Surpresa: o Big Bang não é mais o começo do universo

Costumávamos pensar que o Big Bang significava que o universo começou de uma singularidade. Quase 100 anos depois, não temos tanta certeza.

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A imagem cósmica moderna da história do nosso universo começa não com uma singularidade que identificamos com o Big Bang, mas sim com um período de inflação cósmica que estende o universo a escalas enormes, com propriedades uniformes e planura espacial. O fim da inflação significa o início do Big Bang quente. (Crédito: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)
A imagem cósmica moderna da história do nosso universo começa não com uma singularidade que identificamos com o Big Bang, mas sim com um período de inflação cósmica que estende o universo a escalas enormes, com propriedades uniformes e planura espacial. O fim da inflação significa o início do Big Bang quente. (Crédito: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)
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De onde veio tudo isso? Em todas as direções que desejamos observar, encontramos estrelas, galáxias, nuvens de gás e poeira, plasmas tênues e radiações de ondas: de rádio ao infravermelho, da luz visível aos raios gama. Não importa onde ou como olhamos para o universo, ele está cheio de matéria e energia em todos os lugares e em todos os momentos. E, no entanto, é natural supor que tudo veio de algum lugar. Se você quiser saber a resposta para a maior de todas as questões – a questão de nossas origens cósmicas – você deve colocar a questão para o próprio universo e ouvir o que ele lhe diz.

Hoje, o universo como o vemos está se expandindo, rarificando (ficando menos denso) e esfriando. Embora seja tentador simplesmente extrapolar para frente no tempo, quando as coisas serão ainda maiores, menos densas e mais frias, as leis da física nos permitem extrapolar para trás com a mesma facilidade. Há muito tempo, o universo era menor, mais denso e mais quente. Até onde podemos levar essa extrapolação? Matematicamente, é tentador ir o mais longe possível: voltar aos tamanhos infinitesimais e às densidades e temperaturas infinitas, ou o que conhecemos como singularidade. Essa ideia, de um início singular para o espaço, o tempo e o universo, há muito tempo é conhecida como Big Bang.

Mas fisicamente, quando olhamos de perto, descobrimos que o universo contava uma história diferente. É assim que sabemos que o Big Bang não é mais o começo do universo.

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Como a maioria das histórias da ciência, a origem do Big Bang tem suas raízes nos domínios teórico e experimental / observacional. Do lado da teoria, Einstein apresentou sua teoria geral da relatividade em 1915: uma nova teoria da gravidade que buscava derrubar a teoria da gravitação universal de Newton. Embora a teoria de Einstein fosse muito mais intrincada e complicada, não demorou muito para que as primeiras soluções exatas fossem encontradas.

  1. Em 1916, Karl Schwarzschild encontrou a solução para uma massa pontual, que descreve um buraco negro não giratório.
  2. Em 1917, Willem de Sitter encontrou a solução para um universo vazio com uma constante cosmológica, que descreve um universo em expansão exponencial.
  3. De 1916 a 1921, a solução Reissner-Nordström , encontrada independentemente por quatro pesquisadores, descreveu o espaço-tempo para uma massa esfericamente simétrica carregada.
  4. Em 1921, Edward Kasner encontrou uma solução que descreveu um universo livre de matéria e radiação que é anisotrópico: diferente em diferentes direções.
  5. Em 1922, Alexander Friedmann descobriu a solução para um universo isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todas as localizações), onde todo e qualquer tipo de energia, incluindo matéria e radiação, estava presente.

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Esse último foi muito convincente por dois motivos. Uma é que parecia descrever nosso universo em escalas maiores, onde as coisas parecem semelhantes, em média, em todos os lugares e em todas as direções. E dois, se você resolver as equações que regem esta solução – as equações de Friedmann – você descobrirá que o universo que ela descreve não pode ser estático, mas deve se expandir ou se contrair.

Este último fato foi reconhecido por muitos, incluindo Einstein, mas não foi levado muito a sério até que as evidências observacionais começaram a apoiá-lo. Na década de 1910, o astrônomo Vesto Slipher começou a observar certas nebulosas, que alguns argumentaram que poderiam ser galáxias fora de nossa Via Láctea, e descobriu que estavam se movendo rapidamente: muito mais rápido do que qualquer outro objeto em nossa galáxia. Além disso, a maioria deles estava se afastando de nós, com nebulosas menores e mais fracas geralmente parecendo se mover mais rápido.

Então, na década de 1920, Edwin Hubble começou a medir estrelas individuais nessas nebulosas e acabou determinando as distâncias até elas. Não apenas eles estavam muito mais distantes do que qualquer outra coisa na galáxia, mas os que estavam a distâncias maiores estavam se afastando mais rápido do que os mais próximos. Conforme Lemaître, Robertson, Hubble e outros rapidamente montados, o universo estava se expandindo.

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Georges Lemaître foi o primeiro, em 1927, a reconhecer isso. Ao descobrir a expansão, ele extrapolou para trás, teorizando – como qualquer matemático competente faria – que você poderia voltar tão longe quanto quisesse: o que ele chamou de átomo primordial. No início, ele percebeu, o universo era uma coleção quente, densa e em rápida expansão de matéria e radiação, e tudo ao nosso redor emergia desse estado primordial.

Essa ideia foi desenvolvida posteriormente por outros para fazer um conjunto de previsões adicionais:

  1. O universo, como o vemos hoje, está mais evoluído do que no passado. Quanto mais para trás olhamos no espaço, mais para trás também olhamos no tempo. Portanto, os objetos que vemos naquela época deveriam ser mais jovens, menos pesados ​​gravitacionalmente, menos massivos, com menos elementos pesados ​​e com uma estrutura menos evoluída. Deveria haver até um ponto além do qual não havia estrelas ou galáxias presentes.
  2. Em algum ponto, a radiação era tão quente que os átomos neutros não podiam se formar de forma estável, porque a radiação chutaria de forma confiável quaisquer elétrons dos núcleos aos quais eles estavam tentando se ligar, e então deveria haver um resto – agora frio e esparso – banho da radiação cósmica desta época.
  3. Em algum momento extremamente precoce, teria sido tão quente que até mesmo núcleos atômicos seriam destruídos, sugerindo que havia uma fase pré-estelar inicial onde a fusão nuclear teria ocorrido: a nucleossíntese do Big Bang. A partir disso, esperamos que tenha havido pelo menos uma população de elementos leves e seus isótopos espalhados por todo o universo antes que quaisquer estrelas se formassem.

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Em conjunto com o universo em expansão, esses quatro pontos se tornariam a pedra angular do Big Bang. O crescimento e a evolução da estrutura em grande escala do universo, das galáxias individuais e das populações estelares encontradas dentro dessas galáxias validam as previsões do Big Bang. A descoberta de um banho de radiação apenas ~ 3 K acima do zero absoluto – combinado com seu espectro de corpo negro e imperfeições de temperatura em níveis de microkelvin de dezenas a centenas – foi a evidência chave que validou o Big Bang e eliminou muitas de suas alternativas mais populares. E a descoberta e medição dos elementos leves e suas proporções – incluindo hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7 – revelou não apenas que tipo de fusão nuclear ocorreu antes da formação das estrelas,

Extrapolar até onde suas evidências podem levá-lo é um tremendo sucesso para a ciência. A física que ocorreu durante os primeiros estágios do Big Bang quente se imprimiu no universo, permitindo-nos testar nossos modelos, teorias e compreensão do universo daquela época. A primeira impressão observável, na verdade, é o fundo do neutrino cósmico, cujos efeitos aparecem tanto no fundo cósmico de micro-ondas (a radiação residual do Big Bang) e na estrutura em larga escala do universo. Este fundo de neutrino chega até nós, notavelmente, de apenas ~ 1 segundo no Big Bang quente.

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Mas extrapolar além dos limites de suas evidências mensuráveis ​​é um jogo perigoso, embora tentador. Afinal, se pudermos rastrear o Big Bang quente de cerca de 13,8 bilhões de anos, até quando o universo tinha menos de 1 segundo de idade, qual é o problema em voltar apenas um segundo a mais: até a singularidade prevista para existe quando o universo tinha 0 segundos?

A resposta, surpreendentemente, é que há uma quantidade enorme de dano – se você for como eu, ao considerar que “fazer suposições incorretas e infundadas sobre a realidade” é prejudicial. A razão pela qual isso é problemático é porque começar em uma singularidade – em temperaturas arbitrariamente altas, densidades arbitrariamente altas e volumes arbitrariamente pequenos – terá consequências para o nosso universo que não são necessariamente suportadas por observações.

Por exemplo, se o universo começou a partir de uma singularidade, então ele deve ter surgido com o equilíbrio exato de “coisas” nele – matéria e energia combinadas – para equilibrar precisamente a taxa de expansão. Se houvesse apenas um pouquinho mais de matéria, o universo inicialmente em expansão já teria se recolhido agora. E se houvesse um pouquinho menos, as coisas teriam se expandido tão rapidamente que o universo seria muito maior do que é hoje.

singularidade

E ainda, em vez disso, o que estamos observando é que a taxa de expansão inicial do universo e a quantidade total de matéria e energia dentro dele se equilibram tão perfeitamente quanto podemos medir.

Porque?

Se o Big Bang começou de uma singularidade, não temos explicação; simplesmente temos que afirmar que “o universo nasceu assim” ou, como os físicos que desconhecem Lady Gaga o chamam, “condições iniciais”.

Da mesma forma, seria esperado que um universo que atingisse temperaturas arbitrariamente altas possuísse sobras de relíquias de alta energia, como monopólos magnéticos, mas não observamos nenhuma. O universo também deveria ter diferentes temperaturas em regiões que estão causalmente desconectadas umas das outras – isto é, estão em direções opostas no espaço em nossos limites de observação – e ainda assim o universo é observado ter temperaturas iguais em todos os lugares com 99,99% + precisão.

Estamos sempre livres para apelar para as condições iniciais como explicação para qualquer coisa e dizer: “bem, o universo nasceu assim, e pronto.” Mas sempre estamos muito mais interessados, como cientistas, se pudermos encontrar uma explicação para as propriedades que observamos.

Surpresa: o Big Bang não é mais o começo do universo 6

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Isso é precisamente o que a inflação cósmica nos dá, e mais. A inflação diz, claro, extrapole o Big Bang quente de volta para um estado muito precoce, muito quente, muito denso, muito uniforme, mas pare antes de voltar a uma singularidade. Se você deseja que o universo tenha a taxa de expansão e a quantidade total de matéria e energia em equilíbrio, precisará de alguma forma de configurá-lo dessa maneira. O mesmo se aplica a um universo com as mesmas temperaturas em todos os lugares. Em uma nota ligeiramente diferente, se você quiser evitar relíquias de alta energia, você precisa de alguma maneira de se livrar de quaisquer relíquias preexistentes e, em seguida, evitar criar novas, proibindo o seu universo de ficar muito quente novamente.

A inflação consegue isso postulando um período, anterior ao Big Bang quente, onde o universo era dominado por uma grande constante cosmológica (ou algo que se comporta de forma semelhante): a mesma solução encontrada por de Sitter em 1917. Esta fase estende o universo plana, dá a ela as mesmas propriedades em todos os lugares, livra-se de quaisquer relíquias de alta energia pré-existentes e nos impede de gerar novas ao limitar a temperatura máxima alcançada após o término da inflação e o Big Bang quente se segue. Além disso, ao assumir que houve flutuações quânticas geradas e estendidas por todo o universo durante a inflação, ele faz novas previsões para os tipos de imperfeições com as quais o universo começaria.

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Desde que foi hipotetizado na década de 1980, a inflação foi testada de várias maneiras contra a alternativa: um universo que começou a partir de uma singularidade. Quando empilhamos a visão geral, encontramos o seguinte:

  1. A inflação reproduz todos os sucessos do Big Bang quente; não há nada que o grande Big Bang explique que a inflação também não possa explicar.
  2. A inflação oferece explicações bem-sucedidas para os quebra-cabeças para os quais simplesmente temos que dizer “condições iniciais” no quente Big Bang.
  3. Das previsões em que a inflação e um Big Bang quente sem inflação diferem, quatro delas foram testadas com precisão suficiente para discriminar entre as duas. Nessas quatro frentes, a inflação é de 4 para 4, enquanto o Big Bang quente é de 0 para 4.

Mas as coisas ficam realmente interessantes se olharmos para trás, para nossa ideia de “o começo”. Enquanto um universo com matéria e / ou radiação – o que obtemos com o Big Bang quente – sempre pode ser extrapolado de volta a uma singularidade, um universo inflacionário não pode. Devido à sua natureza exponencial, mesmo se você atrasar o relógio uma quantidade infinita de tempo, o espaço só se aproximará de tamanhos infinitesimais e temperaturas e densidades infinitas; nunca vai alcançá-lo. Isso significa que, em vez de levar inevitavelmente a uma singularidade, a inflação não pode levar você a uma por si só. A ideia de que “o universo começou de uma singularidade, e isso é o que o Big Bang foi”, precisava ser descartada no momento em que reconhecemos que uma fase inflacionária precedeu a fase quente, densa e cheia de matéria e radiação que habitamos hoje.

singularidadeEssa nova imagem nos dá três informações importantes sobre o início do universo que vão contra a história tradicional que a maioria de nós aprendeu. Primeiro, a noção original do Big Bang quente, onde o universo emergiu de uma singularidade infinitamente quente, densa e pequena – e tem se expandido e esfriado, cheio de matéria e radiação desde então – está incorreta. A imagem ainda está amplamente correta, mas há um limite para o quanto podemos extrapolar isso no passado.

Em segundo lugar, as observações estabeleceram bem o estado que ocorreu antes do Big Bang quente: a inflação cósmica. Antes do Big Bang quente, o universo inicial passou por uma fase de crescimento exponencial, onde quaisquer componentes preexistentes do universo foram literalmente “inflados”. Quando a inflação acabou, o universo reaqueceu a uma temperatura alta, mas não arbitrariamente alta, dando-nos o universo quente, denso e em expansão que cresceu e se tornou o que habitamos hoje.

Por último, e talvez o mais importante, não podemos mais falar com qualquer tipo de conhecimento ou confiança sobre como – ou mesmo se – o próprio universo começou. Pela própria natureza da inflação, ela apaga todas as informações que vieram antes dos momentos finais: onde terminou e deu origem ao nosso Big Bang quente. A inflação poderia ter durado uma eternidade, poderia ter sido precedida por alguma outra fase não singular, ou poderia ter sido precedida por uma fase que emergiu de uma singularidade. Até que chegue o dia em que descobriremos como extrair mais informações do universo do que atualmente parece possível, não temos escolha a não ser enfrentar nossa ignorância. O Big Bang ainda aconteceu há muito tempo, mas não foi o começo que outrora supúnhamos que fosse.

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