênues do que os sinais da temperatura.

Para conseguir detectar padrões tão sutís, os detectores do NIST vão coletar significativas quantidades de radiação de modo eficiente e não terão partes móveis e outras fontes tradi­cionais de erros sistemáticos, tais como vibrações e interferência magnética, segundo Irwin. Além disso, serão necessários um avançado sistema de processamento de sinais e contro­le de erros.

Os novos sensores são protótipos para dispositivos polarímetros do NIST que aumentarão grandemente a sensibilidade de experiências futuras, com a construção de milhares de de­tectores em unidades monolíticas que podem ser instalados em câmeras de telescópio crio­gênicas. Os novos detectores do NIST também podem ter aplicações mais domésticas, tais como a redução do clarão em sistemas de imageamento da faixa dos terahertz para a de­tec­ção de armas e outros contrabandos.