Descoberta da radiação cósmica de fundo em microondas - Discovery of cosmic microwave background radiation
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| Cosmologia física |
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A descoberta da radiação cósmica de fundo em microondas constitui um grande desenvolvimento na cosmologia física moderna . Em 1964, o físico americano Arno Allan Penzias e o radioastrônomo Robert Woodrow Wilson descobriram o CMB, estimando sua temperatura em 3,5 K, enquanto faziam experiências com a Antena Holmdel Horn . As novas medições foram aceitas como evidência importante para um universo inicial quente ( teoria do big bang ) e como evidência contra a teoria do estado estacionário rival , já que o trabalho teórico por volta de 1950 mostrou a necessidade de um CMB para consistência com os modelos relativísticos mais simples do universo . Em 1978, Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física por sua medição conjunta. Houve uma medição anterior da radiação cósmica de fundo ( CMB ) por Andrew McKellar em 1941 a uma temperatura efetiva de 2,3 K usando linhas de absorção estelar CN observadas por WS Adams. Embora nenhuma referência ao CMB seja feita por McKellar, não foi até muito mais tarde, após as medições de Penzias e Wilson, que o significado dessa medição foi compreendido.
História
Em meados do século 20, os cosmologistas desenvolveram duas teorias diferentes para explicar a criação do universo. Alguns apoiaram a teoria do estado estacionário , que afirma que o universo sempre existiu e continuará a sobreviver sem mudanças perceptíveis. Outros acreditavam na teoria do Big Bang , que afirma que o universo foi criado em um evento semelhante a uma explosão massiva bilhões de anos atrás ( mais tarde determinado em aproximadamente 13,8 bilhões de anos ).
Em 1941, Andrew McKellar usou observações espectroscópicas de linhas de absorção CN de WS Adams no espectro de uma estrela do tipo B para medir uma temperatura de fundo de corpo negro de 2,3 K. McKellar se referiu à sua detecção como uma "temperatura 'rotacional' de moléculas interestelares", sem referência a uma interpretação cosmológica, afirmando que a temperatura "terá seu próprio, talvez limitado, significado".
Mais de duas décadas depois, trabalhando no Bell Labs em Holmdel, New Jersey , em 1964, Arno Penzias e Robert Wilson estavam fazendo experiências com uma antena tipo chifre supersensível de 6 metros (20 pés) originalmente construída para detectar ondas de rádio ricocheteando em satélites de balão Echo . Para medir essas ondas de rádio fracas, eles tiveram que eliminar todas as interferências reconhecíveis de seu receptor. Eles removeram os efeitos do radar e da transmissão de rádio e suprimiram a interferência do calor no próprio receptor, resfriando-o com hélio líquido a -269 ° C, apenas 4 K acima do zero absoluto .
Quando Penzias e Wilson reduziram seus dados, eles encontraram um ruído baixo, constante e misterioso que persistia em seu receptor. Esse ruído residual foi 100 vezes mais intenso do que eles esperavam, espalhou-se uniformemente pelo céu e esteve presente dia e noite. Eles estavam certos de que a radiação que detectaram em um comprimento de onda de 7,35 centímetros não vinha da Terra , do Sol ou de nossa galáxia . Depois de verificar minuciosamente o equipamento, retirar alguns pombos que se aninhavam na antena e limpar os excrementos acumulados , o ruído permaneceu. Ambos concluíram que esse ruído vinha de fora de nossa galáxia - embora não soubessem de nenhuma fonte de rádio que pudesse ser responsável por isso.
Ao mesmo tempo, Robert H. Dicke , Jim Peebles e David Wilkinson , astrofísicos da Universidade de Princeton, a apenas 60 km de distância, estavam se preparando para pesquisar radiação de microondas nesta região do espectro. Dicke e seus colegas raciocinaram que o Big Bang deve ter espalhado não apenas a matéria que se condensou em galáxias. mas também deve ter liberado uma tremenda explosão de radiação. Com a instrumentação adequada, essa radiação deve ser detectável, embora como microondas, devido a um redshift maciço .
Quando seu amigo Bernard F. Burke , professor de física do MIT , contou a Penzias sobre um artigo pré-impresso que ele havia visto por Jim Peebles sobre a possibilidade de encontrar radiação remanescente de uma explosão que encheu o universo no início de sua existência, Penzias e Wilson começou a perceber o significado do que eles acreditavam ser uma nova descoberta. As características da radiação detectada por Penzias e Wilson se encaixam exatamente na radiação prevista por Robert H. Dicke e seus colegas da Universidade de Princeton. Penzias ligou para Dicke em Princeton, que imediatamente lhe enviou uma cópia do artigo de Peebles ainda não publicado. Penzias leu o jornal e ligou para Dicke novamente e o convidou para ir ao Bell Labs para olhar a antena de chifre e ouvir o ruído de fundo. Dicke, Peebles, Wilkinson e PG Roll interpretaram essa radiação como uma assinatura do Big Bang.
Para evitar potenciais conflitos, eles decidiram publicar seus resultados em conjunto. Duas notas foram enviadas para o Astrophysical Journal Letters . No primeiro, Dicke e seus associados delinearam a importância da radiação cósmica de fundo como fundamentação da Teoria do Big Bang. Em uma segunda nota, assinada conjuntamente por Penzias e Wilson, intitulada "Uma medição do excesso de temperatura da antena em 4.080 megaciclos por segundo", eles relataram a existência de um ruído de fundo residual de 3,5 K, remanescente após contabilizar um componente de absorção do céu de 2,3 K e um componente instrumental de 0,9 K, e atribuiu uma "explicação possível" como a dada por Dicke em sua carta acompanhante.
Em 1978, Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física por sua detecção de articulações. Eles dividiram o prêmio com Pyotr Kapitsa , que o ganhou por trabalhos não relacionados. Em 2019, Jim Peebles também recebeu o Prêmio Nobel de Física, “por descobertas teóricas em cosmologia física”.
Bibliografia
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Referências
links externos
- " Antena de chifre de astronomia e astrofísica. ". Serviço Nacional de Parques, Departamento do Interior.