A evolução e a matéria do nosso universo balonista

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O universo nasceu com o Big Bang como um ponto inimaginavelmente quente e denso. Quando o universo tinha apenas 10^-34 de segundo ou mais, isto é, um centésimo de bilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo em idade, ele experimentou uma incrível explosão de expansão conhecida como inflação, na qual o próprio espaço expandiu mais rápido que a velocidade da luz. Durante esse período, o universo dobrou de tamanho pelo menos 90 vezes, passando do tamanho subatômico para o tamanho de uma bola de golfe quase instantaneamente.

O trabalho para entender o universo em expansão vem de uma combinação de física teórica e observações diretas de astrônomos. No entanto, em alguns casos, os astrônomos não conseguiram ver evidências diretas, como o caso das ondas gravitacionais associadas ao fundo cósmico de micro-ondas, a radiação remanescente do Big Bang. Um anúncio preliminar sobre a descoberta dessas ondas em 2014 foi rapidamente retirado, depois que os astrônomos descobriram que o sinal detectado poderia ser explicado pela poeira na Via Láctea.

Segundo a NASA, após a inflação, o crescimento do universo continuou, mas a um ritmo mais lento. À medida que o espaço se expandia, o universo esfriava e a matéria se formava. Um segundo após o Big Bang, o universo estava cheio de nêutrons, prótons, elétrons, anti-elétrons, fótons e neutrinos.

Durante os primeiros três minutos do universo, os elementos leves nasceram durante um processo conhecido como nucleossíntese do Big Bang. As temperaturas esfriaram de 100 nonillion (10³²) Kelvin para 1 bilhão (10⁹) Kelvin, e prótons e nêutrons colidiram para formar deutério, um isótopo de hidrogênio. A maior parte do deutério combinado para fazer hélio, e pequenas quantidades de lítio também foram geradas.

A impressão deste artista do Big Bang mostra galáxias em formação de matéria. Crédito da imagem: Getty

Nos primeiros 380.000 anos, o universo era essencialmente quente demais para a luz brilhar, de acordo com o Centro Nacional de Pesquisa Espacial da França (Centre National d'Etudes Spatiales, ou CNES). O calor da criação esmagou os átomos com força suficiente para quebrá-los em um plasma denso, uma sopa opaca de prótons, nêutrons e elétrons que espalhavam luz como neblina.

Aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang, a matéria esfriou o suficiente para que os átomos se formassem durante a era da recombinação, resultando em um gás transparente e eletricamente neutro, de acordo com a NASA. Isso desencadeou o flash inicial de luz criado durante o Big Bang, que é detectável hoje como radiação cósmica de fundo em micro-ondas. No entanto, após esse ponto, o universo mergulhou na escuridão, já que nenhuma estrela ou qualquer outro objeto brilhante havia se formado ainda.

Cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang, o universo começou a emergir da idade das trevas cósmica durante a época da reionização. Durante esse período, que durou mais de meio bilhão de anos, aglomerados de gás colapsaram o suficiente para formar as primeiras estrelas e galáxias, cuja luz ultravioleta energética ionizou e destruiu a maior parte do hidrogênio neutro.

Embora a expansão do universo tenha diminuído gradualmente à medida que a matéria no universo se atraía por gravidade, cerca de 5 ou 6 bilhões de anos após o Big Bang, de acordo com a NASA, uma força misteriosa agora chamada de energia escura começou a acelerar a expansão do universo novamente, um fenômeno que continua até hoje.

Pouco depois de 9 bilhões de anos após o Big Bang, nosso sistema solar nasceu.

O BIG BANG

O aglomerado globular NGC 6397 contém cerca de 400.000 estrelas e está localizado a cerca de 7.200 anos-luz de distância na constelação do Ara do sul. Com uma idade estimada de 13,5 bilhões de anos, é provável que esteja entre os primeiros objetos da Galáxia a se formar após o Big Bang. Crédito da imagem: NASA/Francesco Ferraro/Observatório de Bolonha

O Big Bang não ocorreu como uma explosão da maneira usual como se pensa, apesar de se poder deduzir de seu nome. O universo não se expandiu para o espaço, pois o espaço não existia antes do universo, segundo a NASA. Em vez disso, é melhor pensar no Big Bang como o aparecimento simultâneo do espaço em todo o universo. O universo não se expandiu a partir de nenhum ponto desde o Big Bang, em vez disso, o próprio espaço foi se estendendo e transportanto matéria com ele.

Como o universo, por sua definição, abrange todo o espaço e tempo como o conhecemos, a NASA diz que está além do modelo do Big Bang dizer que o universo está se expandindo ou que deu origem ao Big Bang. Embora existam modelos que especulam sobre essas questões, nenhum deles fez previsões realisticamente testáveis até o momento.

Em 2014, cientistas do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics anunciaram que haviam encontrado um sinal fraco no fundo cósmico de micro-ondas que poderia ser a primeira evidência direta de ondas gravitacionais, eles mesmos considerados uma “arma fumegante” para o Big Bang. As descobertas foram muito debatidas, e os astrônomos logo retiraram seus resultados quando perceberam que a poeira na Via Láctea poderia explicar suas descobertas. 

QUAL É A IDADE O UNIVERSO?

Esta imagem de todo o céu mostra o universo jovem. Ele revela flutuações de temperatura de 13,7 bilhões de anos. Crédito da imagem: NASA

O universo é atualmente estimado em cerca de 13,8 bilhões de anos, mais ou menos 130 milhões de anos em comparação, o sistema solar tem apenas cerca de 4,6 bilhões de anos.

Essa estimativa veio da medição da composição da matéria e da densidade de energia no universo. Isso permitiu que os pesquisadores calculassem a rapidez com que o universo se expandiu no passado. Com esse conhecimento, eles poderiam voltar o relógio e extrapolar quando o Big Bang aconteceu. Esse tempo e o agora é a idade do universo.

COMO ESTÁ ESTRUTURADO?

Os cientistas supõem que, nos primeiros momentos do universo, não havia estrutura para falar sobre, com matéria e energia distribuídas quase uniformemente por toda parte. De acordo com a NASA, a atração gravitacional de pequenas flutuações na densidade da matéria naquela época deu origem à vasta estrutura de estrelas em forma de teia e ao vazio visto hoje. Regiões densas atraíam cada vez mais matéria por meio da gravidade, e quanto mais massivas se tornavam, mais matéria podiam atrair por meio da gravidade, formando estrelas, galáxias e estruturas maiores conhecidas como aglomerados, superaglomerados, filamentos e muralhas, com "grandes paredões" de milhares de galáxias atingindo mais de um bilhão de anos-luz em comprimento. Regiões menos densas não cresceram, evoluindo para áreas de espaço aparentemente vazio chamadas de vácuos.

MATÉRIA DO UNIVERSO

Filamentos de matéria escura, chamados cabelos, se formam quando partículas de matéria escura passam por um planeta. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Até algumas décadas atrás, os astrônomos imaginavam que o universo era composto quase inteiramente de átomos comuns, ou “matéria bariônica”, segundo a NASA. No entanto, recentemente tem havido cada vez mais evidências que sugerem que a maioria dos ingredientes que compõem o universo vem em formas que não podemos ver.

Acontece que os átomos representam apenas 4,6% do universo. Do restante, 23% é composto de matéria escura, que provavelmente é composta por uma ou mais espécies de partículas subatômicas que interagem muito fracamente com a matéria comum, e 72% é feita de energia escura, que aparentemente está impulsionando a expansão acelerada de o universo.

Quando se trata dos átomos com os quais estamos familiarizados, o hidrogênio representa cerca de 75%, enquanto o hélio representa cerca de 25%, com elementos mais pesados representando apenas uma pequena fração dos átomos do universo, de acordo com a NASA.

QUAL É A FORMA DO UNIVERSO?

Crédito da imagem: ©genially

A forma do universo e se ele é finito ou infinito em extensão depende da luta entre a taxa de sua expansão e a força da gravidade. A força da atração em questão depende em parte da densidade da matéria no universo.

Se a densidade do universo excede um valor crítico específico, então o universo é "fechado" e "curvo positivo" como a superfície de uma esfera. Isso significa que os feixes de luz que são inicialmente paralelos irão convergir lentamente, eventualmente cruzar e retornar ao seu ponto de partida, se o universo durar o suficiente. Se assim for, de acordo com a NASA, o universo não é infinito, mas não tem fim, assim como a área na superfície de uma esfera não é infinita, mas não tem começo nem fim. O universo acabará por parar de se expandir e começar a colapsar sobre si mesmo, o chamado "Big Crunch".

Se a densidade do universo for menor que esta densidade crítica, então a geometria do espaço é "aberta" e "negativamente curvada" como a superfície de uma sela. Se assim for, o universo não tem limites e se expandirá para sempre.

Se a densidade do universo for exatamente igual à densidade crítica, então a geometria do universo é "plana" com curvatura zero como uma folha de papel, de acordo com a NASA. Nesse caso, o universo não tem limites e se expandirá para sempre, mas a taxa de expansão se aproximará gradualmente de zero após um período infinito de tempo. Medições recentes sugerem que o universo é plano com apenas 0,4% de margem de erro, de acordo com a NASA.

É possível que o universo tenha uma forma mais complicada no geral, embora pareça possuir uma curvatura diferente. Por exemplo, o universo poderia ter a forma de uma cela ou rosquinha.

UNIVERSO EM EXPANSÃO

Na década de 1920, o astrônomo Edwin Hubble descobriu que o universo não era estático. Em vez disso, estava se expandindo; uma descoberta que revelou que o universo aparentemente nasceu em um Big Bang.

Depois disso, pensou-se por muito tempo que a gravidade da matéria no universo certamente retardaria a expansão do universo. Então, em 1998, as observações do Telescópio Espacial Hubble de supernovas muito distantes revelaram que, há muito tempo, o universo estava se expandindo mais lentamente do que hoje. Em outras palavras, a expansão do universo não estava diminuindo devido à gravidade, mas inexplicavelmente estava acelerando. O nome da força desconhecida que impulsiona essa expansão acelerada é energia escura, e continua sendo um dos maiores mistérios da ciência.

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RECURSOS ADICIONAIS

Quer explorar o universo por si mesmo? Você pode percorrer as estrelas e galáxias da Via Láctea virtualmente usando o Hubble Skymap da NASA. Além disso, você pode ler 10 teorias estranhas sobre o universo neste artigo da Gaia Ciência.

BIBLIOGRAFIA

• "As primeiras estrelas do Universo". Avisos Mensais da Royal Astronomical Society: Cartas, Volume 373, Edição 1 (2006). https://academic.oup.com/mnrasl/article/373/1/L98/989035?login=true
• "O universo molecular". Comentários de Física Moderna (2013). https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.85.1021
• "Lei de Hubble e o universo em expansão". Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (2015). https://www.pnas.org/content/112/11/3173.short

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Referência:

CHOI, Charles Q; HARVEY, Ailsa. Our expanding universe: Age, history & other facts. Space, 19, jan. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/52-the-expanding-universe-from-the-big-bang-to-today.html>. Acesso em: 31, jan. 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.