O objetivo é tentar detectar, nessas primeiras luzes do cosmos, os traços ínfimos das ondas gravitacionais que teriam sido geradas por uma fase de inflação do Universo primordial. Um projeto no qual estão envolvidos dois laboratórios do IN2P3, APC e IJCLab.
O Observatório Simons acaba de concluir sua principal fase de construção nas altitudes do deserto do Atacama, no Chile, e está pronto para iniciar a coleta de dados que levará às medições mais precisas já realizadas da luz mais antiga do Universo. Essa luz, conhecida como radiação cósmica de fundo (Cosmic Microwave Background em inglês), foi emitida aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang e contém os segredos do nascimento do cosmos.
Os cientistas preveem que uma fase de expansão rápida do Universo em seus primeiros instantes, chamada inflação, teria gerado ondas gravitacionais na trama do espaço-tempo. Essas ondas afetam as propriedades de polarização da luz da radiação cósmica de fundo, imprimindo nela um padrão específico que os cosmologistas chamam de "modos-B de polarização".
"A descoberta desses modos forneceria uma janela sem precedentes sobre como o Universo nasceu e confirmaria a teoria da inflação", explica Mark Devlin, codiretor do observatório da Universidade da Pensilvânia. "A amplitude dos modos B primordiais nos informará sobre o estado do Universo nos primeiros instantes após seu nascimento."
"A questão da origem do Universo sempre fascinou os humanos", declara Brian Keating, investigador principal do observatório da Universidade da Califórnia em San Diego. "Com o Observatório Simons, estamos prestes a descobrir respostas arraigadas não em meras especulações, mas nos dados mais precisos já coletados pelos telescópios mais avançados do mundo."
"Estamos levando a pesquisa sobre o Universo primordial a um novo nível", diz Suzanne Staggs, codiretora do Simons Observatory na Universidade de Princeton. "A sensibilidade de nossos instrumentos abre novas perspectivas para o campo."
A busca
Um dos principais objetivos científicos do Simons Observatory é ajudar a esclarecer o que aconteceu no primeiro decilionésimo de segundo após o Big Bang (ou seja, um trilionésimo de um trilionésimo de um milésimo de segundo). Nesse curto instante, os cientistas acreditam que o Universo aumentou em tamanho por um fator de 100 trilhões de trilhões, sendo comparável a uma bactéria crescendo até o tamanho de uma galáxia.
Para aproveitar as condições ideais de observação, o Observatório Simons foi estabelecido no monte Toco, a cerca de 5200m de altitude, no deserto do Atacama, no Chile. Na imagem estão os três telescópios de 40 centímetros de abertura (SAT), cercados por uma tela que os protege das emissões terrestres, e em primeiro plano a estrutura do telescópio de 6 metros de abertura (LAT), em fase de instalação.
Imagem: Gabriele Coppi, Rolando Dunner, Ederico Nati, Matias Rojas
As flutuações quânticas no Universo primordial teriam gerado as primeiras inhomogeneidades no cosmos, que evoluíram para criar a distribuição de matéria que observamos no Universo moderno. Essas mesmas flutuações também geraram ondulações no espaço-tempo chamadas de ondas gravitacionais primordiais.
Embora esse período inflacionário tenha sido um momento crucial na história do Universo, não podemos observá-lo diretamente. O Universo primitivo era então muito quente e denso para que a luz pudesse se propagar livremente. Apenas após 380.000 anos de evolução e o resfriamento do plasma que constituía o Universo primordial, a luz pôde começar a se mover sem impedimentos. Esse é o fundo de micro-ondas cósmico que observamos hoje.
Assim como a luz passando por um par de óculos de sol polarizados, a luz da radiação cósmica de fundo pode ter uma orientação preferida, ou "polarização". As ondas gravitacionais da inflação teriam deixado padrões sutis chamados modos-B na polarização do fundo cósmico de micro-ondas. Detectar esses modos-B forneceria informações sem precedentes sobre os primeiros instantes do Universo.
"Estamos rastreando um sinal gerado durante o primeiro bilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo após o Big Bang", diz Arthur Kosowsky, porta-voz da colaboração do Simons Observatory da Universidade de Pittsburgh. "Ninguém sabe se esse sinal ainda é grande o suficiente para ser visto hoje. Vê-lo seria como ganhar na loteria da física — o impacto científico seria imenso."
Mapeamento da radiação cósmica de fundo
O Observatório Simons inclui três telescópios de pequena abertura de 0,4 metro (SAT) e um telescópio de grande abertura de 6 metros (LAT), que juntos alcançarão uma sensibilidade sem precedentes para a medição da polarização do fundo cósmico de micro-ondas. Desde abril de 2024, dois dos SATs foram calibrados e estão agora em fase de observação, o terceiro SAT deverá estar operante nos próximos meses e o LAT no início do próximo ano.
Imagem do planeta Júpiter com os detectores do Simons Observatory. O tamanho aparente do planeta reflete a resolução das ópticas do telescópio. Os scans de Júpiter estão entre as primeiras observações e foram usados para calibrar os instrumentos do observatório.
Imagem: The Simons Observatory collaboration
O tamanho do Simons Observatory e o uso inovador de novas tecnologias permitem criar mapas detalhados da radiação cósmica de fundo a uma velocidade várias vezes superior à da geração anterior de telescópios. Juntos, os quatro telescópios do observatório terão 60.000 detectores coletando dados, mais do que todos os outros projetos combinados.
Os detectores supercondutores do observatório operam a temperaturas de 0,1 grau acima do zero absoluto, usando uma tecnologia de resfriamento semelhante à utilizada para computadores quânticos. "Estou impressionado com o desempenho dos nossos instrumentos", diz Jeff McMahon, membro fundador do Simons Observatory da Universidade de Chicago. "Estou ainda mais entusiasmado com os dados científicos que esses telescópios estão começando a produzir."
Os três SATs estudarão juntos uma área cobrindo 20% do céu do hemisfério sul, enquanto o LAT mapeará 40% do céu com uma resolução mais fina. Combinando a sensibilidade dos telescópios com técnicas inovadoras de análise de dados, a equipe do Simons Observatory maximiza suas chances de detectar os modos-B procurados.
O futuro do observatório
Após cerca de quatro anos de operação, o observatório receberá a adição de mais 30.000 detectores graças a uma verba concedida pela National Science Foundation (Estados Unidos). O período total de observação dos telescópios será de aproximadamente 10 anos.
"Dez anos podem parecer longos, mas se usarmos as capacidades dos telescópios atuais, levaria 60 anos para alcançar nossa sensibilidade", explica Mark Devlin. Telescópios adicionais financiados pelo Japão e Reino Unido também devem entrar em operação em 2026, dobrando o número de SATs.
Uma participação francesa no observatório
As equipes do IN2P3 participam do projeto Simons, com a participação dos laboratórios APC e IJCLab.
"Detectar os modos-B de polarização é como encontrar uma agulha em um palheiro", explica Josquin Errard, laureado com uma bolsa europeia sobre o assunto (ERC) e co-responsável pela medição dos modos B primordiais na colaboração. "As observações do fundo cósmico de micro-ondas são afetadas por todos os tipos de emissões de origem astrofísica e ambiental que contaminam o sinal, especialmente as emissões provenientes da nossa própria galáxia: a Via Láctea. Estamos a desenvolver novos métodos de análise de dados que permitirão separar as diferentes contribuições."
Em paralelo, uma possível contribuição instrumental francesa ao observatório está em discussão, liderada pelo LPSC, em parceria com CNRS Física e CNRS Terra & Universo. O objetivo é adicionar um novo SAT focado na caracterização e subtração das emissões de poeira galáctica que contaminam o sinal cósmico; esse novo telescópio permitiria aproveitar ao máximo a sensibilidade do observatório às ondas gravitacionais primordiais.
"Com o sucesso da missão do satélite Planck, a França se posicionou como líder na ciência do Universo primordial. Uma participação reforçada da nossa comunidade no observatório permitiria valorizar toda a nossa expertise, seja ela instrumental ou em análise de dados", acrescenta Thibaut Louis, pesquisador do IJCLab e responsável pelo projeto master "Simons Observatory" no IN2P3.
Sobre o Simons Observatory
A equipe científica do Simons Observatory resulta da união de duas colaborações: o Atacama Cosmology Telescope e o Simons Array. Em 2014, o matemático e cofundador da Simons Foundation, Jim Simons, propôs financiar essa nova colaboração.
Extensões ao projeto inicial foram financiadas pela National Science Foundation (Estados Unidos) e por fundos de pesquisa e inovação no Reino Unido e no Japão. O projeto também obteve apoio financeiro das universidades fundadoras: as universidades de Princeton, Berkeley, San Diego, Chicago e Pensilvânia. No total, a colaboração reúne mais de 350 pesquisadores de mais de 35 instituições.