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Teoria do Big Bang: o que se sabe sobre a origem do universo?

O Big Bang é uma teoria muito bem estabelecida entre os astrofísicos, com uma série de evidências observacionais que confirmam as previsões feitas pelos cientistas do passado. Contudo, não se sabe muito sobre o início do universo, já que não podemos vê-lo. Como ele aconteceu? Por quê? E o que veio antes?

O que foi o Big Bang?

Com a descoberta da expansão do universo, feita na década de 1920, veio uma conclusão tão aterradora quanto inevitável: se o universo está se expandindo rapidamente, significa que antes ele era mais compacto.

Seguindo esse raciocínio, os astrônomos concluíram que, no início, o universo era extremamente denso, quente e concentrado em uma pequena “bolinha” de energia. Quando ele se expandiu, parte dessa energia decaiu em partículas.

Essa ideia se baseou na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, a primeira pessoa a perceber que o cosmos não é exatamente vazio, muito menos um vácuo total. Ele é um espaço com suas propriedades, como as leis dos campos quânticos, presentes em qualquer lugar onde podemos olhar.

Como o universo está em constante (e cada vez mais acelerada) expansão, mais espaço está continuamente surgindo entre as galáxias. Assim, a formação do universo e sua evolução é um processo contínuo que ainda está ocorrendo, tudo de acordo com as teorias de Einstein.

Expansão do universo

Gráfico da expansão do universo ao longo de sua história (Imagem: Reprodução/Alex Mittelmann/Coldcreation)
Gráfico da expansão do universo ao longo de sua história (Imagem: Reprodução/Alex Mittelmann/Coldcreation)

Já sabemos que o universo pode se expandir, e podemos notar que isso não depende da matéria para acontecer — a expansão se trata de mais espaço formado entre as galáxias. É como se fizéssemos um panetone (supondo que não gostamos de gotas de chocolate) de frutas e passas.

Quando o panetone está no forno, sua massa cresce, mas as frutas cristalizadas e as passas continuam iguais. O que aconteceu? A massa se tornou mais volumosa deviso às reações químicas do fermento com o calor.

Ao partir o panetone para comê-lo na ceia de Natal com a família, notamos que existe agora mais panetone entre frutas e passas. Agora, elas estão separadas por um espaço maior. É mais ou menos o que acontece com o universo.

O que veio antes do Big Bang?

Com o conceito de expansão cósmica em mente, imagine agora uma hiperexpansão, antes do surgimento da matéria, acontecendo para todos os lados e aumentando o espaço em taxa exponencial. Isso é o que parece ter acontecido antes do Big Bang.

Uma taxa exponencial significa que, à medida que o tempo passava de forma incremental, as distâncias entre dois pontos ficavam duas vezes maiores, depois quatro vezes, oito, dezesseis, trinta e dois, e assim por diante. Os intervalos de tempo foram frações infinitesimais de um segundo.

Diagrama mostra como o espaço-tempo expandiu em incrementos de tempo, considerando diferentes teorias sobre o que dominava o universo na época. Os cientistas acreditam que a energia era inerente ao próprio espaço, ou seja, na terceira imagem (Imagem: Reprodução/E. Siegel/Beyond the Galaxy)
Diagrama mostra como o espaço-tempo expandiu em incrementos de tempo, considerando diferentes teorias sobre o que dominava o universo na época. Os cientistas acreditam que a energia era inerente ao próprio espaço, ou seja, na terceira imagem (Imagem: Reprodução/E. Siegel/Beyond the Galaxy)

Os cientistas chamam essa hiperexpansão de inflação cósmica, e deduzem que ela “preparou” o espaço para o “surgimento” da matéria. A inflação aconteceu como uma onda que se espalhou ao longo do tempo, com mais e mais e mais espaço sendo criado com um tipo de energia ainda desconhecido.

Certas regiões desse espaço tiveram mais probabilidade de ter sua expansão finalizada. Enquanto isso, outras regiões teriam mais probabilidade de continuar sua inflação. Essas ideias correspondem à teoria de campos quânticos — o que faz sentido, já que na época ainda não existia matéria, apenas as leis quânticas.

Em algum instante, a energia da inflação foi transformada nas partículas fundamentais das quais surgiu toda a matéria que observamos hoje. Esse instante é o que chamamos de Big Bang. Assim, podemos descartar a ideia de que o Big Bang foi uma espécie de explosão — trata-se mais de um instante na história cósmica.

Surgia assim o universo denso, quente e uniforme mencionado no início. Gradualmente, devido à expansão (não mais a inflação cósmica), o cosmos foi evoluindo para um estado mais frio, mais difuso e “granulado”, com certas falhas, onde a matéria se aglomerou pela força da gravidade.

Esse estado “granulado” do universo é, na verdade, uma herança do período inflacionário. A energia primordial que gerou a inflação cósmica teria sido espalhada de forma desigual, por causa de um tipo de ruído quântico. Esse padrão rugoso teria sido transferido para as partículas que surgiram durante o Big Bang.

Por isso a matéria que preenchia o universo infantil não se espalhou uniformemente, mas teve algumas regiões com pouca matéria, outras com mais. Essa irregularidade, com a ajuda da matéria escura, é o que possibilitou a formação de estrelas e galáxias.

Os cientistas também erram

Mapeamento da matéria escura em uma porção do céu (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)
Mapeamento da matéria escura em uma porção do céu (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)

Ao longo do tempo, o modelo do Big Bang passou por várias modificações para corrigir algumas imprecisões e explicar certas observações. Por exemplo, uma versão mais antiga da teoria dizia que as galáxias se formaram puxando a matéria por meio da gravidade.

Na verdade, se as galáxias dependessem apenas da gravidade da matéria normal do cosmos, levariam muito mais de 13,82 bilhões de anos (a idade atual do universo) para se formarem. Em outras palavras, ainda não estaríamos aqui.

Hoje, os astrônomos colocam nos modelos do Big Bang algo chamado “matéria escura”, um tipo diferente de “coisa”. Ela é invisível por não interagir com nenhum tipo de luz/radiação, mas pode ser detectada por meio das interações gravitacionais com as galáxias.

Essa matéria escura (junto da teoria da inflação granulada) resolveu o problema, porque ela supera a massa das galáxias por um fator de seis; ou seja, enquanto a matéria visível constitui apenas cerca de 5% do universo, a matéria escura representa cerca de 27% de tudo o que existe no cosmos.

Onde ocorreu o Big Bang?

Simulação de um aglomerado de galáxias (Imagem: Reprodução/Illustris Collaboration)
Simulação de um aglomerado de galáxias (Imagem: Reprodução/Illustris Collaboration)

Às vezes, os cientistas descobrem galáxias muito distantes, e dizem que elas estão “perto no início do universo”. Isso pode dar a falsa impressão de que podemos, um dia, ver o próprio Big Bang, como se ele estivesse em algum lugar perto dessas galáxias longínquas.

Contudo, lembre-se, para o Big Bang não existe “onde”, e sim “quando”. O que os astrônomos querem dizer ao descrever tais galáxias é que elas estão tão longe que suas luzes levaram quase a idade do universo para chegar à Terra.

Por exemplo, algumas galáxias descobertas ficam tão longe de nós que a vemos do jeito que eram apenas 400 milhões de anos após o Big Bang. É apenas uma questão de idade e tempo, e provavelmente nunca veremos nada que atenha acontecido em um período muito anterior a isso.

Então, onde ocorreu o Big Bang? Em todos os lugares: ele é uma expansão repentina e violenta do universo. O universo era apenas algo muito compacto que se expandiu após seu nascimento, então nós também estamos no próprio Big Bang.

Quando olhar para uma noite estrelada, pense que tudo o que puder ver é matéria que já existia no Big Bang; ela apenas se transformou em estrelas e planetas ao longo do tempo, dando origem a todos nós. Estamos dentro de tudo o que aconteceu e acontecerá no universo — e toda essa evolução ainda está acontecendo.

Fonte: Canaltech

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