Como o universo evoluiu?

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Nesta e numa coluna seguinte, chego ao fim dos temas astronômicos. O universo é um assunto ainda misterioso, que muito deve ao trabalho de gênios como Max Planck, Albert Einstein, Georges Lemaître, Edwin Hubble, George Gamow, Stephen Hawking e Alan Guth. Por favor, nem pense que eu entendo do assunto, apenas sempre o achei fascinante e procurei torná-lo acessível.

O Big Bang: O universo é a totalidade de tudo: do espaço, do tempo, da matéria. O mundo observável tem um alcance de 46 bilhões de anos-luz. Você sabe que esta medida é a distância percorrida pela luz em um ano; como sua velocidade é de 300 mil km/segundo, um ano-luz mede quase 10 trilhões de km. Então, o tamanho do universo é quase inimaginável.

História Resumida do Universo

As medições confirmam que o universo continua crescendo e acelerando. Através delas, é possível especular que o cosmo tenha 14 bilhões de anos. Se ele tem uma idade, então teve um nascimento. Este evento, ilustrado nas figuras ao lado, é hoje chamado de Big Bang. Ele aconteceu em toda a parte e ao mesmo tempo, diz o astrônomo Colin Stuart.

O Big Bang e a Formação do Universo

Os físicos dizem que havia uma singularidade, um único ponto no universo onde toda a matéria e toda a energia estavam concentradas. Então, todas as quatro forças elementares da natureza (ver depois) estavam unificadas e não havia nem tempo nem espaço. Este é o instante zero. Depois, a 10-44 segundos após o início, a gravidade se descolou das demais forças.

A Expansão: Com toda essa concentração de matéria e energia, o mundo era quentíssimo e densíssimo. Ocorreu então o milagre de uma mínima flutuação aleatória (os físicos a chamam de quântica), que permitiu a expansão instantânea do universo – foi ela que criou a sua história.

Esta foi a era da inflação, quando o universo cresceu inacreditáveis 10+30 vezes. Foi como se um balão tivesse sido soprado por Deus. Mas ela se esgotou a 10-32 segundos após o início, quando a temperatura já havia baixado para 10+27K, a partir dos infernais 10+32K iniciais.

Ao longo deste começo turbulento, as forças elementares vão se separando em quatro a 10-10 segundos (ver desenho); formam-se as primeiras partículas pesadas como prótons a 10-7 segundos e as primeiras leves, como elétrons a 10-1 segundos; o universo é achatado e vai se tornar plano, esfriando para 10+12 K. Mas, pense nisso, estamos ainda apenas a um décimo de segundo do início.

Evolução das Forças Fundamentais

As Forças Elementares: Se sua paciência permitir, vou descrever as quatro forças elementares ou fundamentais. A mais fácil de entender (embora até hoje impossível de explicar) é a gravidade, que causa a atração entre os corpos. É de todas a mais fraca, mas que atua a maiores distâncias.

Em seguida, a força nuclear fraca, capaz de reter os elétrons à volta dos átomos. A força eletromagnética explica a interação dos corpos devido à carga elétrica, agindo a distâncias infinitas. A força nuclear forte é responsável pela coesão entre prótons e nêutrons no interior do átomo – junto com a fraca, atua às menores distâncias, como resumido ao lado.

Existe uma proposta de juntar duas das forças numa só: a eletrofraca. Isto é curioso, pois as duas forças nucleares a mim parecem mais afins, por atuarem no mesmo meio. Acho que um dia todas serão entendidas como uma única, como eram no início do mundo.

As Forças Fundamentais da Natureza

Os Núcleos Atômicos: Depois que as forças se separaram a 10-10 segundos e as partículas se formaram a 10-1 segundos, passaram-se três minutos: começa a era da formação dos núcleos atômicos, quando surgiram os primeiros núcleos leves do universo, como o hélio e o lítio.

Diagrama da Fusão Nuclear do Hidrogênio em Hélio

O mundo era um plasma (ou seja, um meio ionizado), acoplado pela radiação da luz: os fótons, que carregam a luz, estavam retidos nos íons do plasma. A luz ainda estava capturada e o universo era opaco – todas as etapas até este momento são chamadas de eras escuras. Mas a temperatura era ainda de 10+10 K, quente demais para acolher a matéria.

Devo explicar que o plasma é um meio gasoso ionizado, ou seja, com elétrons livres. Isso faz com que responda diversamente de um gás aos campos elétricos e magnéticos. Como um gás, não tem forma ou volume definidos.

Porém, sob influência de um campo magnético, pode formar estruturas como filamentos, diferentemente de um gás. No universo, o plasma é o estado mais comum da matéria – pois, como explicado a seguir, o mundo se ionizou de novo.

A Antimatéria: Como você viu, o universo evoluiu a partir da transformação da energia primitiva em massas de partículas atômicas cada vez mais complexas. Entretanto, este processo foi peculiar: para cada partícula de matéria criada, existiu outra de antimatéria. Ela é idêntica, mas com carga elétrica invertida. Por exemplo, a antimatéria do elétron é o pósitron e a do próton é o antipróton.

A Materia e a Antimatéria

Mas essa por assim dizer criação de massa em dobro requer uma quantidade colossal de energia, só disponível quando o universo tinha um segundo de vida. Daí em diante, cessou a produção de antimatéria.

O inverso desta produção chama-se aniquilação. Ela acontece quando as duas partículas simétricas colidem e desaparecem sob a forma de energia. Ora, no transcurso de 14 bilhões de anos, houve tempo suficiente para que toda a antimatéria tivesse anulado toda a matéria, retornando o universo à pura energia inicial.

Porque isto não ocorreu? Os físicos calculam que, para cada bilhão de partículas de antimatéria geradas, surgiram um bilhão e uma partículas de matéria. É desta sobra minúscula que foram criados as estrelas e os planetas. Mas porque o cosmo teve esta preferência pela matéria? Ninguém até hoje descobriu. A rigor, poderíamos ter sido um mundo ao avesso, feito de antimatéria. Ou de pura energia.

A Luz: Teremos de esperar mais 380 mil anos para que a temperatura caia aos poucos para 10³K. A energia mais baixa permite agora que os átomos se formem, pela captura dos elétrons nos núcleos, como mostrado na figura.

A Formação dos Primeiros Átomos

A consequência é gigantesca: a matéria não está mais ionizada, torna-se eletricamente neutra. A compactação resultante da formação dos átomos libera espaço para que os fótons escapem – nascem a luz e o mundo transparente. Esta é a chamada era da recombinação, muito embora não tenha havido nenhuma combinação anterior. Acaba aqui o universo primitivo.

Quero explicar um fato singular. Não entendemos como o universo é, apenas como foi. As distâncias são imensas e, por mais ágil que seja a luz, ela nos chega com retardos assombrosos. A imagem da radiação de fundo capta a luz mais antiga do universo até agora, quando só tinha 400 mil anos – antes disso, sequer havia luz que nos mostrasse o aspecto do cosmo.

As Estrelas e as Galáxias: Até agora, o mundo é amorfo como uma nuvem. Tem início então a formação de estruturas, das menores para as maiores. Começa com os estranhos quasares, cuja intensa radiação é capaz de reionizar todo o universo (então não tão grande) e restaurar o plasma. E continua com a geração inicial de estrelas leves, seguida pela formação dos primeiros elementos pesados. Estamos agora a 560 mil anos após o Big Bang.

O processo se reforça há um bilhão de anos do início, com a aglutinação da primeira geração de estrelas em galáxias, com a formação da segunda geração de estrelas que novamente explodem em supernovas, com o aparecimento dos grupos de galáxias e, depois, com a consolidação dos superaglomerados galácticos (ver figura). A temperatura média do universo desce para 20K.

A Formação das Primeiras Galáxias

São passados 8 bilhões de anos desde o nascimento do mundo e a temperatura média esfriou para apenas 3K (algo como -300°C), que é a atual. As estrelas da terceira geração foram capazes de fundir elementos mais pesados, antes de uma vez mais explodirem em supernovas. Estes se aglutinam em planetas, que orbitam à volta de estrelas. Pelo menos um deles torna-se habitável e desenvolve vida 1 bilhão de anos depois. E é aqui que nós estamos.

Resumo da Estrutura do Universo

As Evidências: Quais são as provas que suportam o Big Bang? São basicamente três. A teoria prevê que a composição básica do universo, de ¾ hidrogênio e ¼ hélio, foi alcançada nos três minutos iniciais. Durante este tempo, as altíssimas temperaturas permitiram fusionar parte do hidrogênio em hélio. Mas não em seguida, quando a temperatura caiu. Todos os elementos pesados encontrados nas estrelas, do carbono ao ferro, originaram-se bilhões de anos depois, por fusão nuclear estelar. As medições dos astrônomos confirmam exatamente estes fatos.

A segunda prova é a expansão do universo, em função do impulso inicial, de acordo com vários experimentos – ver uma representação na figura ao lado. Ela foi verificada e medida: e mostrou que a expansão é homogênea e isotrópica, ou seja, igual em todas as dimensões, sem centro fixo.

A Expansão Acelerada do Universo

A terceira é a chamada radiação de fundo: quando o cosmo expandiu e esfriou, diz a teoria que deveria sobrar uma temperatura residual. E ela é exatamente os 3K teóricos previstos. Eles geraram uma radiação uniforme, que pôde de fato ser captada. A imagem ao lado mostra as mínimas variações de densidade que deram origem ao cosmo (os pontos vermelhos são quentes e os azuis, frios). Ela é a mais antiga representação do nosso universo pois, antes dela, não havia luz que nos mostrasse seu aspecto.

Imagem da Radiação Cósmica de Fundo

É por isso que os astrônomos, como os geólogos e os arqueólogos, quase só falam do passado.

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Sobre o autor

Alberto Ortenblad - Colunista

Nasci no Rio, vivo em São Paulo, mas meu lugar é em Minas. Fui casado algumas vezes e quase nunca fiquei solteiro. Meus três filhos vieram do primeiro casamento. Estudei engenharia e depois administração, e percebi que nenhuma delas seria o meu destino. Mas esta segunda carreira trouxe boa recompensa, então não a abandonei. Até que um dia, resultado do acaso e da curiosidade, encontrei na natureza a minha vocação. E, nela, de início principalmente as montanhas. Hoje, elas são acompanhadas por um grande interesse pelos ambientes naturais. Então, acho que me transformei naquela figura antiga e genérica do naturalista.

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