No começo eram as trevas e então... BANG! Nasceu um sistema que se expande infinitamente feito de tempo, espaço e matéria... O Universo.
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- Edison Aveiro Marinho
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1 Alfa e Ômega No começo eram as trevas e então... BANG! Nasceu um sistema que se expande infinitamente feito de tempo, espaço e matéria... O Universo. No início, apenas a escuridão. Um nada interminável predominava. Mas então algo aconteceu! Treze bilhões e setecentos milhões de anos atrás um evento dava início a tudo que conhecemos (e ainda desconhecemos). Era algo com tamanho infinitamente pequeno e densidade infinita que acabou explodindo causando grande fascínio e intrigando a cientistas e leigos. Bem... Agora vamos colocar isso em perspectiva. Como dito antes, o Universo tem idade de 13,7 bilhões de anos, e muito se evoluiu desde o nascimento da teoria mais aceita para o surgimento do cosmo. Teoria proposta pelo padre Católico Georges Lemaître, a partir de estudos feitos por ele das equações de Einstein. Crédito: NASA, tradução anônima. Para Lemaître, o Universo nasceu, e que se o mesmo está em expansão, então em algum momento do passado ele fora menor, bem menor! Esse microuniverso ele chamou de Átomo Primordial, que tem as características descritas no primeiro parágrafo.
2 O sacerdote resolveu levar a sério sua suposição e a conduziu até Einstein, porém o mesmo disse: Sua matemática está correta, mas sua física é abominável. Albert Einstein celebridade da época e ganhador do prêmio Nobel de 1921 pela pesquisa do Efeito Fotoelétrico descoberto por Hertz -, não acreditava num Universo em expansão, mesmo sua Teoria da Relatividade Geral (TRG) mostrando o contrário, um universo mutável. Ele então modificou sua TRG que passou a mostrar um universo estático e que sempre existira. Modificações que chamou de Constante Cosmológica. Porém, foi com descobertas iniciadas em 1925 que tudo mudou em relação a essa constante. Antes de 1925, o Universo era apenas nossa galáxia com cem mil anos-luz de diâmetro. Edwin Hubble, no telescópio localizado no Monte Wilson o mais sofisticado da época -, fez observações mais profundas e descobriu que o sol era apenas uma estrela entre bilhões da Via Láctea. Na época não se tinha medições muito boas de estrelas longínquas, tinham apenas das mais próximas. Então Hubble usou um método chamado Vela Padrão, já que com o brilho pode-se determinar a distância - quanto mais opaca mais longe -. Pegou o que era chamado de Nebulosa de Andrômeda, que Crédito: SEDS se pensava ser um aglomerado de estrelas e calculou a distância. O resultado foi de milhões de anos-luz, descobrindo assim que aquele aglomerado era outra galáxia como a nossa, era a Galáxia de Andrômeda. Passamos de um universo Via Láctea para um mar de galáxias da noite para o dia. Mas Hubble não parou por ai. Quatro anos mais tarde, após sua descoberta de um universo com bilhões de Via Lácteas, Hubble fez observações dessas galáxias e utilizando o Efeito Doppler viu que as demais estavam se afastando de nós, a maioria apresentava o deslocamento para o vermelho Redshift e quanto mais longe estavam mais rápido se distanciavam de nós. O Universo Fonte:
3 então deixou de ser estático e que sempre existira e passou para um Universo em expansão, pelo menos era o que indicavam as observações. Mas a oportunidade para rejeição da teoria de Lemaître apareceu a partir da velocidade de expansão medida por Hubble. Ele calculou a idade do Universo usando a velocidade e chegou ao resultado de dois bilhões de anos. Mas como pode a Terra ser mais velha que o Universo? A fórmula estava correta, entretanto as medições estavam erradas. Do erro das medições de Edwin Hubble nascia uma nova teoria: a Teoria do Estado Estacionário. Essa teoria dizia que o Universo não teve um início, e nem terá um fim. Ele sempre existiu da mesma forma, densidade e temperatura. Essa teoria foi criada pelo astrônomo Fred Hoyle e tomou como base a origem dos elementos químicos, que em altas temperaturas o Hidrogênio se funde formando Hélio e assim sucessivamente formando outros elementos mais pesados. Hoyle acreditava que essa nucleossíntese acontecia no interior das estrelas. Mas esse pensamento possuia algo estranho que era a formação do Hidrogênio e Hélio, já que as primeiras estrelas eram constituídas desses dois elementos. Fred resolveu esse problema dizendo que o Hidrogênio e Hélio sempre existiram. Mas havia outro problema! Sabia-se que o Cosmo se expandia, então a matéria se diluía durante a expansão, e um universo muito velho indica que está todo diluído. O astrônomo consertou esse defeito na teoria e disse que em algum lugar do Universo a matéria é sempre criada. A nucleossíntese agora seria utilizada na teoria concorrente, o Big Bang. George Gamow, defensor da teoria do Átomo Primordial, propôs que o Hidrogênio e Hélio se formaram nos instantes do Big Bang, uma vez que as temperaturas eram altíssimas. Com a ajuda dos cálculos de seu aluno Ralph Alpher para sintetizar a teoria, chegou à conclusão que o Universo deveria conter 10 vezes mais Hidrogênio do que Hélio. Números esses que batiam com as observações. Ainda assim não possuíam a prova definitiva do Big Bang. Um calor remanescente da grande explosão defendida por Lemaître foi sintetizada por Alpher e seu colega Robert Herman e que poderia ser a prova definitiva da teoria do Átomo Primordial. Gamow então questionou que, se o Big Bang foi tão quente, ele Crédito: Victor S. Alpher
4 não teria resfriado completamente: um eco ainda poderia ser ouvido. A falta de telescópios na época impediu as medições da irradiação do calor remanescente da explosão, e o Big Bang se deparava com outro problema sem solução. A teoria ainda não explicava a formação dos elementos depois do Hélio e, com seu carisma Hoyle, conseguiu difundir bem sua teoria do Estado Estacionário pela mídia. Foi em uma dessas transmissões que surgiu o nome da teoria concorrente. Hoyle se referiu à teoria do Átomo Primordial de modo sarcástico a chamando de Big Bang. Mas o termo Big Bang é errôneo, não ouve explosão alguma, o Universo apenas expandiu exponencialmente em um pequeno período de tempo nos instantes iniciais como veremos mais a frente. Nos anos sessenta, Hubble corrigiu a idade do Universo, estando assim resolvido um dos problemas do Big Bang. No entanto, mesmo com essa correção, as duas teorias permaneciam empatadas e ficaram assim até 1965, com a descoberta da Radiação Cósmica de Fundo. A radiação remanescente do calor do Big Bang proposta por Lemaître realmente existia, estava lá ecoando o tempo todo, mas a falta de tecnologia impossibilitava de ouvi-la. Então, sem querer, foi ouvida por dois cientistas: Arno Penzias e Bob Wilson. O físico Robert Dick e um grupo apoiavam as ideias de Lemaître, e queriam provas definitivas. Decidiram tirar essa prova da radiação residual de fundo do Big Bang. Com a ajuda de Dave Wilkinson e Peter Roll, construíram um radiômetro. Porém seriam Penzias e Wilson que achariam o que a equipe de Dick procurava. Utilizando um grande rádio telescópio da Bell laboratório de comunicações não obtinham sinais claros, ouviam apenas ruídos aleatórios, a Crédito: Thomson - Brooks/Cole antena estava recebendo mais radiação que o esperado. Então acharam que algo estava errado, talvez cocô de pombo? Interferências de aviões? Quando foram investigar uma surpresa: o estranho ruído vinha de todas as direções do espaço, o que ainda era estranho para os dois. Penzias e Wilson descobriram o que a equipe de Dick procurava, descobriram a prova definitiva de um Universo dinâmico. Então, em 1965, em uma publicação de cada equipe, de suas respectivas conclusões, no Jornal de Astrofísica, acabaram com a Teoria do Estado Estacionário de Hoyle e o Big Bang se tornava a teoria mais aceita para o surgimento do Universo. As noticias
5 chegaram a Lemaître, em um Hospital na Bélgica, e para Gamow e sua equipe. E a recompensa a Penzias e Wilson veio em 1978 com o Nobel de Física. Mesmo com o descrédito do Estado Estacionário, a sua teoria de nucleossíntese foi aproveitada. Agora cientistas acreditam que os elementos mais pesados que o Hélio seja criado no interior das estrelas e nas explosões de supernovas. Hoyle, porém, nunca aceitou a teoria do Big Bang. O Big Bang ainda continha problemas, e um deles era a temperatura. O Universo é muito grande (bilhões de anos-luz) e relativamente novo para ter uma temperatura tão uniforme. Para resolver esse problema, entraria um novo personagem na história, Alan Guth, do Massachusetts Institute of Technology(MIT). Estudando as equações de Einstein, ele achou a solução, a Inflação Cósmica, que sofreu refinamentos por outros cientistas. Essa teoria diz que, nos instantes após o Big Bang, o Universo sofreu uma expansão acelerada, bem acelerada! Uma expansão exponencial. Em um período pequeno de tempo, de a segundos após o surgimento Crédito: The City College of The City University of New York do Átomo Primordial, o Universo cresceu mais do que os 13,7 bilhões de anos de expansão. Cresceu num fator de vezes, cem vezes mais que num crescimento normal. Isso significa que coisas muito distantes hoje no Universo estiverem muito mais perto, o que deu tempo de uniformizar a temperatura. Foi na Inflação Cósmica que outro evento ocorreu, a separação de uma das Forças Fundamentais, a Gravidade. A Teoria do Big Bang não explica o tempo zero, explica os acontecimentos depois do tempo de Planck, ou seja, t=10-43 segundos. Nesse instante o Universo tinha o tamanho da distância de Planck, metros. No tempo de Planck até o período da grande inflação, as quatro forças fundamentais Nuclear Forte e Fraca, Eletromagnetismo e Gravidade estavam unidas em uma Superforça, e foi no período da inflação exponencial que a gravidade se separa, e no instante t=10-12 segundos as quatro forças, enfim, se separam. Bem... Agora como ter indícios experimentais da Inflação de Guth? Foi então que no primeiro semestre de 2001 a NASA lançou o satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) que pretendia fazer uma foto do Universo quando tinha 380 mil anos de idade momento em que a luz pode fluir pelo universo, antes disso o Universo era opaco e também da temperatura do Big Bang. Aquela mesma que Penzias e Wilson acharam. Apenas em 2003 que os primeiros resultados chegaram. A imagem foi feita no spectro das micro ondas. Os cientistas tiveram um momento de frenesi. A imagem mostrava realmente a uniformidade e a temperatura do Universo
6 quando tinha 380 mil anos de idade. A foto também nos mostra os pontos da criação de estrelas e galáxias (manchas vermelhas e amarelas). Crédito: NASA O satélite da NASA não mostrou apenas essa foto do Universo bebê. A partir dele foi possível calcular a nova idade do Universo, 13.7 bilhões de anos, com margem de erro de 170 milhões de anos, e mediu também a composição do Universo: 4% átomos, 23% matéria escura e 73% energia escura. Mas o que são essa matéria e energia? A matéria escura veio para explicar a rotação das galáxias, pois algo estava errado. A quantidade de matéria visível em uma galáxia decresce à medida que se vai indo para a periferia. Então usando a Gravitação Universal de Newton, onde v = GM r, a galáxia deveria se comportar conforme a linha A do gráfico. Mas medições feitas mostraram que a galáxia se comportava como a linha B. Havia ainda outro problema com a velocidade. Para a velocidade que a galáxia girava e quantidade de matéria vista ali, ela deveria desmanchar. Então, ou a física de Newton estava errada, ou havia mais matéria que não vemos. Fonte: A Matéria Escura ainda não foi provada, mas indícios indiretos mostram essa possível matéria invisível. O método utilizado para vê-la indiretamente é a Lenta Gravitacional, além de observações das velocidades orbitais de galáxias em aglomerado. Essas e outras observações mostram indícios dessa matéria que compões 23% do Universo. Você deve se lembrar da Constante Cosmológica de Albert Einstein para mostrar um universo estático. Recorrendo novamente as leis da mecânica celeste de Newton, a matéria do Universo
7 tenderia a se atrair e colapsar. É ai então que entra a Constante Cosmológica, que seria a força contraria a gravidade que mantinha o Universo estático. Porém com as descobertas de Hubble Einstein voltou atrás e disse que esse foi o maior erro de sua vida. Mas será mesmo que a Constante Cosmológica foi um erro? Novas observações em relação à expansão mostram algo que parece ser a Constante Cosmológica de Einstein. Sendo o Universo formado apenas por átomos e matéria escura, a tendência era o mesmo contrairse devido à atração gravitacional e colapsar-se. Mas observando as galáxias e supernovas, viu-se que a maioria apresentava desvia para o vermelho (redshift) e não deslocamento para o azul (blueshift) que deviria acontecer de acordo com a mecânica celeste. Então alguma coisa estaria Crédito: NASA, tradução anônima impulsionando o Universo, algo estava preenchendo os espaços entre galáxias e gerando uma força contrapondo a gravidade. Esse algo os cientistas chamaram de Energia Escura, e de acordo com WMAP corresponde a 73% do Universo. Muitas perguntas foram feitas sobre o inicio do Universo. Mas e o fim, como será? Existem dois possíveis fins, o Big Crunch, e o Big Rip que é o mais aceito pelos cientistas. O Big Crunch diz que o Universo irá se contrair caso a densidade da matéria ultrapasse a densidade crítica (10-29 g/cm 3 ). Em algum ponto do futuro o Universo regressaria levando a alguns cientistas a acreditar que o Big Bang seja cíclico. Já a teoria mais aceita pelos cientistas diz o contrário. No Big Rip a densidade da matéria não passa a densidade crítica, então o Universo expandirá eternamente, e não só o mundo macroscópico sofrerá os efeitos da Energia Escura, mas também o microscópico. O Universo será um lugar frio e sombrio, onde só existirão partículas elementares vagando pela escuridão. Ainda é cedo para falar do fim de nosso Universo, a história ainda está sendo escrito, o quebracabeça está sendo montado, e, como diz no documentário O Universo do The History Channel, se você não entendeu o processo, não se preocupe esse quebra cabeça foi até aqui montado por muitos cérebros durante os anos. FIM 22/05/2011 A obra Alfa e Ômega de Alisson Poletto Machado foi licenciada com uma Licença Creative Commons - Atribuição - Uso Não Comercial - Partilha nos Mesmos Termos 3.0 Não Adaptada.
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