Resultados independentes confirmam sinais incomuns na polarização da radiação cósmica

A luz que recebemos comumente em nossos olhos, como a proveniente do Sol e de nossas lâmpadas, vibra em todas as direções possíveis do plano perpendicular à propagação, ou seja, trata-se de luz não polarizada.

Polarização da luz é o fenômeno pelo qual as oscilações do campo elétrico da onda luminosa passam a ocorrer segundo uma direção preferencial. Em vez de vibrar em múltiplos planos perpendiculares à propagação, a onda passa a oscilar em um único plano (polarização linear) ou segundo um padrão bem definido de rotação (circular ou elíptico).

Esse mecanismo é utilizado, por exemplo, em telas de cristal líquido (LCD), reduzindo efeitos reflexivos indesejáveis. Também está presente em óculos de sol e equipamentos fotográficos, entre outras aplicações.

Na verdade, o efeito não se aplica apenas à luz visível, mas a todas as faixas da radiação eletromagnética. Ondas de rádio e micro-ondas, por exemplo, podem ser polarizadas por meio de antenas transmissoras e receptoras.

Como veremos, a polarização também pode ocorrer por causas naturais, e pode ser classificada em três tipos principais: linear, circular ou elíptica.

Por natureza, todas as ondas eletromagnéticas são transversais: seus campos elétrico e magnético vibram perpendicularmente à direção de propagação. Essa característica é o que torna possível o fenômeno da polarização.

A polarização pode ser produzida por diferentes processos físicos. Um deles é a birrefringência, na qual um feixe luminoso se divide em dois raios com polarizações distintas ao atravessar materiais anisotrópicos, cujas propriedades ópticas dependem da direção de propagação da luz.

As sondas WMAP (2001-2010), da NASA, e Planck (2009-2013), da European Space Agency (ESA), mapearam com grande precisão a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), uma radiação remanescente do universo primordial que permeia todo o céu e constitui uma das principais evidências observacionais do modelo do Big Bang.

Essas missões consolidaram parâmetros fundamentais do modelo cosmológico padrão, o chamado Lambda-CDM. Nos últimos anos, análises baseadas nos dados de polarização da CMB obtidos por essas sondas indicaram a possível presença de birrefringência cósmica. Esse resultado implicaria uma violação da simetria de paridade - princípio segundo o qual as leis da física devem permanecer invariantes sob inversão espacial (como na formação de uma imagem no espelho).

Tais conclusões foram contestadas sob a alegação de que poderiam decorrer de limitações metodológicas, especialmente na modelagem da emissão de poeira galáctica - um processo físico-computacional que busca estimar a contribuição do gás e da poeira da Via Láctea aos sinais observados.

Entretanto, estudos mais recentes realizados de modo independente por cientistas do Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) voltaram a encontrar indícios do fenômeno. Nessa nova análise, foram utilizados dados obtidos pelo Atacama Cosmology Telescope, permitindo uma abordagem independente das estimativas anteriores baseadas exclusivamente nas missões espaciais.

Cabe destacar que um dos conjuntos de dados mais recentes desse telescópio, o ACT DR6, apresenta sensibilidade cerca de três vezes maior e resolução angular aproximadamente cinco vezes superior à do Planck, embora este último ainda seja responsável pelo mapa da anisotropia da CMB mais nítido até o momento.

As análises das observações foram feitas usando variadas metodologias, sendo que todas resultaram no mesmo sinal e revelaram magnitudes similares para os ângulos de birrefringência.

Se futuras observações independentes confirmarem esse efeito como um fenômeno cosmológico genuíno, as implicações científicas poderão ser profundas. Isso apontaria para a necessidade de uma nova física além do modelo padrão da cosmologia, com possíveis repercussões na compreensão da natureza da matéria escura e da energia escura.

A simetria de paridade é a ideia de que as leis da física não mudam se observarmos o universo refletido em um espelho. Em um mundo perfeitamente simétrico, esquerda e direita seriam indistinguíveis do ponto de vista das leis fundamentais.

Uma boa analogia é a de uma escada em espiral: sua imagem no espelho gira no sentido oposto. Algumas estruturas simplesmente não são idênticas à sua versão refletida. Dizemos que elas possuem quiralidade, isto é, distinguem direita de esquerda.

A polarização da radiação cósmica de fundo pode ser descrita por dois tipos de padrões geométricos, chamados modos E e modos B. O ponto essencial é que esses padrões se comportam de maneira diferente sob essa inversão em espelho: um permanece igual; o outro se inverte, como a escada em espiral.

Se a paridade fosse perfeitamente respeitada em escala cosmológica, esses dois tipos de padrão permaneceriam estatisticamente independentes. No entanto, a birrefringência cósmica - uma pequena rotação do plano de polarização da luz ao longo de bilhões de anos de propagação - mistura parcialmente esses dois padrões.

Essa mistura é o ponto crucial: ela só pode ocorrer se, em algum nível fundamental, o próprio espaço não tratar esquerda e direita de forma equivalente. Assim, detectar a birrefringência cósmica pode significar que a simetria de paridade não é rigorosamente preservada no universo.

É fato que a simetria de paridade já é naturalmente violada — porém, pelo que se conhece até hoje, apenas em processos subatômicos mediados pela força nuclear fraca.

Uma eventual descoberta de que essa violação também ocorre em escala cosmológica causaria um abalo nos pilares do modelo cosmológico padrão. E, pelas análises realizadas pelos cientistas do MPA, pode ser exatamente isso que esteja acontecendo.

Os áxions são partículas hipotéticas ainda não detectadas, propostas originalmente no contexto da física de partículas, mas que também se tornaram fortes candidatas a constituir a matéria escura. Entre suas propriedades teóricas está a possibilidade de induzir a violação da simetria de paridade em escalas cosmológicas, muito além daquelas observadas em experimentos de laboratório.

Do ponto de vista teórico, isso ocorreria porque um campo de áxion poderia acoplar-se ao campo eletromagnético de modo a diferenciar os dois estados de polarização circular da luz, fazendo com que se propagassem de maneira ligeiramente distinta - o que resultaria, ao longo de distâncias cosmológicas, na rotação observada do plano de polarização.

Esse tipo de interação aparece, nas equações, como um termo adicional que não permanece inalterado sob inversão espacial - exatamente a marca registrada de uma violação da simetria de paridade.

Conforme descrevemos em nossa página sobre matéria e energia no universo, uma das hipóteses mais promissoras para a natureza da matéria escura é a de que ela seja composta por partículas ainda desconhecidas, que interagem extremamente pouco com a matéria comum - praticamente invisíveis. Os áxions se encaixam notavelmente bem nesse cenário.

O cosmólogo Eiichiro Komatsu, do MPA, tem papel de destaque nesse campo de pesquisa. Entre 2020 e 2022, ele e sua equipe identificaram um pequeno, porém intrigante, ângulo de birrefringência cósmica β = 0,34° ± 0,09°. Um empolgante resultado, que incentivou cientistas a voltarem sua atenção a pesquisas sobre rotações na CMB.

A rotação observada pode ser causada não apenas pela interação da matéria escura com a luz da CMB, mas também por possíveis interações associadas à energia escura, alterando os padrões de polarização (linhas pretas na imagem), o que faz com que os estudos sobre a birrefringência cósmica abram amplas possibilidades para a revelação de aspectos da natureza desses ainda misteriosos componentes de nosso universo.

No entanto, a comprovação definitiva do fenômeno ainda depende de experimentos independentes, tais como o BICEP3, o CLASS e o Observatório Simons, que estão desenvolvendo fontes artificiais de polarização para calibrar a orientação de seus detectores sensíveis à polarização, o que permitirá medições mais robustas sem a dependência de modelos ópticos ou das análises de emissões galácticas.

Se os resultados continuarem corroborando as descobertas, o impacto sobre as leis físicas fundamentais e sobre a cosmologia poderá ser verdadeiramente revolucionário.