Tecnologia da NASA observa o nascimento do Universo

O telescópio BICEP2, no polo sul, utilizou um conjunto especial de detectores supercondutores para capturar a luz polarizada de bilhões de anos atrás. O conjunto de detectores é mostrado aqui, sob um microscópio. Técnicas chamadas de microlitografia e micro usinagem foram utilizadas para fabricar os dispositivos. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Os astrônomos anunciaram ontem, dia 17 de março de 2014, que conseguiram a primeira evidência direta de que ondas gravitacionais percorreram o nosso Universo ainda jovem, durante um período de crescimento explosivo chamado inflação. 

Esta é uma confirmação mais forte ainda de teorias de inflação cósmica, que dizem que o Universo se expandiu 100 trilhões de trilhões de vezes em menos de um piscar de olhos. 

As descobertas foram feitas com a ajuda da tecnologia de um detector desenvolvido pela NASA no telescópio BICEP2 no polo sul, em colaboração com a Fundação Nacional de Ciência. 

“Operar os últimos detectores em experiências terrestres ou transmissões por balão, nos permitiu amadurecer estas tecnologias para missões espaciais e, nesse processo, fazer descobertas sobre o Universo”, disse Paul Hertz, diretor da Divisão de Astrofísica da NASA, em Washington. 

Nosso Universo surgiu em um evento conhecido como Big Bang à cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. Momentos depois, o próprio espaço dilacerado ampliou-se exponencialmente em um episódio conhecido como inflação. 

Os sinais indicadores deste capítulo no início da história do nosso Universo estão impressos nos céus, no brilho de uma relíquia chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas. 

Recentemente, esta teoria básica do Universo foi novamente confirmada pelo satélite Planck, uma missão da Agência Espacial Europeia para a qual a NASA forneceu detectores e uma tecnologia de resfriamento. 

Mas os pesquisadores há muito tempo procuravam por evidências mais diretas para a inflação sob a forma de ondas gravitacionais, que espremem e esticam o espaço. 

“Pequenas flutuações quânticas foram amplificadas para tamanhos enormes pela expansão inflacionária do Universo”. 

Esta imagem mostra um dos detectores da NASA do projeto BICEP2, desenvolvido em colaboração com a Fundação Nacional de Ciência. Os sensores foram utilizados para fazer a primeira detecção de ondas gravitacionais na antiga radiação cósmica de fundo em micro-ondas do início do Universo. Crédito: NASA/JPL-Caltech

“Sabemos que isso produz outro tipo de ondas chamadas ondas de densidade, mas queríamos testar se as ondas gravitacionais eram produzidas também”, disse o co-líder do projeto Jamie Bock, do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL, na sigla em inglês) da NASA, em Pasadena, Califórnia, que desenvolveu a tecnologia do detector de BICEP2. 

Bock tem um compromisso em conjunto com o Instituto de Tecnologia da Califórnia, também em Pasadena. As ondas gravitacionais produziam um padrão com características de um turbilhão em luz polarizada, chamada polarização “modo B”. 

A luz pode tornar-se polarizada pela dispersão nas superfícies, tais como um carro ou uma lagoa. Óculos polarizados rejeitam a luz polarizada para reduzir o brilho. 

No caso da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz espalha partículas chamadas de elétrons para tornar-se ligeiramente polarizada. 

A equipe da BICEP2 assumiu o desafio de detectar o modo B de polarização, reunindo os maiores especialistas na área, desenvolvendo uma tecnologia revolucionária e viajando para o melhor local de observação da Terra no polo sul. 

A colaboração inclui grandes contribuições da Caltech; JPL; Universidade de Stanford, em Stanford, na Califórnia; Universidade de Harvard, em Cambridge, Massachusetts, e da Universidade de Minnesota, em Minneapolis. 

Como resultado das experiências realizadas desde 2006, a equipe foi capaz de produzir provas convincentes para o sinal em modo B e, com ele, o apoio mais forte ainda para a inflação cósmica. 

A chave para seu sucesso foi à utilização de novos supercondutores nos detectores. Supercondutores são materiais que, quando refrigerados, permitem que a corrente elétrica flua livremente, com resistência zero. 

Esta imagem mostra uma matriz de 512 detectores supercondutores utilizados no telescópio BICEP2, no polo sul. A tecnologia foi fundamental para detectar os efeitos de ondas gravitacionais, associadas ao início do nosso Universo, conhecida como inflação. Crédito: NASA/JPL-Caltech

“Nossa tecnologia combina as propriedades de supercondutividade com minúsculas estruturas que só podem ser vistas com um microscópio”. 

“Estes dispositivos são fabricados com o mesmo processo de micro usinagem, como nos sensores em telefones celulares e controles do Wii”, disse Anthony Turner, que faz esses dispositivos usando equipamentos de fabricação especializada do Microdevices Laboratory, do JPL. 

O sinal de modo B é extremamente fraco. De forma a obter a sensibilidade necessária para detectar o sinal de polarização, Bock e Turner desenvolveram um único conjunto de detectores múltiplos, semelhante aos pixels em câmeras digitais modernas, mas com a capacidade adicional de detectar a polarização. 

O sistema detector inteiro opera em frio de 0,25 Kelvin, apenas 0,45 graus centígrados acima da temperatura mais baixa possível, o zero absoluto. 

“Esta medida extremamente desafiadora necessitou de uma arquitetura totalmente nova”, disse Bock. 

“Nossa proposta é como fazer uma câmera e construí-la em uma placa de circuito impresso”. 

O experimento BICEP2 utilizou 512 detectores, que aceleraram as observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas por 10 vezes ao longo das medições anteriores da equipe. 

Sua nova experiência, que já está fazendo observações, utiliza 2,560 detectores. Este e os experimentos futuros, não só ajudam a confirmar que o Universo inflou dramaticamente, mas estão fornecendo teorias com as primeiras pistas sobre as forças exóticas que levaram ao espaço e tempo separadamente. 

Os resultados deste estudo foram submetidos à revista Nature. O Laboratório de Propulsão a Jato é gerenciado pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena para a NASA.

Fonte (em inglês): NASA

Tradução: Ivan Lopes