“Haja luz” não é apenas bíblico. É ciência.
“Por sua própria natureza, a ciência não conhece fronteiras. Isolar qualquer grupo, por qualquer motivo, da participação plena prejudica todo o empreendimento da ciência. Devemos ser cientistas sem fronteiras”. -Rocky Kolb
Quando olhamos para o Universo hoje, destacados contra a vasta e vazia escuridão do céu estão pontos de luz: estrelas, galáxias, nebulosas e muito mais. Ainda assim, houve um tempo no passado distante antes de qualquer uma dessas coisas se formar, logo após o Big Bang, em que o Universo ainda estava cheio de luz. Se olharmos na parte de microondas do espectro, podemos encontrar os restos desta luz hoje na forma do Fundo Cósmico de Microondas (CMB).
Mas mesmo o CMB está relativamente atrasado: estamos vendo sua luz 380.000 anos após o Big Bang. A luz, pelo que sabemos, já existia antes disso. Após séculos de investigação das origens do Universo, a ciência finalmente descobriu o que aconteceu fisicamente para “deixar haver luz” no espaço.
Vamos dar uma olhada no CMB, primeiro, e de onde ele vem há muito, muito tempo. Em 1965, a dupla de Arno Penzias e Robert Wilson trabalhava no Bell Labs em Holmdel, New Jersey, tentando calibrar uma nova antena para comunicações de radar com satélites aéreos. Mas não importa para onde olhassem no céu, eles continuavam vendo esse barulho. Não estava correlacionado com o Sol, nenhuma das estrelas ou planetas, ou mesmo o plano da Via Láctea. Existia dia e noite e parecia ter a mesma magnitude em todas as direções.
Depois de muita confusão sobre o que poderia ser, foi dito a eles que uma equipe de pesquisadores a apenas 30 milhas de distância em Princeton previu a existência de tal radiação, não como consequência de algo vindo de nosso planeta, sistema solar ou a própria galáxia, mas originando-se de um estado quente e denso no início do Universo: do Big Bang.
Com o passar das décadas, medimos essa radiação com uma precisão cada vez maior, descobrindo que ela não estava apenas a três graus acima do zero absoluto, mas a 2,7 K, e depois a 2,73 K e a 2,725 K. Talvez a maior conquista relacionada a Esse brilho restante, medimos seu espectro e descobrimos que era um corpo negro perfeito, consistente com a ideia do Big Bang e inconsistente com explicações alternativas, como luz das estrelas refletida ou cenários de luz cansada.
Mais recentemente, até medimos – a partir da absorção e interação desta luz com nuvens de gás intervenientes – que esta radiação aumenta de temperatura quanto mais para trás no tempo (e o desvio para o vermelho) olhamos. À medida que o Universo se expande ao longo do tempo, ele esfria e, portanto, quando olhamos para o passado, estamos vendo o Universo quando ele era menor, mais denso e mais quente.
Então, de onde veio essa luz – a primeira luz do Universo? Não veio das estrelas, porque é anterior às estrelas. Não foi emitido por átomos, porque é anterior à formação de átomos neutros no Universo. Se continuarmos a extrapolar para trás para energias cada vez mais altas, descobriremos algumas coisas estranhas: graças ao E = mc2 de Einstein, esses quanta de luz poderiam interagir uns com os outros, produzindo espontaneamente pares partícula-antipartícula de matéria e antimatéria!
Estes não são pares virtuais de matéria e antimatéria, que povoam o vácuo do espaço vazio, mas partículas reais. Assim como dois prótons colidindo no LHC podem criar uma infinidade de novas partículas e antipartículas (porque têm energia suficiente), dois fótons no início do Universo podem criar qualquer coisa que possuam energia suficiente para criar. Extrapolando para trás a partir do que temos agora, podemos concluir que dentro do Universo observável, logo após o Big Bang, havia cerca de 1.089 pares de partícula-antipartícula naquela época.
Para aqueles de vocês se perguntando como temos um Universo cheio de matéria (e não de antimatéria) hoje, deve ter havido algum processo que criou um pouco mais partículas do que antipartículas (na ordem de cerca de 1 em 1.000.000.000) de um estado simétrico, resultando em nosso Universo observável tendo cerca de 1080 partículas de matéria e 1089 fótons restantes.
Mas isso não explica como acabamos com toda aquela matéria inicial, antimatéria e radiação no Universo. Isso é muita entropia, e simplesmente dizer “foi assim que o Universo começou” é uma resposta totalmente insatisfatória. Mas se olharmos para a solução para um conjunto totalmente diferente de problemas – o problema do horizonte e o problema da planura – a resposta para este simplesmente surge.
Algo precisava acontecer para estabelecer as condições iniciais para o Big Bang, e essa “coisa” é a inflação cósmica, ou um período em que a energia no Universo não era dominada por matéria (ou antimatéria) ou radiação, mas sim por energia inerente ao próprio espaço, ou uma forma inicial superintensa de energia escura.
A inflação esticou o Universo, deu-lhe as mesmas condições em todos os lugares, afastou quaisquer partículas ou antipartículas pré-existentes e criou as flutuações de sementes para superdensidades e sub-densidades em nosso Universo hoje. Mas a chave para entender de onde vieram todas essas partículas, antipartículas e radiação? Isso vem de um fato simples: para obter o Universo que temos hoje, a inflação tinha que acabar. Em termos de energia, a inflação acontece quando você rola lentamente para baixo um potencial, mas quando finalmente você rola para o vale abaixo, a inflação termina, convertendo essa energia (de estar no alto) em matéria, antimatéria e radiação, dando origem ao que conhecemos como o Big Bang quente.
Veja como você pode visualizar isso. Imagine que você tem uma superfície enorme e infinita de blocos cúbicos empurrados uns contra os outros, sustentados por alguma tensão incrível entre eles. Ao mesmo tempo, uma pesada bola de boliche rola sobre eles. Na maioria dos locais, a bola não fará muito progresso, mas em alguns “pontos fracos” a bola fará um recuo ao rolar sobre eles. E em um local fatídico, a bola pode realmente quebrar um (ou alguns) dos blocos, fazendo-os despencar para baixo. Quando isso acontece, o que acontece? Com a falta desses blocos, ocorre uma reação em cadeia devido à falta de tensão, e toda a estrutura desmorona.
Onde os blocos atingem o solo muito, muito abaixo, é como a inflação chegando ao fim. É onde toda a energia inerente ao próprio espaço é convertida em partículas reais, e o fato de que a densidade de energia do próprio espaço era tão alta durante a inflação é o que dá origem a tantas partículas, antipartículas e fótons sendo criados quando a inflação termina. Este processo, de inflação terminando e dando origem ao Big Bang quente, é conhecido como reaquecimento cósmico e, à medida que o Universo esfria conforme se expande, os pares partícula / antipartícula se aniquilam, criando ainda mais fótons e deixando apenas um pouquinho de matéria sobrou.
À medida que o Universo continua a se expandir e esfriar, criamos núcleos, átomos neutros e, eventualmente, estrelas, galáxias, aglomerados, elementos pesados, planetas, moléculas orgânicas e vida. E por tudo isso, aqueles fótons, remanescentes do Big Bang e uma relíquia do fim da inflação que deu início a tudo, fluem pelo Universo, continuando a esfriar, mas nunca desaparecendo. Quando a última estrela do Universo piscar, esses fótons – há muito tempo deslocados para o rádio e diluídos para menos de um por quilômetro cúbico – ainda estarão lá em números tão grandes quanto eram trilhões e quatrilhões de anos antes.
Antes de haver estrelas, havia matéria e radiação. Antes de haver átomos neutros, havia um plasma ionizado, e quando esse plasma forma átomos neutros, eles permitem que o Universo forneça a luz mais antiga que vemos hoje. Mesmo antes dessa luz, havia uma sopa de matéria e antimatéria, que se aniquilou para produzir a maioria dos fótons de hoje, mas mesmo isso não foi o começo. No início, havia um espaço em expansão exponencial, e foi o fim dessa época – o fim da inflação cósmica – que deu origem à matéria, antimatéria e radiação que dariam origem à primeira luz que podemos ver no Universo . Após bilhões de anos de evolução cósmica, aqui estamos nós, capazes de montar o quebra-cabeça. Pela primeira vez, a origem de como o Universo “deixe haver luz” agora é conhecida!
Publicado em 21/08/2020 21h10
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