A maior história já contada! [Volume 0] – Uma breve introdução

Por Guilherme Franzmann

A maior história já contada e publicada pelo homem é uma série de livros franceses sob o nome “Artamène ou le Grand Cyrus” ¹Artamène: https://en.wikipedia.org/wiki/Artam%C3%A8ne, contendo quase 2 milhões de palavras, e foi publicada originalmente em 10 volumes no século XVII. Apenas para dar uma perspectiva, a Bíblia (seja qual versão for) tem em média menos de 1 milhão de palavras. E, ainda assim, nenhuma dessas épicas histórias se compara com a história do Universo, que já se prolonga por 13.8 bilhões de anos! ²P. A. R. Ade et al. Planck Collaboration, “Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters,”  arXiv:1502.01589 [astro-ph.CO]

Agora, você pode estar se perguntando – “Como é possível que tal história seja contada?!” -, e a verdade é que não apenas é possível contá-la, mas já a temos contado desde que surgimos como espécie, através dos mitos. Por outro lado, desde que Galileu apontou seu telescópio para os céus, a humanidade adquiriu um novo par de óculos para ler o livro do universo, cujas lentes são compostas por Física, Matemática e rigor científico. Hoje em dia, a área da ciência que se preocupa com a origem e evolução do universo é chamada de Cosmologia. Serão esses óculos cosmológicos que utilizaremos a partir de agora, tendo o cuidado de identificar as regiões de maior e menor foco, já que ainda existem várias páginas desse livro que não conseguimos ler com essas lentes e, talvez, algumas páginas que sempre serão desafios [1].

Neste primeiro contato, vamos contemplar um panorama geral dessa narrativa, indo desde os primórdios do universo até as observações atuais, seguindo a ordem de como essas descobertas ocorreram. Posteriormente, daremos um zoom em diversos capítulos dessa história, pois somente assim poderemos entender como o universo que conhecemos hoje veio a existir.

O tal do Big Bang

Edwin Hubble

Tudo começou em 1929, quando o astrônomo americano Edwin Hubble observou que galáxias distantes estavam se afastando da Terra ³Edwin Hubble, “A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae”. PNAS 15 (3): 168–173, (1929). Esta foi a primeira evidência que o universo estava em expansão, ao invés de ser estático, como se acreditava naquela época. Uma consequência imediata dessa descoberta era que, se o universo estava se expandindo, isso significava que ele era menor no passado. Além do mais, se este tivesse sido o caso arbitrariamente para o passado, então haveria um momento no qual o universo estaria reduzido a um ponto. Logo, com todo conteúdo de matéria e energia concentrados num ponto, quantidades como densidade de energia e temperatura seriam infinitos! É interessante notar que o matemático russo Alexander Friedmann já naquela época havia encontrado uma solução teórica para as equações de Einstein que regem a dinâmica do espaço-tempo, ⁴Alexander Friedmann, “Über die Krümmung des Raumes”, Zeitschrift für Physik A 10 (1): 377–386, (1922) contemplando todas essas propriedades. Esse cenário seria mais tarde conhecido como Big Bang.

Como você pode imaginar, ainda que o universo estivesse, de fato, se expandindo, isso não garantiria que algo como o Big Bang tivesse realmente ocorrido. Essa foi uma questão de controvérsia no meio científico por muitas décadas, sendo encerrada apenas devido a outra descoberta: a Radiação Cósmica de Fundo em Microondas (RCFM). Em 1964, os físicos americanos Arno Penzias e Robert Wilson ⁵Arno A. Penzias, Robert W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s”. The Astrophysical Journal 142 (1): 419–421, (1965) descobriram a existência de uma radiação no espectro de microondas permeando o universo, a qual é entendida atualmente como um fóssil remanescente de uma época em que o universo era muito quente e muito denso, há aproximadamente há 13.7 bilhões de anos atrás. Dado essa descoberta, a teoria do Big Bang se tornou o paradigma atual da Cosmologia[2]!

Um lugar frio e escuro
Acabamos de entender que antes mesmo do Hubble concluir que o universo estava em expansão, já havia um modelo teórico que compreendia tal cenário. No entanto, isto só era possível após assumir que nosso universo tinha certas propriedades. Tais conjecturas são conhecidas como Princípio de Copérnico e Princípio Cosmológico.

O Princípio de Copérnico basicamente assume que não ocupamos um lugar em particular no universo, ou seja, independente do que concluirmos aqui na Terra sobre os dados que observamos, tais conclusões também devem ser aplicadas para entender outras partes do universo. Até hoje isto permanece um princípio, pois mesmo viajando pelo espaço e tempo através do movimento da Terra, do Sistema Solar, ou mesmo da própria galáxia, nós viajamos muito pouco através do universo desde que o primeiro ser humano apareceu na Terra comparando com as escalas de espaço e tempo cosmológicas [3].

Já o Princípio Cosmológico afirma que o universo é homogêneo e isotrópico (possui as mesmas propriedades independentemente da direção considerada) a partir de certa escala[4]. A fim de entender a razão pela qual deve existir uma escala em particular para que tais propriedades emerjam, podemos pensar numa bacia cheia de água. Sabemos que o líquido é bem não-homogêneo e anisotrópico (sem isotropia) a nível molecular, uma vez que podemos distinguir as diferentes moléculas, considerar suas colisões, etc. Por outo lado, quando nós diminuímos o zoom, todas aquelas moléculas formam um fluido e suas propriedades individuais e interações não são mais relevantes para a descrição macroscópica do sistema. Portanto, há uma escala relevante para a qual o sistema é observado como homogêneo e isotrópico. Atualmente, sabemos que essa escala para a Cosmologia é, aproximadamente, 320 milhões de anos-luz⁶Viatcheslav Mukhanov, “Physical Foundations of Cosmology”, Cambridge University Press, (2005).

Continuando com nossa retrospectiva, na década de 70 o conceito de matéria escura foi consolidado depois das observações de Vera Rubin ⁷Vera C. Rubin, W. Kent Ford, Jr., “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions”. The Astrophysical Journal 159: 379, (1970) sobre rotação de galáxias. Na verdade, a ideia já havia sido introduzida em 1932 por Jan Oort e e em 1933 por Fritz Zwicky ⁸Fritz Zwicky, “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln”. Helvetica Physica Acta 6: 110–127, (1933); Fritz Zwicky, “On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae”. The Astrophysical Journal 86: 217, (1937), mas as evidências não eram robustas.

O problema que motivou a introdução deste novo tipo de matéria foi o seguinte: ao comparar observações diretas de matéria visível (essa da qual nós e tudo que conhecíamos até então somos feitos) com observações de efeitos gravitacionais na RCFM e lentes gravitacionais, foi encontrado uma diferença gigante entre a quantidade de matéria visível observada e a quantidade necessária para produzir aqueles efeitos. Então, os dados indicavam que deveria haver muito mais matéria no universo do que o que já era observado diretamente. Essa matéria invisível foi chamada de matéria escura (dark matter). Hoje, sabemos que aproximadamente apenas 15% da matéria observada no universo é visível⁹Planck Collaboration, “Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters”, arXiv:astro-ph/1502.01589, (2015).

A última peça do cenário cosmológico foi consolidada em 1998: a energia escura (dark energy)! Esta peça continua um enigma, pois nós ainda não temos a menor pista do que seja, mesmo considerando as inúmeras propostas teóricas [5]. Como nós vimos acima, sabemos que o universo estava em expansão desde a década de 30. No entanto, apenas em 1998/99 que descobrimos, pelas observações dos grupos de Saul Perlmutter e de Brian Schmidt e Adam Riess ¹⁰Adam G. Riess et all, “Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant”. Astronomical J. 116 (3): 1009–38, arXiv:astro-ph/9805201, (1998) / Saul Perlmutter et all, “Measurements of Omega and Lambda from 42 high redshift supernovae”. Astrophysical Journal 517 (2): 565–86, arXiv: astro-ph/9812133, (1999), que tal expansão era acelerada, contrariando todas as expectativas[6]! Mais interessante ainda é o fato que os dados atuais implicam que a quantidade dessa energia escura necessária para provocar a aceleração observada deveria corresponder a 68% do conteúdo de matéria e energia do universo ¹¹Planck Collaboration, “Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters”, arXiv:astro-ph/1502.01589, (2015)!

Já no lado teórico, tudo que descrevemos acima só foi possível devido ao entendimento proporcionado pela teoria da gravitação de Albert Einstein, formulada em 1915 ¹²Albert Einstein, “Die Feldgleichungen der Gravitation”, Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844–847, (1915) e conhecida como Relatividade Geral. A característica mais relevante dessa teoria é a compreensão que matéria e energia deformam a estrutura do espaço-tempo, que é o ‘tecido’ do universo.

O panorama geral
Bom, afinal de contas, nosso mosaico é formado por diversas partes: das observações, vem o reconhecimento que nosso universo é composto de 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria visível; da teoria, vem a Relatividade Geral. Tudo isso se encaixa junto num quadro conhecido como modelo Λ-CDM, onde Λ representa a constante cosmológica, um modelo de energia escura, enquanto CDM é cold dark matter, ou seja, matéria escura fria [7]. Este modelo contém apenas 6 parâmetros livres, isto é, quantidades que não são preditas pela teoria e são livres para serem ajustadas de acordo com os dados observacionais. Entre eles, temos a idade do universo e as densidades de matéria escura e matéria visível, por exemplo. Isso é incrível! A título de exemplo, no mundo microscópico o Modelo Padrão de Partículas Elementares precisa de 19 parâmetros livres ¹³M. Herrero, “The Standard Model”, NATO Sci.Ser.C 534 1-59, arXiv: hepph/9812242, (1999).

Não há dúvidas que conhecer uma descrição para um sistema do tamanho do universo (literalmente!) com apenas 6 parâmetros é impressionante. Apesar disso, lembramos que apenas entendemos 5% do conteúdo desse sistema, enquanto 95% permanece obscuro, desafiando nossos modelos teóricos.

No nosso próximo texto, vamos começar nossa trajetória ao longo da história do universo investigando a Teoria da Inflação Cósmica. Essa teoria é a explicação mais aceita atualmente para o tamanho do universo, o porquê dele parece tão ‘plano’, isotrópico e homogêneo, e ainda esclarece como as estruturas que observamos hoje vieram a existir! Não deixem de seguir a página para garantir que não vão perder a continuação desta série de artigos!

OBSERVAÇÕES:

[1] Leia mais em A Filosofia do Big Bang.

[2].É importante dizer que, inicialmente, o Big Bang era entendido literalmente como o começo do universo. Hoje, referimos-nos ao modelo Cosmológico Padrão do Big Bang (Standard Big Bang Cosmology), o qual assume que houve um momento em que o universo era muito quente, denso e menor que atualmente, mas sem qualquer implicação sobre sua origem.

[3] A velocidade da galáxia é de, aproximadamente, 2 milhões de km/h ¹⁴A. Kogut et al. “Dipole anisotropy in the COBE differential microwave radiometers first-year sky maps”. The Astrophysical Journal 419: 1, arXiv: astro-ph/9312056 (1993), isso significa que nós viajamos 0.35 ano-luz (1 ano-luz é a distância que a luz viaja ao longo de 1 ano) desde que nós, humanos, surgimos, há cerca de 200 000 anos. A escala cosmológica é em torno de 3.2 milhões de anos-luz, como veremos adiante.

[4]Homogeneidade implica que o sistema em questão é indistinguível ao nos transladarmos espacialmente por ele (tal como caminhar em qualquer direção), enquanto isotropia significa que o sistema permanece o mesmo quando observado de diferentes direções (tal como olhar para um lado, ou outro).

[5]A primeira proposta, conhecida como constante cosmológica, foi proposta por Albert Einstein em 1917 ¹⁵Albert Einstein “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitaetstheorie”. Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 142–152, (1917). Curiosamente, foi reconhecida por ele como o maior erro de sua vida; no entanto, no final do século passado, tal erro acabou sendo muito mais próximo da ‘verdade’ do que o esperado no seu tempo.

[6]Ingenuamente, seria esperado que o universo estivesse se expandindo desaceleradamente uma vez que a gravidade seria sempre uma força atrativa.

[7]Frio aqui significa que tal matéria se move lentamente em relação à velocidade da luz e escura porque não interage com radiação eletromagnética.

Próximo volume:
[Volume 1] – A crise ‘hippie’ do Modelo Cosmológico