A Teoria do Big Bang é a nossa melhor conjectura sobre como o universo começou

O universo surgiu há cerca de 13,7 bilhões de anos. Crédito da imagem: ALFRED PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

A Teoria do Big Bang é a principal explicação de como o universo começou. Simplificando, diz que o universo como o conhecemos começou com um único ponto infinitamente quente e denso que inflou e se estendeu, primeiro a velocidades inimagináveis e depois a uma taxa mais mensurável, para os próximos 13,7 bilhões de anos para o cosmos ainda em expansão que conhecemos hoje.

A tecnologia existente ainda não permite aos astrônomos observar literalmente o nascimento do universo, muito do que entendemos sobre o Big Bang vem de fórmulas e modelos matemáticos. Os astrônomos podem, no entanto, ver o "eco" da expansão através de um fenômeno conhecido como radiação cósmica de fundo.

Embora a maioria da comunidade astronômica aceite a teoria, existem alguns teóricos que têm explicações alternativas além do Big Bang, como a inflação eterna ou um universo oscilante.

O BIG BANG: O NASCIMENTO DO UNIVERSO

Há cerca de 13,7 bilhões de anos, tudo em todo o universo estava condensado em uma singularidade infinitesimalmente pequena, um ponto de densidade e calor infinitos. 

De repente, uma expansão explosiva começou, expandindo nosso universo mais rápido que a velocidade da luz. Este foi um período de inflação cósmica que durou meras frações de segundo, cerca de 10^-32 segundo, de acordo com a teoria de 1980 do físico Alan Guth que mudou para sempre a maneira como pensamos sobre o Big Bang. 

Quando a inflação cósmica chegou a um fim súbito e ainda misterioso, as descrições mais clássicas do Big Bang tomaram conta. Uma inundação de matéria e radiação, conhecida como "reaquecimento", começou a povoar nosso universo com o que conhecemos hoje: Partículas, átomos, o material que se tornaria estrelas e galáxias e assim por diante.

As imagens do Hubble mostram a distante galáxia GN-z11 como ela apareceu logo após o Big Bang. Crédito da imagem: NASA

Tudo isso aconteceu apenas no primeiro segundo após o início do universo, quando a temperatura de tudo ainda era insanamente quente, cerca de 5,5 bilhões de graus Celsius (10 bilhões de graus Fahrenheit), de acordo com a NASA. O cosmos agora continha uma vasta gama de partículas fundamentais, como nêutrons, elétrons e prótons; as matérias-primas que se tornariam os blocos de construção de tudo o que existe hoje.

Esta "sopa" inicial teria sido impossível de ver porque não conseguia conter a luz visível. “Os elétrons livres teriam feito com que a luz (fótons) se espalhasse da mesma forma que a luz do sol se espalha das gotas de água nas nuvens”, afirmou a NASA. Com o tempo, no entanto, esses elétrons livres se encontraram com núcleos e criaram átomos neutros ou átomos com cargas elétricas positivas e negativas iguais.

Isso permitiu que a luz finalmente brilhasse, cerca de 380.000 anos após o Big Bang.

Às vezes, chamada de "resplendor" do Big Bang, essa luz é mais apropriadamente conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). Foi previsto pela primeira vez por Ralph Alpher e outros cientistas em 1948, mas foi encontrado apenas por acidente quase 20 anos depois.

Um mapa da radiação de fundo remanescente do Big Bang, obtida pela espaçonave Planck da ESA, capturou a luz mais antiga do universo. Esta informação ajuda os astrônomos a determinar a idade do universo. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, CC BY-SA

Essa descoberta acidental aconteceu quando Arno Penzias e Robert Wilson, ambos da Bell Telephone Laboratories em Nova Jersey, estavam construindo um receptor de rádio em 1965 e captaram temperaturas acima do esperado, de acordo com um artigo da NASA. A princípio, eles pensaram que a anomalia era devido a pombos tentando se empoleirar dentro da antena e seus dejetos, mas eles limparam a bagunça e mataram os pombos e a anomalia persistiu.

Simultaneamente, uma equipe da Universidade de Princeton liderada por Robert Dicke estava tentando encontrar evidências do CMB e percebeu que Penzias e Wilson o haviam encontrado com suas estranhas observações. Os dois grupos publicaram artigos no Astrophysical Journal em 1965.

RECONSTRUINDO A INFÂNCIA DO UNIVERSO

Como não podemos vê-lo diretamente, os cientistas têm tentado descobrir como "ver" o Big Bang por meio de outras extensões. Em um caso, os cosmólogos estão pressionando o retrocesso para chegar ao primeiro instante após o Big Bang, simulando 4.000 versões do universo atual em um enorme supercomputador. 

“Estamos tentando fazer algo como adivinhar uma foto de criança do nosso universo a partir da imagem mais recente”, escreveu o líder do estudo Masato Shirasaki, cosmólogo do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), em um e-mail para a Live Science. 

Com o que se sabe sobre o universo hoje, os pesquisadores deste estudo de 2021 compararam sua compreensão de como as forças gravitacionais interagiram no universo primordial com seus milhares de universos modelados por computador. Se eles pudessem prever as condições iniciais de seus universos virtuais, eles esperariam ser capazes de prever com precisão como seria nosso próprio universo no início. 

Outros pesquisadores escolheram caminhos diferentes para interrogar o início do nosso universo. 

Em um estudo de 2020, os pesquisadores o fizeram investigando a divisão entre matéria e antimatéria. No estudo, ainda não revisado por pares, eles propuseram que o desequilíbrio na quantidade de matéria e antimatéria no universo está relacionado às vastas quantidades de matéria escura do universo, uma substância desconhecida que exerce influência sobre a gravidade e ainda não interage com a luz. Eles sugeriram que nos momentos cruciais imediatamente após o Big Bang, o universo pode ter sido forçado a produzir mais matéria do que seu inverso, antimatéria, o que poderia ter levado à formação de matéria escura.

A IDADE DO UNIVERSO

Impressão artística da espaçonave Planck da Agência Espacial Europeia. O principal objetivo de Planck é estudar o Fundo Cósmico de Microondas a radiação remanescente do Big Bang. Crédito da imagem: ESA/C. Carreau

A CMB foi observado por muitos pesquisadores agora e com muitas missões espaciais. Uma das missões espaciais mais famosas a fazê-lo foi o satélite Cosmic Background Explorer (COBE) da NASA, que mapeou o céu na década de 1990.

Várias outras missões seguiram os passos do COBE, como o experimento BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da NASA e o satélite Planck da Agência Espacial Europeia.

As observações do Planck, divulgadas pela primeira vez em 2013, mapearam a CMB com detalhes sem precedentes e revelaram que o universo era mais antigo do que se pensava: 13,82 bilhões de anos, em vez de 13,7 bilhões de anos. A missão do observatório de pesquisas está em andamento e novos mapas da CMB são divulgados periodicamente.

Os mapas dão origem a novos mistérios, no entanto, como o por que o Hemisfério Sul parece ligeiramente mais vermelho (mais quente) do que o Hemisfério Norte. A teoria do Big Bang diz que a CMB seria praticamente o mesmo, não importa para onde você olhe.

Examinar a CMB também dá aos astrônomos pistas sobre a composição do universo. Os pesquisadores acham que a maior parte do cosmos é composta de matéria e energia que não podem ser "detectadas" com nossos instrumentos convencionais, levando aos nomes "matéria escura" e "energia escura". Pensa-se que apenas 5% do universo é composto de matéria, como planetas, estrelas e galáxias.

OBSERVAÇÃO DE ONDAS GRAVITACIONAIS

Enquanto os astrônomos estudam o início do universo por meio de medidas criativas e simulações matemáticas, eles também buscam provas de sua rápida inflação. Eles fizeram isso estudando ondas gravitacionais, pequenas perturbações no espaço-tempo que ondulam para fora de grandes perturbações como, por exemplo, dois buracos negros colidindo ou o nascimento do universo.

De acordo com as principais teorias, no primeiro segundo após o nascimento do universo, nosso cosmos inflou mais rápido que a velocidade da luz. (A propósito, isso não viola o limite de velocidade de Albert Einstein. Ele disse uma vez que a velocidade da luz é mais rápida que qualquer coisa pode viajar dentro do universo, mas essa afirmação não se aplica à inflação do próprio universo).

À medida que o universo se expandia, ele criava a CMB e um “ruído de fundo” semelhante, feito de ondas gravitacionais que, como a CMB, eram uma espécie de estática, detectável de todas as partes do céu. Essas ondas gravitacionais, de acordo com a Colaboração Científica LIGO, produziu uma polarização teoricamente quase indetectável, um tipo da qual é chamada de "modos B".

Em 2014, os astrônomos disseram ter encontrado evidências de modos B usando um telescópio antártico chamado "Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization", ou BICEP2.

“Estamos muito confiantes de que o sinal que estamos vendo é real e está no céu”, disse o pesquisador principal John Kovac, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, ao Space.com em março de 2014.

Mas em junho, a mesma equipe disse que suas descobertas poderiam ter sido alteradas pela poeira galáctica atrapalhando seu campo de visão. Essa hipótese foi apoiada por novos resultados do satélite Planck.

Em janeiro de 2015, pesquisadores de ambas as equipes trabalhando juntos "confirmaram que o sinal do Bicep era principalmente, se não totalmente, poeira estelar", disse o New York Times.

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. Crédito da imagem: NASA/WMAP Science Team

No entanto, desde então, as ondas gravitacionais não só foram confirmadas como existentes, como também foram observadas várias vezes. 

Essas ondas, que não são modos B desde o nascimento do universo, mas sim de colisões mais recentes de buracos negros, foram detectadas várias vezes pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), com a primeira detecção de ondas gravitacionais ocorrendo em 2016. À medida que o LIGO se torna mais sensível, prevê-se que a descoberta de ondas gravitacionais relacionadas a buracos negros seja um evento bastante frequente.

O BIG BANG FOI UMA EXPLOSÃO?

Embora o Big Bang seja frequentemente descrito como uma "explosão", essa é uma imagem enganosa. Em uma explosão, fragmentos são lançados de um ponto central para um espaço pré-existente. Se você estivesse no ponto central, veria todos os fragmentos se afastando de você aproximadamente na mesma velocidade. 

Mas o Big Bang não foi assim. Foi uma expansão do próprio espaço, um conceito que vem das equações da relatividade geral de Einstein, mas não tem contrapartida na física clássica da vida cotidiana. Isso significa que todas as distâncias no universo estão se estendendo na mesma proporção. Quaisquer duas galáxias separadas pela distância X estão se afastando uma da outra na mesma velocidade, enquanto uma galáxia a uma distância 2X se afasta com o dobro dessa velocidade.

A EXPANSÃO CONTÍNUA DO UNIVERSO

O universo não está apenas se expandindo, mas se expandindo mais rápido. Isso significa que, com o tempo, ninguém será capaz de localizar outras galáxias da Terra ou de qualquer outro ponto de vista dentro de nossa galáxia.

"Veremos galáxias distantes se afastando de nós, mas sua velocidade estará aumentando com o tempo", disse Avi Loeb, astrônomo da Universidade de Harvard, em um artigo do Space.com de março de 2014.

"Então, se você esperar o suficiente, eventualmente, uma galáxia distante atingirá a velocidade da luz. O que isso significa é que nem mesmo a luz será capaz de preencher a lacuna que está sendo aberta entre essa galáxia e nós. Não haverá como extraterrestres naquela galáxia se comunicar conosco, enviando quaisquer sinais que cheguem até nós, uma vez que sua galáxia está se movendo mais rápido que a luz em relação a nós".

Alguns físicos também sugerem que o universo que experimentamos é apenas um entre muitos. No modelo do "multiverso", diferentes universos coexistiriam como bolhas lado a lado. A teoria sugere que naquele primeiro grande impulso da inflação, diferentes partes do espaço-tempo cresceram a taxas diferentes. Isso poderia ter criado diferentes setores, universos diferentes, com leis da física potencialmente diferentes.

"É difícil construir modelos de inflação que não levem a um multiverso", disse Alan Guth, físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, durante uma coletiva de imprensa em março de 2014 sobre a descoberta das ondas gravitacionais. (Alan Guth não é afiliado a esse estudo).

"Não é impossível, então acho que certamente ainda há pesquisas que precisam ser feitas. Mas a maioria dos modelos de inflação leva a um multiverso, e as evidências da inflação nos levarão a levar [a ideia de] multiverso a sério".

Embora possamos entender como o universo que vemos surgiu, é possível que o Big Bang não tenha sido o primeiro período inflacionário que o universo experimentou. Alguns cientistas acreditam que vivemos em um cosmos que passa por ciclos regulares de inflação e deflação, e que simplesmente vivemos em uma dessas fases.

TELESCÓPIO ESPACIAL JAMES WEBB E O BIG BANG

O Telescópio Espacial James Webb tem a capacidade de olhar profundamente no passado. Crédito da imagem: dima_zel via Getty Images

Um telescópio é quase como uma máquina do tempo, permitindo-nos visualizar o passado distante. Com a ajuda do telescópio espacial Hubble, a NASA nos mostrou as galáxias como eram há muitos bilhões de anos; e o sucessor do Hubble, o Telescópio Espacial James Webb, tem a capacidade de olhar ainda mais fundo no passado. 

A NASA espera ver todo o caminho de volta para quando as primeiras galáxias se formaram, quase 13,6 bilhões de anos atrás. E ao contrário do Hubble, que vê principalmente na banda de onda visível, o JWST é um telescópio infravermelho, uma grande vantagem ao observar galáxias muito distantes. A expansão do universo significa que as ondas emitidas por eles são esticadas, então a luz que foi emitida em comprimentos de onda visíveis realmente chega até nós no infravermelho.

THE BIG BANG THEORY: TORNANDO-SE UM NOME FAMILIAR

Embora tenha demorado um pouco, o público da TV gostou da comédia de inspiração nerd The Big Bang Theory. Crédito da imagem: CBS

O nome "The Big Bang Theory" tem sido uma maneira popular de falar sobre o conceito entre os astrofísicos há décadas, mas atingiu o mainstream em 2007, quando um programa de TV de comédia com o mesmo nome estreou na CBS. 

Com 279 episódios em 12 temporadas, o programa "The Big Bang Theory" acompanhou a vida de um grupo de cientistas, que incluía físicos, astrofísicos e engenheiros aeroespaciais. O show explora as amizades, romances e brigas nerds do grupo. Sua primeira temporada estreou em 24 de setembro de 2007 e o show terminou oficialmente em 16 de maio de 2019.

Embora o show em si não tenha mergulhado muito na ciência real, os showrunners contrataram o astrofísico da UCLA David Saltzberg como consultor científico durante todo o show, de acordo com a revista Science. Os consultores científicos são frequentemente contratados para programas e filmes de ficção científica e relacionados à ciência para ajudar a manter certos aspectos realistas.

Graças a Saltzberg, o vocabulário dos personagens incluiu uma série de jargões científicos e os quadros brancos no fundo de laboratórios, escritórios e apartamentos ao longo do show foram preenchidos com uma variedade de equações e informações. 

Ao longo do programa, disse Saltzberg, esses quadros brancos se tornaram um espaço cobiçado à medida que os pesquisadores lhe enviavam novos trabalhos que esperavam que pudessem ser apresentados lá. Em um episódio, lembrou Saltzberg, novas evidências de ondas gravitacionais foram rabiscadas em um quadro branco que aparentemente pertencia ao famoso físico Stephen Hawking, que também aprovou o texto.

O veterano astronauta da NASA Mike Massimino (à direita) posa para uma foto com o ator Simon Helberg e outro ator de Big Bang Theory durante uma pausa nas filmagens do final da temporada de The Big Bang Theory da CBS. Crédito da imagem: Mike Massimino (via Twitter como @Astro_Mike)

O show tomou algumas liberdades, pois era fictício. Isso incluiu a fabricação de alguns novos conceitos científicos e a criação de ficção da política dos prêmios Nobel e da academia, de acordo com o físico do Fermilab, Don Lincoln.

Notavelmente, vários personagens da série fazem viagens. Um episódio mostra os personagens principais Leonard, Sheldon, Raj e Howard partindo em uma expedição de pesquisa ao Ártico, muitos experimentos de física são melhor executados nos ambientes extremos dos polos ou perto deles. Outro colocou o engenheiro aeroespacial Howard em uma espaçonave russa Soyuz e, mais tarde, em um modelo da Estação Espacial Internacional junto com o astronauta da vida real Mike Massimino.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

RECURSOS ADICIONAIS

Descubra mais sobre a CMB na página da NASA colocando a teoria do Big Bang à prova. A NASA também montou o que o Big Bang pode ter parecido nesta animação. Veja 5 fatos rápidos sobre o Big Bang da revista How It Works.

—Este artigo foi atualizado em 06 de dezembro de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

MAY, Andrew; HOWELL, Elizabeth. What is the Big Bang Theory? Space, Nova York, 18, nov. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/25126-big-bang-theory.html>. Acesso em: 06, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.