A teoria do Big Bang representa as melhores tentativas dos cosmologistas para reconstruir a história do universo de 14 bilhões de anos, baseada no fragmento de existência visível hoje.
Pessoas diferentes usam o termo “Big Bang” de maneiras diferentes. De um modo geral, ilustra o arco do universo observável à medida que este se desvanece e arrefece de um estado inicialmente denso e quente. Essa descrição se resume à idéia de que o cosmos está se expandindo, um princípio amplo análogo à sobrevivência do mais forte na biologia que poucos considerariam discutível.
Mais especificamente, o Big Bang também pode se referir ao nascimento do próprio universo observável – o momento em que algo mudou, dando início aos eventos que levaram a hoje. Os cosmólogos argumentam há décadas sobre os detalhes dessa fração de segundo, e a discussão continua até hoje. [Do Big Bang ao presente: instantâneos do nosso universo ao longo do tempo]
A clássica teoria do Big Bang
Durante a maior parte da história humana, observadores do céu a consideraram eterna e imutável. Edwin Hubble descreveu essa história como um golpe experimental na década de 1920, quando suas observações mostraram que as galáxias fora da Via Láctea existiam e que sua luz parecia esticada – um sinal de que estavam se afastando da Terra.
George Lemaître, um físico belga contemporâneo, interpretou dados de Hubble e outros como evidência de um universo em expansão, uma possibilidade permitida pelas equações de campo da relatividade geral recentemente publicadas por Einstein. Pensando de trás para a frente, Lemaître inferiu que as galáxias de separação de hoje devem ter começado juntas no que ele chamou de “átomo primitivo”.
O primeiro uso público do termo moderno para a ideia de Lemaître veio, na verdade, do crítico – astrônomo inglês Fred Hoyle. Em 28 de março de 1949, Hoyle cunhou a frase durante a defesa de sua teoria preferida de um universo eterno que criava matéria para anular a diluição da expansão. Hoyle disse que a noção de que “toda a matéria do universo foi criada em um big bang em um determinado momento no passado remoto” era irracional. Em entrevistas posteriores, Hoyle negou intencionalmente inventar um nome calunioso, mas o apelido pegou, para a frustração de alguns.
“O Big Bang é um termo muito ruim”, disse Paul Steinhardt, cosmólogo de Princeton. “O Big Stretch iria capturar a ideia certa.” A imagem mental de uma explosão causa todo tipo de confusão, segundo Steinhardt. Implica um ponto central, uma fronteira em expansão e uma cena em que os estilhaços de luz voam mais rápido que os pedaços mais pesados. Mas um universo em expansão parece nada disso, ele disse. Não há centro, nem bordas, e galáxias grandes e pequenas se desdobram da mesma maneira (embora galáxias mais distantes se afastem mais rapidamente sob a influência cosmologicamente recente da energia escura).
Independentemente do seu nome, a teoria do Big Bang encontrou ampla aceitação por sua incomparável capacidade de explicar o que vemos. O equilíbrio de luz com partículas como prótons e nêutrons durante os primeiros 3 minutos, por exemplo, permite que os primeiros elementos se formem numa taxa que prediz as quantidades atuais de hélio e outros átomos leves.
“Havia uma pequena janela no tempo em que era possível formar núcleos”, disse Glennys Farrar, cosmologista da Universidade de Nova York. “Depois disso, o universo continuou se expandindo e eles não conseguiram se encontrar, e antes [da janela] estava muito quente”.
Um plasma nebuloso encheu o universo pelos 378.000 anos seguintes, até que o resfriamento posterior permitiu que elétrons e prótons formassem átomos de hidrogênio neutros, e o nevoeiro se dissipou. A luz emitida durante esse processo, que desde então se estendeu até as microondas, é o mais antigo objeto conhecido que os pesquisadores podem estudar diretamente. Conhecida como a radiação de fundo de microondas cósmica (CMB), muitos pesquisadores consideram a evidência mais forte para o Big Bang.
Uma atualização explosiva
Mas como os cosmologistas empurraram mais para trás nos primeiros momentos do universo, a história foi desvendada. As equações da relatividade geral sugeriam uma partícula inicial de calor e densidade ilimitados – uma singularidade. Além de não fazer muito sentido físico, uma origem singular não correspondia ao CMB liso e liso. Flutuações na temperatura e na densidade formidáveis ??da partícula teriam produzido trechos de céu com propriedades diferentes, mas a temperatura da CMB varia em apenas uma fração de um grau. A curvatura do espaço-tempo também parece bastante plana, o que implica um equilíbrio de matéria e curvatura inicialmente quase perfeito que a maioria dos cosmólogos acha improvável.
Alan Guth propôs uma nova imagem da primeira fração de segundo na década de 1980, sugerindo que o universo passou seus primeiros momentos crescendo exponencialmente mais rápido do que hoje. Em algum momento, esse processo parou, e colocar os freios produziu uma massa de partículas densa e quente (mas não infinitamente) que toma o lugar da singularidade. “Na minha cabeça, penso nisso como o Big Bang, quando o universo esquentou”, disse Farrar.
A teoria da inflação, como é chamada, agora tem uma infinidade de modelos concorrentes. Embora ninguém soubesse muito sobre o que fez o universo se expandir tão rapidamente, a teoria se popularizou por sua capacidade de explicar o aparentemente improvável CMB: a inflação preservou pequenas flutuações (que se transformaram nos aglomerados atuais de galáxias), enquanto achatava as principais. “É uma história muito doce”, disse Steinhardt, que ajudou a desenvolver a teoria. “É o que contamos aos nossos filhos.”
Além da inflação
Pesquisas recentes introduziram duas rugas na narrativa cósmica da teoria da inflação. O trabalho de Steinhardt e outros sugere que a inflação teria parado em algumas regiões (como o nosso universo observável), mas continuou em outras, produzindo uma série de territórios separados com “todo conjunto concebível de propriedades cosmológicas”, como Steinhardt coloca. Muitos físicos acham desagradável essa imagem do “multiverso”, porque ela faz um número infinito de previsões não testáveis.
Na frente experimental, os cosmologistas esperam que a inflação tenha produzido ondas gravitacionais que envolvem a galáxia no CMB, assim como produziu leves variações de temperatura e densidade. Os experimentos atuais devem ser sensíveis o suficiente para encontrá-los, mas as ondulações primordiais do espaço-tempo não apareceram (apesar de um alarme falso em 2014).
Muitos pesquisadores aguardam medições CMB mais precisas que podem matar, ou validar, os muitos modelos de inflação que ainda existem. Outros físicos, no entanto, não vêem a suavidade do cosmo como um problema – ele começou de maneira uniforme e não precisa de explicação.
Enquanto os experimentalistas lutam por novos níveis de precisão, alguns teóricos se afastaram da inflação para buscar outras formas de esmagar o universo. Steinhardt, por exemplo, está trabalhando em um modelo “big bounce”, que empurra o relógio de partida ainda mais para um período anterior de contração que suavizou o espaço-tempo e preparou o palco para uma expansão explosiva. Ele espera que, em pouco tempo, novas assinaturas, além de problemas como a falta de ondas gravitacionais primordiais, estabeleçam cosmólogos com uma nova história da criação para contar. “Existem outras características observáveis ??para procurar?” Steinhardt disse: “Pergunte-me novamente daqui a alguns anos e espero ter uma resposta”.
Publicado em 14/06/2019
Artigo original: https://www.livescience.com/65700-big-bang-theory.html
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