Como o universo evoluiu?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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 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.

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