Recorde quente: Medido calor de trilhões de graus logo após o Big Bang

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/10/2025

Visão parcial do gigantesco detector STAR, projetado para estudar os momentos iniciais do Universo.
[Imagem: BNL]

Recorde de temperatura

Se você gosta de recordes, vai gostar deste: Não dá para imaginar um calor mais elevado do que aquele da sopa primordial, chamada de plasma de quarks e glúons, que veio à existência logo após o Big Bang.

Pois cientistas acabam de capturar o perfil de temperatura desse estado ultraquente da matéria, gerado por um detector conhecido como STAR, localizado no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC), nos EUA. STAR é também o nome da colaboração internacional que construiu e opera o equipamento, reunindo centenas de cientistas de 55 instituições de 12 países.

Analisando emissões raras de elétrons e pósitrons provenientes de colisões atômicas, a equipe determinou as temperaturas precisas em diferentes fases da evolução do plasma primordial. Os resultados não apenas confirmam as previsões teóricas, como também refinam o diagrama de fases da cromodinâmica quântica (QCD), que mapeia o comportamento da matéria sob condições extremas.

"Nossas medições revelam a assinatura térmica do plasma de quarks e glúons," disse Frank Geurts, membro da Colaboração STAR. "O rastreamento das emissões de diléptons nos permitiu determinar a temperatura do plasma e quando ele começou a esfriar, fornecendo uma visão direta das condições apenas microssegundos após a formação do Universo."

O diagrama ilustra as propriedades da matéria com potencial químico bariônico (equivalente à densidade numérica bariônica líquida) e temperatura, com pontos de referência de núcleos normais, estrelas de nêutrons e a transição de fase para o plasma de quarks e glúons.
[Imagem: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Trilhões de graus

Os resultados mostraram duas faixas de temperatura distintas, dependendo da massa dos pares de elétrons emitidos.

Na faixa de baixa massa, a temperatura média atingiu cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, consistente com as previsões teóricas e com as temperaturas observadas quando o plasma transita para a matéria ordinária. Na faixa de massa mais alta, a temperatura média foi de aproximadamente 3,25 trilhões de Kelvin, representando a fase inicial, mais quente, do plasma.

Esse contraste sugere que os elétrons de baixa massa foram produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os de alta massa nasceram em seu estágio inicial, mais energético.

Ao medir com precisão a temperatura do plasma de quarks e glúons em diferentes pontos de sua evolução, os cientistas obtiveram dados experimentais cruciais para completar o diagrama de fases da QCD. Esse diagrama é essencial para mapear como a matéria fundamental se comporta sob calor e densidade imensos, semelhantes às condições que existiam momentos após o Big Bang, mas que também estão presentes hoje em fenômenos astrofísicos, como nas estrelas de nêutrons.

"De posse desse mapa térmico, os pesquisadores agora podem refinar sua compreensão da vida útil do plasma de quarks e glúons e de suas propriedades de transporte, aprimorando assim nosso entendimento do Universo primordial," disse Geurts. "Esse avanço significa mais do que uma simples medição; ele anuncia uma nova era na exploração da fronteira mais extrema da matéria."

Representação esquemática de uma colisão Au+Au reconstruída com o detector STAR.
[Imagem: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Que termômetro foi usado?

Medir temperaturas em ambientes onde nenhum instrumento consegue sobreviver fisicamente exigiu um bocado de criatividade e muito trabalho.

A equipe superou esse desafio estudando pares térmicos de elétrons e pósitrons liberados durante colisões de alta velocidade de núcleos atômicos no colisor. Essas emissões permitiram reconstruir a temperatura do plasma durante sua formação e resfriamento.

"Pares de léptons térmicos, ou emissões de elétrons e pósitrons produzidas ao longo da vida útil do plasma de quarks e glúons, surgiram como candidatos ideais," disse Geurts. "Ao contrário dos quarks, que podem interagir com o plasma, esses léptons o atravessam praticamente ilesos, carregando informações não distorcidas sobre seu ambiente."

Isso exigiu aprimoramentos tecnológicos inéditos no detector STAR, para torná-lo capaz de isolar pares de léptons de baixa energia e reduzir o ruído de fundo. A ideia central é que a distribuição de energia desses pares revela diretamente a temperatura do plasma, uma abordagem conhecida como "termômetro penetrante" - as emissões são integradas para produzir um perfil térmico médio.

As estimativas anteriores da temperatura pós Big Bang tinham muita incerteza, além de serem distorcidas pelo movimento dentro do plasma, que criava desvios semelhantes ao efeito Doppler, ou pela confusão sobre se as leituras refletiam o próprio plasma ou estágios posteriores de seu decaimento.

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