A história do Universo: para quem tem pressa

Tudo começou há 13,8 bilhões de anos, assim nos diz a teoria do Big Bang. O Universo e tudo que nele existe habitavam uma região minúscula, tão pequena que você sequer consegue imaginar. Logo, se tudo estava nesse lugar tão pequeno, a densidade e a temperatura eram muito altas e nada existia na sua forma padrão. Havia apenas uma grande sopa de partículas elementares: os quarks e radiação.

Os primeiros minutos

Algum mecanismo, ainda desconhecido, desencadeou a expansão do Universo.  Uma expansão rápida o suficiente para que seu tamanho aumentasse muito em frações de segundos. Como se uma bola de assopro fosse cheia com uma bomba super potente. À medida em que expandia, a matéria e radiação resfriaram o suficiente para que os quarks  pudessem formar os elétrons, prótons e nêutrons. Além disso, durante os primeiros 3 minutos de existência do Universo a temperatura havia diminuído o suficiente para formar os elementos leves como Hidrogênio, Hélio e um pouco de Lítio.  Os elementos mais pesados foram formados mais tarde, em núcleos de estrelas, no que chamamos de nucleossíntese estelar.

A Radiação Cósmica de Fundo

Radiação Cósmica de Fundo

Ora, o processo de expansão permitiu que o Universo resfriasse o suficiente para que a radiação pudesse viajar livremente sem interagir mais com os elétrons, período que chamamos de recombinação ou desacoplamento. Essa radiação chega até nós hoje na faixa de micro-ondas e recebe o nome Radiação Cósmica de Fundo (RCF). Ela foi observada, em 1965, por dois astrônomos, Arno Penzias e Robert Wilson, enquanto testavam uma antena de rádio. Eles mediram um sinal que vinha de todas as direções do céu. Após descartar a possibilidade de ser causado pela presença de sujeira das antenas ou outra contaminação, o sinal foi associado com as predições feitas pelo físico George Gamow, sobre uma radiação de origem primordial. Por essa descoberta, Penzias e Wilson ganharam o prêmio Nobel de 1978.

O primeiro telescópio

Luas de Júpiter observadas por Galileu.

Nossa viagem ao longo da história do Universo pode estar ficando um pouco confusa e complexa, então vamos com calma. Como surgiu essa ideia de que o Universo começou com uma grande expansão? Lembrem-se que hoje é comum o uso de telescópios e que, por causa deles, sabemos que existem outras galáxias além da nossa. Mas nem sempre foi assim, não tínhamos esse conhecimento 3 ou 4 séculos atrás. Até chegarmos nos telescópios que utilizam o famoso Dispositivo de Carga Acoplada (câmeras CCD), passamos por instrumentos rudimentares como a luneta de Galileu, telescópios que registravam as imagens em placas de vidro, em filmes fotográficos, até os modelos mais modernos.

Universo em expansão

Relação velocidade-distância entre nebulosas extra galácticas.

Portanto, foi a partir do uso comum dos telescópios que pudemos observar cada vez mais longe e chegar a conclusão de que o Universo vai muito além do que achávamos. No início do século 20, o astrônomo Edwin Hubble observou diversas galáxias. As técnicas disponíveis naquela época permitiram que ele medisse a distância e a velocidade dessas galáxias. A partir disso, ele construiu uma relação mostrando que quanto mais distante uma galáxia estava, mais rápido ela se afastava de nós – o Universo estava em expansão! Assim sendo, foi intuitivo pensar que tudo deveria vir de uma origem em comum.

Universo em expansão.

Voltando na seta do tempo.

O modelo cosmológico padrão

Um Universo em expansão é aceitável e está em acordo com a Teoria da Relatividade Geral (TRG), proposta por Albert Einstein em 1917. O sucesso da TRG é notável desde sua primeira confirmação observacional, em 1919, durante um eclipse solar em Sobral no Ceará. E mais recentemente através da observação das ondas gravitacionais. Todavia, o que abalou a comunidade científica no final do século passado foi o fato de que observações de Supernovas do tipo Ia, RCF e catálogos de galáxias, por exemplo, indicavam que estamos em uma fase de expansão acelerada. E isso não é algo intuitivo, pois a gravidade, que tem poder atrativo, não pode fazer as coisas se afastarem. Podemos então perguntar: o que há além?

Na tentativa de explicar aceleração e manter a TRG válida, devemos incluir uma componente extra de energia, a energia escura (EE), que possui pressão negativa. Além disso, precisamos de uma componente adicional de matéria, a Matéria Escura (ME), para explicar as curvas de rotação de galáxias e efeitos de lentes gravitacionais. Com essas duas componentes extras completamos a história do Universo: para quem tem pressa, construindo o cenário do Modelo Cosmológico Padrão (MCP). Um modelo que é baseado na TRG como teoria de gravidade, possui matéria padrão (prótons, elétrons e nêutrons), radiação, matéria escura e energia escura, e que apresenta um ótimo acordo com as observações astronômicas.  

O preço a ser pago é desconhecer a origem da EE e ME. Conhecemos seus efeitos mas somos ignorantes quanto a sua composição. Desta forma, podemos dizer que existem falhas no MCP? Sim. Porém, existem diversas alternativas para explicar a aceleração cósmica sem recorrer a uma componente exótica de energia. Mas essa é uma conversa que fica para outro dia, por hoje é tudo pessoal.