Big Bang – por Vitor de Sousa | 1 minuto de Astronomia

Pedro Gil Ferreira, (Universidade de Oxford)

O Cosmos em 2009
Este ano comemoramos o começo da astronomia moderna, os 400 anos das primeiras observações astronómicas de Galileu Galilei. Comemoramos também os noventa anos da famosa experiência na Ilha do Príncipe em que Arthur Eddington testou a teoria da relatividade de Albert Einstein. Com as medidas de Eddington, a Teoria da Relatividade passou a ser uma peça fundamental da física moderna e está na base da nossa compreensão da origem e evolução do Universo.

Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein, o espaço e o tempo são maleáveis, reagindo à presença de energia e matéria. A geometria do espaço-tempo é alterada, havendo regiões de maior ou menor curvatura. A força da gravidade passa a ser apenas uma manifestação da deformação do tecido do espaço-tempo.

Um exemplo simples deste fenómeno é o do Sistema Solar. O Sol é um objecto pesado que deforma o espaço-tempo á sua volta. A Terra vai-se deslocar nesse espaço-tempo distorcido, seguindo uma trajectória curvilínea. Se nos abstrairmos do espaço-tempo, vamos observar a Terra a seguir um órbita fechada à volta do Sol de maneira que parece estar a ser atraída por uma força. Este mecanismo pode ser usado para explicar as órbitas de todos os planetas. É possível ir ainda mais longe e atacar uma das grandes questões científicas: qual é a origem e evolução do Universo?

Olhando para a totalidade do espaço-tempo é possível deduzir que o Universo passa a ser uma entidade dinâmica, a sua evolução dependendo do seu conteúdo. Em particular, o espaço deve estar em expansão e uma consequência óbvia é que as galáxias vão afastar-se umas das outras com velocidades que rondam os milhares ou mesmo centenas de milhares de quilómetros por segundo.

O astrónomo Americano Edwin Hubble observou esta expansão em 1929. Correlacionando as distâncias e velocidades de galáxias distantes, Hubble deduziu que, mais uma vez, a previsão da relatividade geral de Einstein estava correcta. Mais recentemente, com observações de supernovas distantes, é possível medir esta correlação entre distâncias e velocidades com grande precisão.

Se o Universo está em expansão, significa então que era mais denso e mais quente no passado. Estando mais quente, os constituintes da matéria tais como os átomos, moléculas e mesmo os núcleos atómicos estariam sujeitos a condições suficientemente extremas que os levariam a dissociarem-se. É possível então identificar épocas especiais na evolução do Universo em que há transições entre diferentes estados da matéria.

Uma transição importante acontece quando o Universo tem apenas 400,000 anos e uma temperatura de aproximadamente 3500 K (kelvin). Nessa altura, os protões e electrões que até então coexistiam na forma de um plasma electricamente carregado, vão-se ligar para formarem átomos de hidrogénio. O Universo passa a estar num estado neutro e transparente, o que permite a propagação de luz através de distâncias cosmológicas. Essa luz tem um espectro muito particular e é conhecido como o fundo de radiação cósmica.

Em 1967, dois astrónomos Americanos, Arno Penzias e Robert Wilson encontraram vestígios desse espectro em medidas feitas com um rádio telescópio na Bell Laboratories. Quase 25 anos depois, o satélite COBE mediu o fundo de radiação cósmica com tremenda precisão e mostrou que tinha a forma que apareceria num Universo em expansão.

O Universo em expansão, também conhecido com o modelo do Big Bang, está mais do que comprovado e é a base da cosmologia actual. No entanto, nos últimos trinta anos tem surgido discrepâncias interessantes no modelo cosmológico que emerge da teoria de Einstein. O primeiro problema surge quando olhamos para o movimento das galáxias e a forma como rodam à volta dos seus eixos de simetria. Se deduzirmos a força atractiva resultante das estrelas que se observam no seio de uma galáxia, rapidamente se chega a conclusão que não é suficiente para manter o sistema a rodar com velocidades tão elevadas. Este fenómeno é observado em todas as galáxias e não é explicável à luz da teoria de Einstein a não ser que se assuma a existência de uma forma de matéria que não interage com a luz e que portanto não é observável com telescópios convencionais.

Essa matéria invisível é conhecida como matéria escura e existem teorias que podem explicar a sua existência. Não há, porém, nenhum consenso sobre a sua origem e existem neste momento várias experiências que estão a tentar medir as suas propriedades directamente.

O segundo problema que surge na cosmologia actual é que o Universo parece estar a expandir-se demasiado rapidamente. Observações recentes de supernovas distantes parecem indicar que a expansão do Universo está a acelerar e não a desacelerar como seria de esperar se o espaço-tempo tivesse sujeito a atracão gravítica da matéria convencional. Esta expansão acelerada parece implicar a existência de uma forma muito exótica de energia que é repulsiva quando interage através da força gravítica.

Conhecida como energia escura, esta estranha forma de energia não aparece naturalmente em nenhuma teoria fundamental das partículas e forças. Há uma candidata possível, a constante cosmológica, que foi proposta já por Einstein como uma maneira de contrabalançar o efeito atractivo global que a matéria normal exerce sobre o Universo. A constante cosmológica pode ser a fonte da expansão acelerada do Universo e pode surgir da energia quântica do vácuo. O valor natural da constante cosmológica será porém demasiado alto para explicar a taxa de expansão que observamos. Mantém-se em aberto a origem da energia escura.

Sendo assim, encontramo-nos numa situação complexa. Por um lado, a teoria de Einstein prevê e explica como grande sucesso a evolução e história do Universo. Por outro lado, exige que 95% da Universo seja invisível, na forma de matéria ou energia escura, sobre as quais não sabemos quase nada.

Encontramo-nos numa altura fascinante na história das ideias. Por um lado, temos uma teoria poderosa e elegante com a qual podemos prever fenómenos que conseguimos observar. Por outro lado, temos uma tecnologia observacional e experimental avançada que nos permite olhar para os confins do Universo e construir uma cartografia celeste sofisticada. Temos que contrastar este estado de graça com um estado de ignorância em que não fazemos a mínima ideia do que é que o Universo e formado.

~ por aia2009 em 17 de Novembro de 2009.

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