Universo do Big Bang

Como realmente o universo começou ? A maioria dos astrônomos poderia dizer que o debate já acabou: o universo começou com uma explosão gigante, chamada de Big Bang. A teoria do Big Bang iniciou-se com as observações de Edwin Hubble que demonstraram que o universo está expandindo. Se você imaginar que a história do universo como um filme de longa-metragem, o que ocorreria se o filme fosse rebobinado ? Todas as galáxias iriam aproximar-se cada vez mais, até que eventualmente esmagassem-se em um único ponto, uma esfera maciça ocupando um minúsculo ponto. Foi esse tipo de pensamento que levou ao conceito de Big Bang.
O Big Bang marca o instante que o universo começou e o espaço-tempo começaram à existir e toda a matéria do cosmos começou à expandir-se. Incrivelmente, teóricos tem deduzido a história do universo datando para quase 10^-43 segundos (10 milhões de trilhões de trilhões de trilionésimo de segundos) após o Big Bang. Antes desse tempo, as quatro forças fundamentais, a gravidade, eletromagnetimo e forças nucleares fraca e forte, estavam unificadas, porém a física ainda não possui uma teoria funcional que possa descrever essas condições.
Durante o primeiro segundo ou quase do universo, prótons, nêutrons e elétrons - os blocos de montagem dos átomos - formaram-se quando fótons colidiram e converteram sua energia em massa e as quatro forças adquiriram suas identidades separadas. A temperatura do universo também esfriou-se durante esse tempo, de quase 10³² ( 100 milhões de trilhões de trilhões) de graus para 10 bilhões de graus. Aproximadamente três minutos após o Big Bang, quando a temperatura caiu para os gelados bilhões de graus, prótons e nêutrons combinaram-se em núcleos de alguns elementos pesados, mais notoriamente, o hélio. O grande passo após isso foi quase 300.000 anos após o Big Bang, quando o universo resfriou-se para uma temperatura não tão confortável de 3.000 graus. Nessa temperatura, elétrons poderiam combinar-se com o núcleo atômico para formar átomos neutros. Sem elétrons livres sobrando para espalhar fótons de luz, o universo tornou-se transparente para radiação (Que atualmente é a luz que vemos como radiação cósmica de fundo). Estrelas e galáxias começaram a formar-se quase um bilhão de anos após o Big Bang, e desde então, o universo tem simplesmente continuado à crescer e esfriar, criando condições que levaram à vida.
Existem três excelentes motivos à favor da teoria do Big Bang. A primeira, e mais óbvia, é que o universo está expandindo. Segunda, a teoria prediz que 25% da massa total do universo deve ser hélio que formou-se durante os primeiros minutos iniciais, uma quantidade compatível com as observações. Finalmente, e mais convincente, é a presença de radiação cósmica de fundo. A teoria do Big Bang prediz essa radiação remanescente, que agora pisca a uma temperatura de apenas 3 graus acima do zero absoluto, sendo predita bem antes dos radio astrônomos terem dado por conta de sua existência.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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Universo de Friedmann

Universo fechado: o momentum gerado pelo
Big Bang é retido pela gravidade, produzindo
Big Crunch.

No início da década de 1920, o físico russo e matemático Alexander Friedmann tornou-se a primeira pessoa a aderir à ideia de que as equações da relatividade geral de Einstein previam uma movimentação para o universo. Einstein (e a maioria dos cientistas, para esse assunto) acreditavam que o universo era estático, e ele modificou suas equações para incluir uma constante cosmológica para mantê-los.

Universo aberto: não há matéria suficiente para parar a
expansão do universo, a qual será eterna.

Friedmann fez duas suposições simples sobre o universo: que ele, quando visto de suficientemente grandes escalas, ele parece o mesmo em qualquer direção à partir de qualquer ponto. Com base nessas suposições (o princípio cosmológico, como é chamado) e as equações de Einstein, ele desenvolveu o primeiro modelo de um universo em movimento. O universo de Friedmann começa com o Big Bang e continua expandindo-se por não contados bilhões de anos, chegando no estado que está agora. Mas depois de muito tempo, a atração gravitacional mútua de toda a matéria desacelera a expansão até que cesse. O universo então inicia uma queda sobre si mesmo, retrocedendo a expansão do universo. Eventualmente, toda a matéria irá colapsar em uma singularidade, no que o físico John Wheeler gosta de chamar de Big Crunch.

Universo plano: expansão irá ficar lenta até que a taxa chegue
a um zero.

Apesar de Friedmann encontrar apenas essa solução, chamada de universo fechado, devido o tamanho finito do universo, não há matéria suficiente para levar o universo à uma parada. Galáxias continuam a separar-se umas das outras, apesar de mais lentamente com o passar do tempo. Eventualmente, todas as estrelas irão acabar, e o universo irá tornar-se frio e escuro. Intermediariamente entre o universo aberto e o fechado, há o universo plano. Nesse caso, o universo irá expandir-se para sempre, mas a velocidade em que as galáxias irão separar-se chegará, eventualmente, a um zero. Que tipo de universo vivemos? Observações da densidade do universo eventualmente podem responder isso, mas ainda não há acurácia suficiente para distinguir entre essas três possibilidades.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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Edwin Hubble

Talvez mais do que qualquer outra pessoa, Edwin Hubble (1889-1953) expandiu nossa visão do universo. No amanhecer do século 20, a maioria dos astrônomos pensavam que a Galáxia Via Láctea fosse o universo, e ela media apenas alguns milhares de anos-luz em de comprimento. Na década de 1910, Harlow Shapley mostrou que a galáxia na verdade estendia-se por quase 100.000 anos-luz, e Henrietta Leavitt determinou que as Grande e Pequena Nuvens de Magalhães (duas galáxias acompanhantes da nossa, visíveis no hemisfério sul) residiam um pouco fora dos limites da Via Láctea. Mas uma maior questão ainda restava sobre a natureza de ondulados caminhos de luz conhecidos por nebulosas.
Em 1923 e 1924, Hubble usou o maior telescópio do mundo, o Telescópio Hooker de 100 polegadas em Mt. Wilson, para examinar a nebulosa de Andrômeda. O advogado-que-virou-astrônomo treinado em Oxford detectou, pela primeira vez, estrelas similares às de nossa galáxia. Por meio da comparação do brilho das estrelas com quanta luz elas realmente emitiam, ele estimou a distância da nebulosa como um milhão de anos-luz, claramente transformando-a em uma galáxias por conta própria.
Hubble então começou a procurar as distâncias entre várias outras galáxias, eventualmente levando as fronteiras do universo para centenas de milhões de anos-luz. Ele então comparou as distâncias com as velocidades que as galáxias estavam movendo-se, e então deduziu que quanto mais distante a galáxias, mais rápido ela iria mover-se. Essa relação, conhecida por Lei de Hubble, foi a prova observacional de que o universo estava expandindo. Apropriadamente, o famoso telescópio Hubble foi nomeado em sua honra.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Cosmological Stars (BBC/PBS)

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Universo Antrópico

Enquanto outros universos
expandiram-se muito rapidamente e
aplainaram-se (topo) ou
fecharam-se antes que a vida
pudesse evoluir (os três abaixo),
nosso universo (o segundo)
parece perfeitamente pronto
para suportar a vida.

Por que o universo é da forma que parece? Alguns cientistas pensam que nossa própria existência é a resposta. Para eles, muitas das propriedades do universo parecem adequadas para a produção de vida. Por exemplo, se a força relativa das quatro forças fundamentais fossem um pouco diferentes, estrelas poderiam nunca ter formado-se e a vida como conhecemos poderia ser impossível. Ou se o universo tivesse expandido um pouco mais rápido do que expandiu-se, a matéria poderia espalhar-se tão rápido que não poderia coalescer em qualquer objeto significante. Reciprocamente, se a expansão tivesse sido um pouco mais lento, o universo poderia já ter colapsado de volta em um 'Big Crunch'.
Essas e outras 'coincidências' cósmicas levaram alguns cientistas a especular que o universo é da forma que é por estarmos aqui para observá-lo. Esse princípio antrópico possui duas versões básicas, uma fraca e uma forte. A versão fraca, desenvolvida por Robert Dicke no início da década de 1960, declara que em um universo grande, vida inteligente pode existir somente em uma curta janela de tempo. Nós não poderíamos estar surpresos que o universo que nós vemos porque não estaríamos aqui ainda para vê-lo em um tempo significativamente diferente. O princípio antrópico forte vai muito além. Proposto por Brandon Carter no final da década de 1960, ele declara que dentro de todas os universos possíveis que poderiam existir, apenas alguns poucos especiais possuem as condições adequadas que poderiam permitir o surgimento de vida inteligente. As coincidências cósmicas são então, não apenas alguns aspectos fundamentais da forma como as leis da física operam, mas também um pré-requisito para o desenvolvimento da vida. Se o princípio forte do universo antrópico é verdadeiro, então alguns poderiam argumentar que o universo foi criado com esse propósito. Se ele for falso, então uma futura teoria do tudo poderia ser capaz de explicar que essas aparentes coincidências que criam a vida não são realmente coincidências.

Fonte: Stephen's Hawking Universe - Strange Stuff Explained (BBC/PBS)

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