Como o Universo começou e como foram seus primórdios?
Esta ilustração do megalodonte pode estar errada. O antigo tubarão predador foi extinto há cerca de 3,6 milhões de anos e tem sido comparado aos grandes tubarões brancos atuais. No entanto, novas estimativas sugerem que o megalodonte tinha um corpo mais fino e mais longo.
A teoria mais bem fundamentada sobre a origem do nosso Universo está centrada em um evento conhecido como Big Bang. Essa teoria nasceu da observação de que outras galáxias estão se afastando da nossa em grande velocidade em todas as direções, como se todas tivessem sido impulsionadas por uma antiga força explosiva.
Um padre belga chamado Georges Lemaître sugeriu a teoria do Big Bang pela primeira vez na década de 1920, quando teorizou que o Universo começou a partir de um único átomo primordial. A ideia recebeu um grande impulso com as observações de Edwin Hubble de que as galáxias estão se afastando de nós em todas as direções, bem como com a descoberta da radiação cósmica de micro-ondas na década de 1960 – interpretada como ecos do Big Bang – por Arno Penzias e Robert Wilson.
Outros trabalhos ajudaram a esclarecer o ritmo do Big Bang. A teoria é a seguinte: nos primeiros 10^-43 segundos de sua existência, o Universo era muito compacto, com menos de um milhão de bilhões de bilionésimos do tamanho de um único átomo.
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Acredita-se que em um estado tão incompreensivelmente denso e energético, as quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca – foram forjadas em uma única força, mas nossas teorias atuais ainda não descobriram como uma força unificada funcionaria. Para conseguir isso, precisaríamos saber como a gravidade funciona na escala subatômica, mas atualmente não sabemos.
Acredita-se também que os espaços extremamente próximos permitiram que as primeiras partículas do Universo se misturassem, e se estabelecessem mais ou menos na mesma temperatura. Então, em uma fração inimaginavelmente pequena de segundo, toda essa matéria e energia se expandiram para fora de forma mais ou menos uniforme, com pequenas variações proporcionadas por flutuações na escala quântica. Esse modelo de expansão vertiginosa, chamado de inflação, pode explicar por que o Universo tem uma temperatura e uma distribuição de matéria tão uniformes.
Após a inflação, o Universo continuou a se expandir, mas em um ritmo muito mais lento. Ainda não está claro o que exatamente provocou a inflação.
Consequência da inflação cósmica
Com o passar do tempo e o resfriamento da matéria, começaram a se formar tipos mais diversos de partículas, que acabaram se condensando nas estrelas e galáxias do nosso Universo atual.
Quando o Universo tinha um bilionésimo de segundo de idade, já havia esfriado o suficiente para que as quatro forças fundamentais se separassem umas das outras. As partículas fundamentais do universo também se formaram. No entanto, ele ainda estava tão quente que essas partículas ainda não haviam se reunido em muitas das partículas subatômicas que temos hoje, como o próton.
À medida que o Universo continuava a se expandir, essa sopa primordial quente – chamada de plasma de quarks e glúons – continuava a esfriar. Algumas colisões de partículas, como o Large Hadron Collider (Grande Colisor de Hádrons) do CERN, são potentes o suficiente para recriar o plasma de quark-glúons.
A radiação no Universo primitivo era tão intensa que os fótons em colisão podiam formar pares de partículas feitas de matéria e antimatéria, que é como a matéria comum em todos os sentidos, exceto com a carga elétrica oposta. Acredita-se que o Universo primitivo continha quantidades iguais de matéria e antimatéria. Mas, à medida que o ele esfriava, os fótons não tinham mais força suficiente para formar pares de matéria e antimatéria. Assim, como em um jogo extremo de cadeiras musicais, muitas partículas de matéria e antimatéria se emparelharam e se aniquilaram.
De alguma forma, um pouco do excesso de matéria sobreviveu – e agora ela é o material de que são feitas as pessoas, os planetas e as galáxias. Nossa existência é um sinal claro de que as leis da natureza tratam a matéria e a antimatéria de forma ligeiramente diferente. Os pesquisadores observaram experimentalmente esse desequilíbrio de regras, chamado de violação de CP, em ação. Os físicos ainda estão tentando descobrir exatamente como a matéria venceu no Universo primitivo.
Uma partícula minúscula e fantasmagórica chamada neutrino e sua contraparte de antimatéria, um antineutrino, podem esclarecer essa questão, e dois grandes experimentos, chamados Dune e Hyper-Kamiokande, estão usando essas partículas sem carga e quase sem massa para tentar resolver o mistério.
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A galáxia de Andrômeda ou M31 é a maior galáxia vizinha da Via Láctea. Nesta imagem, baseada em dados da Nasa e da Agência Espacial Europeia, o vermelho indica gás hidrogênio; o verde indica poeira fria; e a poeira mais quente é mostrada em azul.
A construção de átomos
No primeiro segundo do Universo, ele estava frio o suficiente para que a matéria restante se unisse em prótons e nêutrons, as partículas familiares que compõem os núcleos dos átomos. E após os primeiros três minutos, os prótons e nêutrons se reuniram em núcleos de hidrogênio e hélio.
Em massa, o hidrogênio representava 75% da matéria do universo primitivo e o hélio, 25%. A abundância de hélio é uma previsão fundamental da teoria do Big Bang e foi confirmada por observações científicas.
Apesar de ter núcleos atômicos, o Universo jovem ainda era muito quente para que os elétrons se acomodassem ao redor deles e formassem átomos estáveis. A matéria do universo continuava sendo uma névoa eletricamente carregada que era tão densa que a luz tinha dificuldade de atravessá-la.
Levaria mais 380 mil anos ou mais para o Universo esfriar o suficiente para a formação de átomos neutros – um momento crucial chamado de recombinação. O Universo mais frio o tornou transparente pela primeira vez, o que permitiu que os fótons que se agitavam dentro dele finalmente passassem desimpedidos.
Ainda hoje vemos esse brilho primordial como radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é encontrada em todo o Universo. A radiação é semelhante àquela usada para transmitir sinais de TV por meio de antenas. Mas é a radiação mais antiga conhecida e pode conter muitos segredos sobre os primeiros momentos do universo.
A luz mais antiga do Universo, conhecida como fundo cósmico de micro-ondas, pode ser encontrada em todo o cosmos. Quando essa radiação passa por aglomerados de galáxias em seu caminho para a Terra, ela é distorcida. Os cientistas podem medir essa distorção em aglomerados de galáxias maciços conhecidos, como o RX J1347.5-1145 (mostrado), e usá-la para encontrar novos aglomerados de galáxias.
A matéria compõe apenas uma pequena fração do Universo. Os cientistas acreditam que a energia escura e a matéria escura constituem o restante. O distante aglomerado de galáxias IDCS 1426 (mostrado), que tem 500 trilhões de vezes a massa do Sol, obtém cerca de 90% de sua massa da matéria escura.
Das primeiras estrelas até os dias atuais
Não havia uma única estrela no universo até cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang. Foi necessário esse tempo para que a gravidade reunisse nuvens de hidrogênio e as transformasse em estrelas. Muitos físicos acreditam que vastas nuvens de matéria escura – um material ainda desconhecido que supera a matéria visível em mais de cinco para um – forneceram um andaime gravitacional para as primeiras galáxias e estrelas.
Quando as primeiras estrelas do Universo se acenderam, a luz que elas liberaram teve força suficiente para, mais uma vez, retirar os elétrons dos átomos neutros, um capítulo fundamental do Universo chamado reionização. Os cientistas tentaram vislumbrar esse “amanhecer cósmico”, mas os resultados foram variados.
Em 2018, uma equipe australiana anunciou ter detectado sinais da formação das primeiras estrelas cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang, embora outros grupos não tenham conseguido recriar seus resultados. Em 300 milhões de anos após o Big Bang, as primeiras galáxias nasceram. Nos bilhões de anos que se seguiram, estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias se formaram e se reformaram – eventualmente produzindo nossa galáxia natal, a Via Láctea, e nosso lar cósmico, o Sistema Solar.
Mesmo agora, o Universo está se expandindo. Para surpresa dos astrônomos, o ritmo da expansão está acelerando. As estimativas da taxa de expansão variam, mas os dados do Telescópio Espacial James Webb acrescentam a um crescente conjunto de evidências de que essa expansão está significativamente mais rápida do que deveria.
Acredita-se que essa aceleração seja impulsionada por uma força que repele a gravidade chamada energia escura. Ainda não sabemos o que é a energia escura, mas acredita-se que ela represente 68% do total de matéria e energia do Universo. A matéria escura representa outros 27%. Em essência, toda a matéria que você já viu – desde o seu primeiro amor até as estrelas acima de você – constitui menos de 5% do Universo.
Fontes
Caltech - The Cosmic Microwave Background
Nasa - Hubble Team Breaks Cosmic Distance Record
Nasa - What Is Dark Energy?
Nature - Bowman et al. 2018
Planck - The Cosmic Microwave Background
The Universe Adventure - The Planck Epoch
UCLA - Brief History of the Universe
University of Maryland - Quark-Gluon Plasma and the Early Universe
University of Oregon - The Early Universe
University of Texas - The Early Universe
Este artigo foi publicado originalmente em 18 de janeiro de 2017 na National Geographic Estados Unidos e foi atualizado desde então.
