O Big Bang e a evolução do Universo: dos primeiros instantes até hoje.

Todos já ouvimos falar no big bang e sabemos o resultado dele. Mas você já se perguntou como as coisas realmente evoluíram? Estamos aqui pra te explicar!

Antes de tudo, como se iniciou a teoria do big bang? Bom, quando Einstein nos deu a sua teoria da relatividade geral, ele pensava que o universo era completamente estático, que não teve começo e não teria fim. Bom, não foi bem isso que as equações do próprio Einstein nos falou. A equação de Einstein consegue explicar como o universo inteiro se comporta, porém quando calculamos o futuro do universo, a resposta é que existe uma força estritamente atrativa no universo inteiro, logo num futuro muito distante a matéria inteira iria se juntar, fazendo com que a ideia de Einstein de universo estático fosse por água abaixo. Einstein inseriu nas suas equações um termo que agia como uma “antigravidade” para corrigir tal resposta. Porém com o avanço da ciência, Edwin Hubble (sim o cientista que deu nome ao telescópio que você já deve ter ouvido falar) com sua técnica extremamente desenvolvida de espectroscopia, nos revela que para onde quer que apontemos os telescópios, veremos as coisas se afastando de nós, ou seja, o universo de fato, não era estático. É aqui, que entra a teoria do big bang. Ela veio para explicar justamente esse afastamento das estruturas cosmológicas e confirmou de uma vez por todas que, de fato, Einstein estava errado ao achar que o universo era estático.

Primeiramente, o que foi o big bang? O big bang foi a criação de tudo, absolutamente tudo, espaço, tempo e matéria. No início, tudo estava concentrado em um ponto de densidade infinita, com temperatura altíssima, nesse estado é impossível termos qualquer matéria. No princípio, tudo era apenas energia. Para falarmos de big bang, não podemos falar do tempo 0 em si, pois o tempo 0 seria imediatamente antes do big bang acontecer e não podemos falar de momentos antes do big bang pois o próprio tempo foi criado no big bang. Bom, e como estudamos o big bang? Hoje temos aproximações muito boas do tempo 0, conseguimos especular e calcular as propriedades do big bang a um tempo de 10^-43 segundos (tempo de planck). Esse tempo é tão pequeno que não há instrumento existente capaz de calcular tal tempo. Bom, nesse instante, temos uma temperatura de 10^32 K, essa temperatura é zilhões de vezes maior que a explosão de uma estrela em supernova.

Bom, dado uma introdução, vamos observar o big bang numa timeline:

imagem 1 [1]: linha do tempo do big bang

Gif[2]: big bang simulado

aqui iremos comentar, o mais aprofundado possível, cada ponto dessa timeline.

I) Em um primeiro momento (10^-43 s), tínhamos o estado descrito acima, um ponto extremamente quente e denso. Sem matéria, apenas energia.

II) Entre 10^-37 s e 10^-32 s, tivemos uma inflação muito rápida do universo, a chamada inflação cósmica. Bom, a inflação cósmica, como está descrita e ilustrada na nossa timeline (inflation), é uma teoria para um problema visto pelos cosmólogos: o problema do horizonte.

O que é o problema do horizonte? Basicamente é o seguinte: existem pontos do universo distantes demais e semelhantes demais para jamais terem trocado informação. Vamos simplificar, os cosmólogos medem grandezas físicas (entropia, temperatura, etc) muito semelhantes (para não dizer iguais) em pontos tão distantes que a luz, que é a maneira mais rápida de se transmitir informação, não teria tempo de conectar os dois pontos medidos. Isso é um problema, pois seria muita coincidência termos muitos pontos extremamente parecidos sem nenhuma troca de informação, que é o que temos. Bom, existem diversas soluções para o problema do horizonte. Uma delas, e a mais embasada, é a inflação cósmica, que afirma que no início, tudo estava junto e o universo apenas se expandiu a uma velocidade absurdamente mais alta do que a atual, aumentando seu tamanho em um fator estimado em no mínimo 10^26. Vale ressaltar aqui, o que possibilitou a expansão abrupta do universo nos poucos trilionésimos de trilionésimos de trilionésimos de segundo. Existem hipóteses para explicar porque o universo foi capaz de se expandir de forma absurda em um tempo tão pequeno. Uma delas é a do falso vácuo, que diz que quando o big bang aconteceu, o universo experimentava um falso vácuo, que fazia com que a pressão externa fosse extremamente negativa, fazendo assim o universo sentir um puxão muito forte em todas as direções, assim possibilitando uma expansão tão abrupta quanto essa.

Existem hipóteses que tentam explicar o problema do horizonte sem a necessidade de uma inflação, uma delas é a teoria da velocidade da luz variável (variable speed of light - VSL), que diz que a luz, nos primórdios do universo, tinha uma velocidade superior à atual. Essa hipótese não é muito aceita pela comunidade científica pois mexe com uma constante já muito bem medida em experimentos que é a velocidade da luz.

III) Entre 10^-32 s e 10^-5 s houve a criação das partículas elementares, os bósons W e Z, elétrons, quarks, glúons, múons, taus e neutrinos (para saber mais sobre elas, acesse nosso texto: A Física de Partículas segundo a Teoria Quântica de Campos). Além da aparição de fótons. Foi nesse estágio onde a luz se desvinculou da matéria e o nosso universo se clareou. Antes de 10^-32 s, a temperatura era tão alta e a densidade do universo tão alta que os fótons não conseguiam se locomover, logo que era emitido era capturado e transformado em energia novamente.

IV) Entre 10^-5 s e 10^2 s, nós tivemos a formação dos bárions (partículas subatômicas formadas por 3 quarks): nêutrons, prótons. Também houve o surgimento dos mésons (partículas formadas por um quark e um antiquark) como o méson pi, descoberto por um cientista brasileiro, o Cesar Lattes.

V) Entre 10^2 s e 3x10^5 anos, houve a formação dos primeiros íons, com a temperatura mais amena, a pressão bem menor, os nêutrons e os prótons puderam se unir e formar núcleos de átomos de Hidrogênio e Hélio.

VI) Entre 10^5 anos e 10^9 anos houve a formação dos primeiros átomos de hidrogênio e hélio. Uma das previsões da teoria do big bang é que durante esse tempo o universo passou a se compor de 75% de átomos de hidrogênio e 25% de átomos de hélio. Para confirmar tal previsão, podemos analisar a composição de algum ponto do espaço que não foi influenciado pelas estrelas (as estrelas são as fábricas dos elementos químicos através da fusão nuclear). Feito esta análise, essa previsão foi confirmada. Até este ponto, não havia surgimento de nenhum astro, nem estrelas, planetas ou satélites. Devido a não formação de estrelas, essa faixa de tempo foi chamada de “era escura” do universo, já que são elas a nos proporcionar luz.

VII) Entre 10^9 anos e 12x10^9 anos, nasceram as primeiras estrelas, que por serem extremamente grandes colapsaram muito rápido (supernovas), dando origem a elementos mais pesados e oferecendo matéria e energia para a formação de outras estrelas menores e mais duráveis. Esse fenômeno vem ocorrendo até os dias de hoje, onde podemos observar diversas dessas mortes de estrelas. Enfim chegamos no atual universo, um universo cheio de atividade, buracos negros, nebulosas, vida.

imagem 2[3]: supernova do caranguejo

Imagem 3[4]: pilares da criação

Nas imagens acima, vemos dois exemplos de supernova, onde cada ponto brilhante é uma estrela em formação.

Gif [5]: simulação buraco negro

Bom, após vermos a evolução do universo num formato mais histórico, vamos falar um pouco de física. O big bang é tratado como uma explosão, mas não se engane, o big bang foi uma ‘expansão’ de um ponto extremamente denso e energético, e não uma explosão como uma bomba, como é dito, de forma errônea, em alguns documentários e aulas de ciência que você pode ter visto.

Além desse detalhe, temos um fenômeno de extrema importância para o universo ser do jeito que conhecemos: a anisotropia da radiação cósmica de fundo.

Imagem 4 [6]: radiação cósmica de fundo (cosmic microwave background - CMB) pelo satélite Planck.

Nessa imagem do satélite Planck, podemos ver, de forma bem clara, que existem pontos de anisotropia, pontos onde a radiação têm temperatura diferente. As cores do mapa são extremamente diferentes, mas não se engane, isso é meramente ilustrativo, na realidade, as flutuações de temperatura são extremamente pequenas, mínimas. Porém, se não fosse essa mínima diferença, nós jamais poderíamos existir, o universo seria homogêneo, um universo sem graça, sem atividade. A mínima diferença de temperatura dessa radiação cósmica de fundo, está diretamente relacionada à concentração de massa (matéria) em determinado ponto. Mas por quê isso é importante? se a concentração de massa no universo fosse uniforme, seria impossível a formação de estrelas, planetas, satélites. A formação desses astros começa quando há uma diferença mínima de concentração de massa num ponto e essa concentração maior atrai os outros átomos ficando cada vez maior se tornando assim estrelas, planetas e satélites.

Além disso, a radiação cósmica de fundo foi crucial para a evolução do big bang de hipótese à teoria, já que toda teoria, para ser válida, tem que fazer previsões e essas previsões têm que ser confirmadas para validar a teoria. A radiação cósmica de fundo decretou, mesmo com algumas falhas restantes, que o big bang é uma teoria científica.

Referências bibliográficas:

[1] Linha do tempo do big bang. https://pariscosmo.in2p3.fr/en/content/early-universe. Acesso em agosto de 2020.

[2] Simulação big bang. https://tenor.com/view/nasa-big-bang-explode-boom-gif-9363046. Acesso em agosto de 2020.

[3] Supernova do caranguejo. https://www.eso.org/public/portugal/images/eso9948f/?lang. Acesso em agosto de 2020

[4] Pilares da criação. https://pt.wikipedia.org/wiki/Pilares_da_Cria%C3%A7%C3%A3o. Acesso em agosto 2020.

[5] Simulação de um buraco negro. https://super.abril.com.br/ciencia/simulacao-da-nasa-mostra-como-um-buraco-negro-distorce-o-espaco/. Acesso em agosto de 2020.

[6] Radiação cósmica de fundo (cosmic microwave background - CMB) imagem construída pelo satélite Planck. https://apod.nasa.gov/apod/ap180722.html. Acesso em agosto de 2020.

[7] Luiz H. M. Arthury, Luiz O. Q. Peduzzi. A teoria do big bang e a natureza da ciência. Acesso em agosto de 2020

[8] DA COSTA, Roberto D. D; IDIART, Thais. E. P. O big bang, a origem do universo parte 1. http://eaulas.usp.br/portal/video.action?idItem=13005. Acesso em agosto de 2020.

[9] DA COSTA, Roberto D. D; IDIART, Thais. E. P. O big bang, a origem do universo parte 2. http://eaulas.usp.br/portal/video.action?idItem=13006. Acesso em agosto de 2020.