• pré-Univesp – No. 10 2011 – Espaço – Abril de 2011
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Antes do Big-Bang

Como sabemos que houve um Big-Bang? E como saber o que aconteceu antes dele? O físico Roberto Belisário responde a estas e outras perguntas sobre a teoria mais famosa sobre o surgimento do Universo

Por Roberto Belisário
Antes do Big-Bang
15/04/2011


A Teoria do Big-Bang diz que o Universo, como o conhecemos, se originou há 13,7 bilhões de anos, quando toda sua matéria e energia estavam concentradas em uma diminuta região de altíssima densidade. A partir daí, a matéria começou a se expandir, formando-se sucessivamente aglomerados cada vez maiores: os átomos, as estrelas, as galáxias. Mas como os cientistas chegaram a essa conclusão? Podemos responder esta pergunta em quatro passos.

Primeiro passo: o desvio para o vermelho
Em 1929, o astrônomo estadunidense Edwin Hubble descobriu algo intrigante: quando mais distante uma galáxia, mais avermelhada ela parecia no telescópio.

Segundo passo: o afastamento das galáxias
A interpretação do primeiro passo foi que, quanto mais distante da Terra é uma galáxia, mais rapidamente ela se afasta de nós. Isso porque já se sabia há bastante tempo que, quando uma fonte luminosa se afasta do observador, sua luz parece mais avermelhada (é o ‘desvio para o vermelho’, ou redshift).

Terceiro passo: a expansão do Universo

Imaginando que a Terra não seja um lugar especial, o mesmo fenômeno notado no primeiro passo deveria ser verificado de qualquer galáxia. Isso significa que o Universo está em expansão – ou seja, as distâncias entre as galáxias estão aumentando constantemente, sem parar. Hoje sabemos que não são exatamente as galáxias em si que se afastam e sim grupos de galáxias. A hipótese da expansão já havia sido aventada teoricamente pelo russo Alexander Friedmann mais de dez anos antes de sua formulação, com base na teoria da relatividade geral.

Quarto passo: o Big-Bang
Pois bem, se as galáxias estão se afastando, então no passado estavam mais próximas. Extrapolando retrospectivamente no tempo, um dia a matéria deve ter estado concentrada numa região muito pequena. Daí a hipótese do Big-Bang, proposta pelo belga Georges Lemaître em 1927. É possível determinar quando isso aconteceu a partir da velocidade com que os grupos de galáxias se afastam hoje.

O modelo atual

Após alguns refinamentos – como a inclusão da Teoria da Inflação, proposta em 1981 –, chegou-se ao modelo sobre o Big-Bang atual, que é chamado Modelo Padrão ou Modelo Lambda-CDM (é melhor falar em “modelo” do que em “teoria” para o Big-Bang, pois estamos nos referindo a um objeto de estudo específico, e não a algo mais geral. Por tradição, porém, chamamo-lo “Teoria do Big-Bang”). De acordo com o modelo, durante os três primeiros minutos após o Big-Bang, formaram-se os prótons e nêutrons; logo depois, formaram-se os primeiros núcleos atômicos. Trezentos e oitenta mil anos após, formaram-se os primeiros átomos. Mais quatrocentos milhões de anos e apareceriam as primeiras estrelas.

E como podemos saber que o modelo do Big-Bang é verdadeiro?

Na Física, o melhor método para comprovar um modelo é extrair dele previsões quantitativas sobre fenômenos ainda não observados. Se a previsão for refutada, muito provavelmente o modelo está errado;se confirmada, então ele reflete bem a realidade física dentro dos limites dessas observações. Porém toda teoria física é sempre uma aproximação – observações futuras mais precisas podem exigir refinamentos.

Uma das principais previsões do Modelo Padrão foi a abundância média dos elementos químicos mais leves no cosmo. Segundo a teoria, quase todo o Universo conhecido é formado por hidrogênio e hélio, sendo o hidrogênio quatro vezes mais comum que o hélio. Há uma boa concordância entre esses cálculos e as observações mais recentes.

Mas a previsão mais importante é a da ‘radiação cósmica de fundo’. Trata-se da radiação liberada quando os átomos se constituíram: 380 mil anos após o Big-Bang (antes, o cosmo era formado por partículas carregadas eletricamente e separadas, o que o tornava opaco à luz). Como isso aconteceu em todos os pontos do espaço, atualmente essa radiação cósmica pode ser detectada em todo lugar, vinda de todas as direções. As características desse fenômeno, calculadas por George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman em 1948 e observadas por Arno Penzias e Robert Wilson em 1965, vêm sendo confirmadas com precisão cada vez maior pelas observações astronômicas.

Em 1981, o refinamento do modelo denominado Teoria da Inflação previu que a radiação cósmica não seria uniforme, contudo teria pequeninas variações (ou “flutuações”) na sua frequência, dependendo da direção em que fosse vista. A Teoria da Inflação fazia também previsões estatísticas sobre os valores dessas flutuações. A partir de 1992, essas variações foram detectadas e, os valores previstos, confirmados. A figura no início deste texto mostra uma imagem do céu como um mapa dessas variações, medidas pela WMAP, uma sonda da Agência Espacial Norte-Americana (Nasa) em órbita do Sol a 1,5 milhão de quilômetros da Terra. Quanto mais vermelho, maior a frequência; quanto mais azul, menor.

Então a teoria atual do Big-Bang é a última palavra?

Não necessariamente! Como comentado acima, as previsões quantitativas de uma teoria física precisam concordar com as observações da natureza. No entanto, fenômenos novos são descobertos o tempo todo. Se esses fenômenos não são previstos pela teoria, é preciso fazer uma adaptação (ou, se nada der certo, substituí-la por outra). Muito dificilmente se poderá concluir que o Big-Bang não ocorreu, pois as provas são muito contundentes. Nada impede que a teoria que o descreve possa sofrer grandes mudanças.

Até agora, as novas observações puderam ser incorporadas ao Modelo Padrão com pequenas modificações. Porém há um problema que não vem de observações eque, mesmo assim, pode exigir grandes mudanças. O caso é que, do modo como está formulado hoje, o modelo diz que, no momento do Big-Bang, as densidades de matéria e energia eram infinitas – uma situação chamada “singularidade inicial”. Ocorre que, como não podem existir infinitos na natureza, então algo está errado. É preciso melhorar o modelo, refinando-o a partir de possíveis fenômenos que não tenham sido previstos por ele e que ainda não foram observados. Mesmo assim, diversos modelos alternativos, que não possuem a singularidade inicial, têm sido formulados por físicos teóricos desde o fim dos anos de 1990.

Os Big-Bangs do futuro

Não obstante serem muito diferentes, há pontos em comum entre muitos desses modelos. O principal é que boa parte deles prevê uma Era antes do Big-Bang, de forma que ele não seria, portanto, o início do Universo em si,  apenas um grande evento no meio de sua história. Na época anterior, o Universo teria se contraído até se tornar muito pequeno; então, algo teria feito com que a contração se revertesse e virasse uma expansão – o Big-Bang. Todavia as densidades de matéria e energia não chegariam ao infinito nesse ponto, apenas ficariam muito grandes. Além disso, o Universo não teria um começo. Seria eterno para o futuro e para o passado. Determinar o que teria causado esse “ricochete” depende do modelo teórico: características da própria força gravitacional ou então a interação entre a gravidade e os campos elétricos e magnéticos, etc.

 


Principais modelos alternativos ao Big-Bang

Cosmologia quântica –
usa a mecânica quântica junto com a relatividade geral. Esses
modelos em geral não afirmam haver um momento anterior ao Big-Bang. A sua grande
dificuldade é que não existe uma teoria pronta que junte a relatividade com a mecânica
quântica – o que há são algumas teorias hipotéticas, como a das supercordas e a teoria
quântica de laços.

Modelo ecpirótico –
É baseado na teoria das supercordas que, como dito acima, pretende
unificar a relatividade geral e a mecânica quântica, e prevê novas dimensões de espaço, além
das três conhecidas. Pelo modelo ecpirótico, dois Universos, inseridos dentro de um espaçode quatro ou mais dimensões, aproximaram-se e chocaram-se no passado, afastando-se
(o ricochete). No choque, foi formada grande quantidade de matéria – foi o Big-Bang.
O processo pode repetir-se ciclicamente. Apesar de parecer exótico, este é um dos modelos
mais estudados entre os cosmólogos.

Universo magnético –
Neste modelo, defendido pelo físico brasileiro Mário Novello e outros,

a singularidade inicial é evitada por meio de uma interação entre a gravidade e campos
magnéticos e elétricos que permeariam o espaço. Novamente, teria havido um período anterior
de contração seguido do ricochete e da expansão, na qual nós agora estamos.

O modelo de Poplawski –
Baseado em uma modificação da teoria da relatividade geral,
este modelo não teve muita repercussão na comunidade científica, entretanto  foi muito
comentado em jornais e blogs. Ele diz que nosso Universo surgiu no interior de um buraco
negro (pertencente a um Universo anterior) que, depois de se contrair, teria começado a se
expandir. A teoria da relatividade modificada prevê que isso aconteceria naturalmente. Na
transição, matéria teria se formado no interior do buraco negro. Segundo os seus últimos
cálculos, publicados em março deste ano, seria necessário um buraco negro pelo menos
três mil vezes mais massivo que o Sol para produzir matéria suficiente para gerar o Universo
que conhecemos.


 

 
Enfim, a comunidade dos cosmólogos está a todo vapor em meio à produção de novos modelos científicos teóricos sobre o Big-Bang e debates, ainda restritos às instituições de pesquisa. Esse fervilhar começa a aparecer também diante dos olhos do público em geral, como no caso do modelo de Poplawski, e é provável que muita coisa interessante aconteça nos próximos anos, em especial quando as observações astronômicas permitirem distinguir entre os diversos modelos.


Saiba mais:

Entrevista de Mário Novello no programa de TV Roda Viva.

Cosmologia: da série Desafios da Física, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (em PDF).

Teoria das Supercordas, da mesma série (em PDF).

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