O mapa mais antigo do cosmos apresenta rugas invisíveis causadas pela gravidade: o Efeito Sachs-Wolfe
O Fundo Cósmico de Microondas conserva sinais de variações gravitacionais minúsculas, as sementes que moldaram a matéria, a luz primordial e a estrutura do Universo tal como o observamos hoje em dia.
O Universo tal como o conhecemos, repleto de galáxias, aglomerados e enormes filamentos de matéria, é assim graças a diferenças quase impercetíveis, pequenas variações gravitacionais que marcaram as regiões onde a matéria começaria a aglomerar-se.
Não eram estruturas já formadas, mas sim de ligeiras irregularidades na distribuição da energia e da matéria. Em alguns locais, a gravidade era apenas um pouco mais intensa; noutros, um pouco mais fraca, e essa diferença inicial bastou para deixar uma marca que hoje podemos medir até mesmo com um televisor velho.
Essa radiação chega até nós arrefecida pela expansão cósmica, com uma temperatura média de 2,7 kelvin (cerca de -270,45 °C). No entanto, não é uniforme; existem variações minúsculas de temperatura que nos revelam como a gravidade, a radiação e a matéria interagiam naquele Universo primitivo.
Compreender essas "manchas" permite-nos reconstruir as condições iniciais após o Big Bang, pois revelam-nos as sementes que tornariam possível a formação das galáxias. Nessas flutuações permanece codificada a história da arquitetura cósmica.
O plasma primordial e as primeiras oscilações
Durante as primeiras centenas de milhares de anos, o Universo estava repleto de um plasma no qual a luz (fotões) colidia com as partículas carregadas (protões e eletrões), enquanto a gravidade tentava concentrar a matéria em regiões onde a gravidade era mais intensa.
A pressão de radiação opunha-se a esse colapso, numa dança em que a gravidade comprimia o plasma e a radiação empurrava para fora, gerando oscilações ou ondas de pressão (como o som). Na cosmologia, estas flutuações são conhecidas como oscilações acústicas bárionicas.
Mas não se tratava de som no sentido comum, pois não se propagavam pelo ar, mas sim por uma mistura quente de matéria e radiação, na qual cada região podia estar comprimida ou rarefeita no momento em que os fotões deixavam de interagir com as cargas elétricas.
Quando se formaram os primeiros átomos neutros, a luz ficou desacoplada da matéria. Nessa última dispersão, foi gerada uma imagem do plasma. As diferenças de temperatura do CMB foram registadas e, com elas, o rasto das oscilações em cada região observável do céu.
Decifrando a gravidade através da temperatura
Uma parte central do sinal provém do efeito Sachs-Wolfe, no qual os fotões que saem do poço gravitacional perdem energia ao escapar, pelo que são observados ligeiramente mais frios, o que se traduz em diferenças de temperatura.
No entanto, a relação não é direta em todos os casos, uma vez que uma zona mais densa poderia também estar mais comprimida e quente, o que alteraria o sinal final. O CMB combina a perda de energia com o estado térmico e dinâmico do plasma original.
Em escalas muito grandes, onde as oscilações acústicas mal tiveram tempo de se desenvolver, as variações de temperatura refletem as diferenças iniciais, o que as torna especialmente valiosas para estudar as condições iniciais do Universo.
Em escalas menores, surgem os picos acústicos do espectro do CMB, nos quais a sua posição e amplitude indicam como o plasma vibrava, quanta matéria comum existia, quanta matéria escura participava na gravidade e qual era a geometria global do espaço durante a infância cósmica.
Uma pegada que continua a revelar a estrutura do cosmos
Além disso, o CMB foi-se alterando à medida que os fotões viajavam na nossa direção, ao atravessarem aglomerados de galáxias, vazios cósmicos e regiões onde o potencial gravitacional mudou ao longo do tempo, o que acrescentou sinais secundários.
É o que se conhece como o efeito Sachs-Wolfe integrado, que explica o ganho ou a perda de energia de um fotão ao atravessar uma região gravitacional variável. Este sinal ajuda a estudar a expansão acelerada e a influência cosmológica da energia escura atual.
Além disso, a gravidade das estruturas intermédias desvia ligeiramente a trajetória dos fotões, funcionando como uma lente gravitacional que não apaga o sinal original, mas sim o distorce de forma mensurável, permitindo mapear a distribuição da matéria "invisível".
É por isso que o CMB é muito mais do que uma imagem antiga: é um registo físico de como as primeiras variações moldaram a luz primordial e prepararam o terreno para as galáxias, bem como para a estrutura cósmica que conhecemos.