Big Bang

Tudo começou com o “Bang”. O famoso “Big Bang” foi o evento primordial (primário) do universo. Ao contrário do que se costuma pensar, o Big Bang não foi uma catastrófica explosão no espaço, justamente porque o espaço ainda não havia sido criado. O “Bang” foi uma explosão de espaço ao invés de uma explosão no espaço. Após a ocorrência do Big Bang, o espaço em si começou a ser criado e o tempo teve início. Segundo Stephen Hawking, perguntas como “o que aconteceu antes do Big Bang?” não possuem sentido porque o tempo não existia antes do Big Bang; é similar a uma criança procurando por um brinquedo que ela não tenha. Quanto ao Big Bang em si, este partiu de uma singularidade, similar as dos buracos negros, na qual toda a matéria do universo estava contida em um volume infinitesimalmente pequeno.

A dinâmica imediatamente após o Big Bang pode ser descrita com uma palavra: caótica. De forma literal, o primeiro segundo definiu as leis da natureza da forma que são observadas hoje; em outras palavras, o universo, em seu primeiro segundo de vida, definiu a física, química, biologia e matemática. Na chamada “era Planck”, todas as propriedades do universo (massa, comprimento, carga elétrica, temperatura e o tempo) estavam contidas na “escala Planck”, sendo que a era Planck é o mais longe que se pode voltar no tempo (até 10^-43 segundos após o “Bang”). A temperatura do universo era em torno de 1.4*10^32 kelvins (a maior que já existiu ou existirá) e o tamanho era de, aproximadamente, 1.6*10^-35 metros. Na configuração descrita, as forças fundamentais da natureza (força nuclear forte, força nuclear fraca, força eletromagnética e força gravitacional) eram unificadas em uma só força (há ressalvas quanto a prévia junção da gravidade com as demais, dada sua difícil unificação teórica). No início o universo era preenchido por uma sopa de partículas fundamentais* (como quarks, antiquarks elétrons e pósitrons*) as quais freneticamente se aniquilavam, dada a imensa taxa de interação em função do tamanho pequeno do universo recém concebido. O produto de tais aniquilações foi a produção de raios gama, segundo a transformação da massa das aniquilações em energia regida pela equação E=MC^2.

Mas e quanto a proporção de matéria-antimatéria? Seriam iguais? Não seria possível, caso contrário o universo seria composto apenas por fótons. O que possibilitou que a matéria se triunfasse sobre a anti-matéria, fazendo com que as galáxias, estrelas, planetas e pessoas fossem compostos por matéria (e não anti-matéria) foi uma assimetria levíssima. Para cada 1.000.000.000 de partículas de anti-matéria haviam 1.000.000.001 partículas de matéria. Um dos resultados da expansão do universo foi a brusca diminuição de temperatura, possibilitando que quarks se agrupassem em trios (chamados hádrons) formando assim os familiares prótons e nêutrons, blocos fundamentais para a constituição da matéria. Ao chegar no primeiro segundo pós Big Bang, os primeiros núcleos dos elementos mais leves e simples (hidrogênio, hélio e lítio)* foram criados pela conciliação entre prótons e nêutrons, possibilitada pelo resfriamento do universo. Posteriormente, os elétrons livres se desaceleram e assim são capturados pelos núcleos atômicos já formados, gerando assim os primeiros elementos do universo. Tal processo foi chamado de “nucleossíntese do Big Bang”. Somente os três elementos citados foram resultados do Big Bang, sendo o restante formado em estrelas.

Quando Einstein desenvolveu a teoria da relatividade geral, ele adotou que a constante cosmológica (componente de suas equações de campo) fosse igual a zero, o que significaria que o universo seria estacionário (não evoluiria). Tal visão implicava que o universo poderia ou ter existido para sempre ou ter surgido em um ponto e mantido sua forma desde então. Todavia, mais tarde, evidências (como as fornecidas por Edwin Hubble) mostraram que o universo estava em expansão, ou seja, teve um ponto de início e evoluiu a partir dele.

Dessa forma, tem-se que, desde o evento do Big Bang, o universo está em processo de expansão, resultando na diluição (diminuição da concentração) de energia e matéria ao longo do espaço crescente. O fenômeno da expansão, fez- e faz - com que fótons percam energia, sofrendo um desvio para o vermelho. Os fótons do universo primordial (raios gama) sofreram um desvio para o vermelho tão grande que atualmente se encontram na faixa do espectro de ondas de rádio. Uma analogia é útil para se compreender como essa mudança ocorre. Na analogia, o universo é considerado como um balão em constante enchimento. Os fótons, com comprimentos de onda definidos e característicos de raios gama, estão na superfície do “universo balão”. Conforme o universo se expande (o balão infla), os comprimentos de onda dos fótons irão aumentar, de modo que os fótons passam a ter uma energia cada vez menor (segundo a equação fundamental da ondulatória λ=c/f). Esses fótons atualmente na faixa de micro-ondas constituem a chamada radiação cósmica de fundo. O vácuo, em qualquer ponto no espaço, possui uma temperatura característica de 2,725 K, resultado dos fótons na faixa de micro-ondas os quais, desde o Big Bang, foram distribuídos uniformemente por todo o universo. A radiação cósmica de fundo é, em termos simples, o fóssil da luz da era do Big Bang. A expansão do universo, acompanhada pela diminuição de temperatura, também fez com que as forças fundamentais da natureza se separassem; primeiro houve a separação entre a eletrofraca e nuclear forte e depois a eletrofraca dividiu-se em eletromagnética e nuclear fraca.

Mas o que favorece/possibilita a expansão do cosmos? A resposta está no componente mais abundante do universo: a energia escura. Responsável por cerca de 70% da composição do universo, a energia escura aumenta a expansão do universo com o tempo, pois conforme mais espaço/vácuo é criado, mais flutuações quânticas surgem, o que gera uma maior pressão exterior, alavancando a expansão. Galáxias que hoje são visíveis irão desaparecer no céu ao decorrer de bilhões de anos, com velocidades superiores à da luz. Mas como isso seria possível? A teoria da relatividade restringe que corpos viagem pelo espaço com velocidades menores a da luz, mas, na situação em questão, o próprio espaço (e não as galáxias nele contidas) estaria se expandido a velocidades superiores à da luz, o que não contradiz a teoria de Einstein.

Do segundo 10^-36 até 10^-32 o universo sofreu uma expansão brusca; neste minúsculo intervalo de tempo o tamanho do universo aumentou por um fator de 10^26. Esse período de crescimento exacerbado recebeu o nome de inflação. Após seu término, o universo continuou a se expandir, mas em uma taxa reduzida em comparação à inflação.

A singularidade inicial da qual o universo surgiu possui dimensões infinitesimalmente pequenas. A ciência que rege o comportamento de corpos de tamanhos diminutos é a mecânica quântica. Porém, a magnitude da massa envolvida é extrema (trata-se de toda a massa do universo), e a ciência que rege o comportamento de corpos massivos é a relatividade geral. Esse é o ponto de ruptura da ciência. Nas singularidades, seja as “convencionais” de buracos negros seja a do Big Bang, as leis da natureza tornam-se distintas e misteriosas. A singularidade, portanto, estava sujeita a comportamentos quânticos. Esse é o ponto de ruptura da relatividade geral e da mecânica quântica. Mas mesmo com tais limitações, é possível especular como o universo fez... Bang? Stephen Hawking afirmou que, dado o “tamanho” da singularidade do Big, esta estava sujeita a ocorrências exclusivas da mecânica quântica. O universo, segundo Hawking, pode ter sido resultado de uma flutuação quântica de vácuo, o que explicaria o surgimento “espontâneo” do cosmos. Em relação à energia negativa gerada por tal flutuação quântica de vácuo, esta seria “estocada” no próprio espaço. O universo, nessa visão, seria um grande armazenamento de energia negativa.

Mesmo que algumas já tenham sido apresentadas, é importante ressaltar-se as provas da ocorrência do Big Bang, devido a muitos pensarem que a teoria do Big Bang se trata meramente de uma hipótese cientifica. Dentre as muitas evidências, pode-se destacar: a radiação cósmica de fundo, marca do Big Bang ressoando até os tempos atuais; o afastamento das galáxias, o qual prediz que no passado elas estiveram mais próximas; a incidência majoritária de elementos leves (criados pela nucleossíntese do Big Bang) no universo e a ausência de estrelas mais velhas que 13,8 bilhões de anos (idade do universo), o que reforça o fato do universo ter tido início em um tempo finito no passado. Por fim, o Big Bang, assim como todas as teorias científicas, não são ideias arbitrárias ou opiniões de cientistas; são fatos, tendo sua incontestabilidade suportada por evidências vindas de observações, testes, validações e a aplicação do método cientifico no geral.

A foto apresenta a evolução do cosmos, incluindo o período caótico pós Big Bang descrito no artigo.

Material de referência: The evolving universe (S. George Djorgovski) Origens; Astrofísica para gente com pressa (Neil deGrasse Tyson) O Universo numa Casca de Noz; Uma Breve História do Tempo (Stephen Hawking) 50 ideias de astronomia que você precisa conhecer (Giles Sparrow) Do átomo ao buraco negro (Schwarza)