Era do Desacoplamento

Em todos os instantes iniciais, antes de cerca de 10⁵ anos, a formação dos átomos foi sufocada pelas colisões energéticas de partículas com outras partículas. Para o elétron instalar-se numa vizinhança, grande o suficiente, de um próton, para as forças eletromagnéticas os ligarem, um certo período de paz relativa teve que ser estabelecido. O universo inicial foi, porém, algo mais calmo. As partículas eletricamente carregadas (principalmente prótons e elétrons) fortemente interagiram com radiação altamente energética (fótons) de tal um modo que nenhuma estrutura eletricamente neutra (tais como átomos) fosse capaz de existir. Quando a matéria estiver em um estado eletricamente carregado como este, é dita estar num estado de plasma. Daí a analogia do universo inicial com uma festa selvagem que tem sido usada para a época muito inicial do universo, a "festa" ainda continua a plena velocidade neste momento. Fique tranqüilo, as "fações anti-sociais" como os neutrinos já se foram, e as partículas exóticas, como os quarks, tem sido subjulgados em outras partículas, como os elétrons e prótons, e os fótons "social butterfly" ainda estão tendo um tempo selvagem juntos. Porém, é inevitável que as partículas eventualmente se ligarão eletricamente, pois o universo continua a se expandir. Esta expansão significa que as partículas se esfriam, o que é igual a dizer que a energia cinética que elas previamente tiveram das colisões com outras partículas, começa a se encolher. Aí entra um ponto, quando o fluxo de colisões não é grande o suficiente para prevenir a ligação elétrica. Finalmente são formados átomos estáveis. Estes átomos são os átomos mais simples desde que só os núcleos mais simples tiveram chance de serem formados no universo inicial. Conseqüentemente, o átomo mais abundante é o átomo de Hidrogênio. A maioria do universo seria Hidrogênio atômico (aproximadamente 75%). O resto seria principalmente Hélio

 

Os fótons que adoram interagir com partículas carregadas por espalhamento delas, têm agora que competir com estruturas atômicas eletricamente neutras. O número de fóton espalhando cai. Uma multidão de fótons, de repente nada tem a fazer. A festa finalmente terminou. Os fótones fluem fora passado os átomos recentemente formados. É dito agora que o universo é transparente a fótones. Este período, entre 1/10 de um milhão de anos e um milhão de anos após o big bang, veio ser chamado de era do desacoplamento pois os fótons desacoplam das partículas carregadas durante este período. Eles seguem adiante os "passos" dos neutrinos que fluiram para fora anteriormente,  somente 1 segundo após o big bang. A era anterior a este tempo de desacoplamento às vezes é chamada de Era Dominada pela Radiação, pois a radiação foi tão crucial ao desenvolvimento deste estágio mais primitivo. A radiação destes instantes mais primitivos era a principal forma de energia. A matéria era a princípio quase inexistente e somente gradualmente tornou-se significante quando o número de partículas elementares foram produzidas do instante posterior a Era Inflacionária em diante. Quando os fótones desacoplaram, o último controle significante que radiação teve sobre a matéria diminuiu. Conseqüentemente, depois que este tempo de desacoplamento a era é chamada de Era Dominada pela Matéria.

Os fótons que são libertados constituem uma nuvem de radiação que cobre o universo inteiro. Considerando que o universo está principalmente vazio, não há nada que capturaria todos estes fótons. Conseqüentemente, eles ainda deveriam estar hoje ao redor. Além disso, desde que o big bang aconteceu em todos lugares, que estes fótones deveriam estar em todos lugares. Esta é uma predição da teoria do Big Bang.

Quando uma quantidade maior de energia na radiação de fundo cósmica chega a nós em comprimentos de onda de microonda, nós esperaríamos que esta radiação pudesse afetar sinais de televisão pois as antenas de televisão usam comprimentos de onda de microonda para transmitir e receber os sinais. Alguns cosmólogos calcularam tem de fato calculado o efeito da Radiação de Fundo Cósmica (RFB) nos sinais de televisão. Digamos que você desconecta sua televisão de qualquer sistema a cabo ou de satélite e passe a confiar só em sua própria antena embutida para os sinais que chegam. Então, se a televisão é sintonizada a um canal que não tem nenhum sinal de radiodifusão regular, 1% da interferência de microonda incoerente que produz "snow" na tela de televisão (= distorção na imagem na forma de movimento aleatório de pontos brancos devido à baixa qualidade do sinal) está vindo dos fótons que originaram no tempo do desacoplamento, a menos de um milhão de anos depois do Big Bang.

Os fótons que jorraram no tempo de desacoplamento estão em equilíbrio térmico entre si, e com o resto do universo, desde que uma temperatura pode ser usada para representar o universo inteiros. Temperaturas entre 4000 Kelvin e 3000 Kelvin correspondem às maiores energias com que os átomos podem ficar juntos. Temperaturas mais altas que estas, no laboratório, dão somente um estado de plasma. Conseqüentemente, os primeiros átomos no universo inicial devem estar neste intervalo de temperatura. O estado de equilíbrio térmico garante que os fótons também devem ser descritos pelas temperaturas entre 4000 Kelvin e 3000 Kelvin. Sempre que qualquer sistema físico está em equilíbrio térmico pode ser mostrado que ele emite radiação e a intensidade de energia desta radiação segue uma curva de radiação chamada relação de Radiação de "Corpo Negro" de Planck.  Esta relação, escrita como uma curva, tem a forma exibida no diagrama seguinte. Tais curvas dão a intensidade de energia liberada em comprimentos de onda particulares. Quanto mais quente a quantidade, o mais energia é enviada a cada possível comprimento de onda. As curvas que são mais altas no diagrama correspondem a sistemas de temperatura mais altas.

A radiação que segue este tipo de curva foi observada como vinda de todas as direções do espaço em 1965, nos Bell Laboratories Estados Unidos, por Arno Penzias e Robert Wilson. Eles estavam conferindo radiação de rádio e microondas que chegam do espaço para ver quais comprimentos de onda poderiam interferir com os satélites de comunicações. Eles acharam um ruído inevitável vindo de todas as direções. Este ruído correspondia a uma interferência de radiação de microonda. Quando Penzias e Wilson testaram o ruído a comprimentos de onda diferentes que eles acharam que uma Curva de Radiação de Planck poderia ser construída desta radiação do espaço exterior. Como mencionado acima, as pessoas sabiam que cada curva na família de Curvas de Radiação de Planck correspondia a uma temperatura particular do sistema. Conseqüentemente, tudo o Penzias e Wilson tiveram que fazer, uma vez tendo esta curva na frente deles, era conferir com qual temperatura correspondia a curva. Esta temperatura seria a temperatura de fundo do universo. Eles acharam que a radiação de microonda que eles tinham às mãos se ajustava a um sistema com aproximadamente 3 Kelvin. O universo, portanto, tinha uma temperatura de devido a uma radiação provocadora de ruídos de interferência de 3 Kelvin.

Em Novembro de 1989, a NASA lançou um satélite em órbita ao redor da Terra chamado de COsmic Background Explorer (COBE). Este satélite tem medido a Radiação de Fundo Cósmica com uma precisão sem precedentes.

Irregularidades pequenas na densidade de energia e matéria no tempo da era de desacoplamento deveriam ter repercurssões na suavidade da Radiação de Fundo Cósmica. Pequenos saltos na distribuição de matéria/energia deveria fazer pequenos saltos na radiação que agora é vista e originada no tempo da era do desacoplamento. Estas irregularidades são muito importantes para se estudar, desde que elas são a possíveis densidades semeada na formação de galáxias que veio posteriormente. Os cosmólogos calcularam que tipos de flutuações de densidade eram necessários à era de desacoplamento para explicarem as distribuições de galáxia que existem agora. Flutuações muito grandes significarão que galáxias seriam muito densas. Alta densidade significaria mais buracos negros e um universo muito mais encaroçado em escalas maiores. Se a densidade, por outro lado, é muito baixa, então não haveria qualquer colapso significante da suavidade matéria/energia. Isto evitaria com que galáxias como nós as conhecemos de se formarem. Antes do tempo do desacoplamento nós nunca pudemos obter qualquer informação sobre a densidade semeada, pois a informação de que nós precisavámos vem de fótons, e os fótons estão interagindo altamente com o plasma antes dos átomos começarem a ser produzidos. Nenhum fóton informativo pôde sobreviver deste período pré-desacoplamento.

As irregularidades na Radiação de Fundo Cósmica serão manifestadas em irregularidades nas temperaturas medidas da radiação total vindo do espaço exterior. Os dados do satélite COBE deram aos cientistas as melhores predições de quão grande são as irregularidades que possivelmente iniciaram as galáxias. Eles acharam que as irregularidades são, na realidade, muito menor que 1 parte em 10.000.

Uma vez que a era do desacoplamento teve sucesso na formação dos átomos, o universo continua se expandindo até a época de começar a formação de galáxias. O quadro seguinte ilustra a cadeia de eventos da era do desacoplamento à era de formação das galáxias.