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Tudo o que você queria saber sobre o Big Bang

Análise e explicações detalhadas sobre a grande explosão que deu origem ao Universo.
A grande explosão que deu origem ao Universo, o Big Bang, às vezes parece uma idéia confusa. Por exemplo: que estranho “lugar” foi esse onde se deu a explosão? Ou então: exatamente em que ponto do céu ocorreu a explosão? Em outras palavras, se é verdade que o telescópio espacial Hubble poderia ver o nascimento do Cosmo, para onde deveria ser apontado? Tais perguntas são comuns entre os leitores e a revista americana Astronomy deu as respostas, com sucesso. Veja a seguir a versão Superinteressante dos tópicos de maior interesse, em linguagem que qualquer um pode entender. O objetivo é divulgar mais amplamente a Cosmologia, ciência propiciada pelo gênio de Einstein que estuda a origem e a evolução do Cosmo. Ou seja, tudo que existe, visto na maior escala que se pode imaginar.
 
1 – Se todas as galáxias se afastam da Terra, isso não coloca a Via Láctea no centro do Universo?

É o tipo da dúvida que se desfaz no momento em que se vê a imagem da expansão, mesmo simplificada ao extremo. O melhor é pensar no Universo como um balão de borracha; ele está sendo inflado e as galáxias repousam à sua superfície. Não importa onde se esteja, sempre as galáxias serão vistas afastando-se umas das outras. Mais do que isso, pode-se mostrar matematicamente que a velocidade de afastamento segue a lei de Hubble: ou seja, quanto mais distante a galáxia, mais veloz ela é. Os habitantes de qualquer galáxia do Universo veriam todas as outras afastando-se exatamente da forma que essa lei prescreve. Em outras palavras, o Cosmo é democrático. Nenhuma região dentro dele contém mais matéria que qualquer outra (em regiões do mesmo tamanho; se uma região é maior, contém mais matéria que outra menor, de modo que a densidade é sempre a mesma, na média).

2 – Como se formaram as galáxias? - Este é um dos campos de mais intensa pesquisa, atualmente, mas tudo indica que a semente desses grandes amontoados de estrelas foi lançada bem no início dos tempos, quando o Cosmo era um tórrido e impenetrável caldo de partículas subatômicas. O problema central é que a expansão forçava a matéria a se espalhar, afastando as partículas cada vez mais, umas das outras. Por isso é difícil explicar como elas se juntaram para formar estrelas, galáxias ou aglomerados de galáxias, em escala ainda maior. Uma possibilidade é que a matéria não estivesse bem distribuída: em certas regiões, havia mais partículas do que a média. De tal forma que, dentro de tais regiões, a atração da gravidade entre as partículas venceu a expansão, forçando porções de matéria a se aglutinarem.

Não se sabe se as massas iniciais eram simples estrelas, que depois se reuniram em galáxias. Ou se desde o começo tinham a dimensão de galáxias, e em seguida desmoronaram sobre si mesmas, formando, cada uma, bilhões de estrelas. Seja como for, não se sabe bem o que tirou as partículas do lugar, alterando sua perfeita distribuição no espaço. Imagina-se que a resposta esteja num fenômeno estatístico. Isto é, a sua distribuição original nunca foi perfeita. As partículas se pareciam mais com um inquieto enxame de abelhas: na média, as abelhas se espalham por igual no enxame, mas estão sempre se ajuntando ou se dispersando, em cada ponto e em cada momento. Nesse caso, existe a possibilidade de alguns ajuntamentos se tornarem definitivos, porque as partículas se aproximaram tanto que acabaram presas pela gravidade.

3 – O Universo tem fim? Se tiver, o que existe além desse limite? - Embora não tenha limite, da maneira como os antigos imaginavam a extrema borda do mundo — um abismo dando para o nada —, o Cosmo também não é infinito. A Terra, por exemplo, é finita, mas sua superfície não tem uma fronteira porque é redonda: quem anda sempre numa mesma direção volta ao ponto de partida. Trata-se de uma analogia imperfeita, porém, pois o Universo é finito no tempo, não no espaço. Outra maneira de dizer isso é a seguinte: aquilo que está longe, está no passado. Portanto, ver o limite do Universo significa olhar para o seu nascimento, sua última fronteira.

4 – Como os astrônomos sabem a idade do Universo? - Em princípio, as medidas não poderiam ser mais simples. Como as galáxias estavam todas juntas quando o Universo nasceu, basta calcular o tempo que elas levaram para chegar à distância que estão atualmente. É como dizer que uma viagem de 200 quilômetros, feita a 100 quilômetros por hora, demorou duas horas. O problema é avaliar a distância e a velocidade das galáxias, mas pode-se usar a velocidade de qualquer galáxia: a distância dividida pela velocidade, dá sempre o mesmo valor — a idade do Cosmo. Parece esquisito, mas é um fato: embora todas as galáxias se afastem, as mais próximas são mais lentas e as mais distantes, mais rápidas.

Trata-se de uma das maiores descobertas de toda a ciência, neste século, e foi feita pelo americano Edwin Hubble, em 1929. Um exemplo concreto são duas galáxias, uma a 10 milhões de anos-luz e outra a 100 milhões de anos-luz (um ano-luz mede 9,5 trilhões de quilômetros). Assim, a galáxia mais próxima é mais lenta e se afasta a 150 quilômetros por segundo, enquanto a galáxia mais distante, mais rápida, se afasta a 1 500 quilômetros por segundo. É fácil ver que ambas têm a mesma constante de Hubble, de valor igual a 15 (150 dividido por 10 ou 1 500 dividido por 100). Dividindo-se 1 por 15 chega-se à idade de 20 bilhões de anos para o Universo.

Essa última conversão é um pouco complicada devido às unidades das medidas (quem gosta de contas deve considerar que o número 15 é medido em quilômetros por segundo, por milhão de anos-luz. E que um ano tem 31,5 milhões de segundos). De qualquer forma, se na teoria tudo se encaixa, na prática há diversos problemas. Primeiro, porque as galáxias próximas se atraem pela força da gravidade, de modo que suas velocidades não obedecem precisamente à constante de Hubble. Por outro lado, é difícil calcular a distância de galáxias muito remotas. No final, conforme as medidas feitas, o valor da constante pode variar bastante, digamos entre 15 e o dobro disso, 30. Assim, a idade do Cosmo deve ficar entre 10 e 20 bilhões de anos.

5 - Qual é o destino final do Universo? - Infelizmente, ainda não é possível responder a essa pergunta, pois ela depende de quanta matéria está contida no Cosmo. Há duas possibilidades diferentes, como uma pedra que se joga para o alto: ela pode cair de volta ao solo, ou não, escapando para o espaço interplanetário numa viagem sem retorno. O primeiro caso corresponde a uma pedra muito “pesada”, que depois de subir um pouco cai pela força da gravidade. Da mesma forma, se o Universo contiver bastante matéria, a gravidade será capaz de impedir que as galáxias continuem a afastar-se umas das outras. A expansão será interrompida e depois invertida, transformada numa implosão.

Apenas se a quantidade de matéria for pequena, o Cosmo se expandirá para sempre, situação semelhante à de uma pedra pequena, atirada para o alto com tanta força que nunca volta a cair. Até onde se sabe, não há matéria luminosa em quantidade suficiente para interromper a expansão. Reunindo-se todas as estrelas, em todas as galáxias, assim como os gases e a poeira cósmica, chega-se a um centésimo do total necessário. É verdade que uma das maiores descobertas dos últimos anos foi a matéria escura — assim chamada porque não emite luz e não pode ser observada diretamente. Ela pode estar na forma de planetas, ou de partículas subatômicas, como o neutrino. Mas, embora não haja dúvida sobre a existência desse universo oculto, não é certo que sua massa é o que falta para mudar o destino do Cosmo.

6 – Que gatilho detonou o Big Bang? - Que veio primeiro, o ovo ou a galinha? É possível que o próprio Universo tenha posto fogo ao rastilho de sua explosão. Se ele deixar de se expandir e voltar a encolher, espremendo toda a matéria à dimensão de um ponto, o resultado será nova explosão. Um renascer das cinzas que se repetirá eternamente. É o que se chama modelo oscilante de Universo, que alguns consideram o mais satisfatório, do ponto de vista filosófico. Para a Cosmologia, porém, essa é uma questão em aberto, pois ainda não se concebeu um meio de investigá-la cientificamente.

7 – Se o Universo foi criado numa grande explosão, por que o brilho dessa explosão, a chamada radiação de fundo, não vem de um único ponto no céu?
Porque o Big Bang não ocorreu em algum ponto, dentro de um espaço que já existia, e para o qual se possa apontar um telescópio. O próprio espaço e o tempo nasceram com a explosão primordial. Assim, não havia um “lado de fora”, a partir do qual se pudesse observar a explosão. A radiação de fundo é um jorro de luz emitido centenas de milhares de anos após o Big Bang. Antes dessa época, o Universo era um caldo indevassável de partículas subatômicas, entrechocando-se a alta velocidade, e partículas de luz, os fótons.

O caldo era tão denso que os fótons não podiam viajar distâncias significativas entre um choque e outro, especialmente com os elétrons, a mais importante partícula de matéria, naquele tempo. Alta velocidade significa alta temperatura, mas esta estava caindo devido à expansão cósmica (os botijões de cozinha também esfriam quando se esvaziam rapidamente, ou seja, quando o gás se expande ao escapar do botijão). Assim, quando a temperatura desceu a 5 000 graus, chegou-se a um marco fundamental: os elétrons foram aprisionados em massa pelos prótons, pois já não eram rápidos o suficiente para evitar a atração que a carga positiva desses últimos exercia sobre a sua própria carga negativa.

Foi como nasceram os primeiros átomos na história do mundo. E uma das conseqüências disso foi a libertação da luz: sem elétrons soltos que pudessem barrar-lhe o caminho, os fótons passaram a viajar livremente em meio à matéria e encheram o Universo, formando a radiação de fundo. Chegam à Terra de todas as partes — e não de algum ponto específico — justamente porque o fenômeno que lhes deu origem ocorreu em todas as partes do Cosmo ao mesmo tempo, preenchendo-o por igual bilhões de anos atrás. De lá para cá, a expansão cósmica deixou sua marca sobre os fótons, cuja “temperatura” caiu de 5 000 para 2,73 graus acima do zero absoluto, ou - 270, 27 °C (radiação, a rigor, não tem temperatura; é que sua energia equivale à de fótons emitidos por um corpo a 2,73 graus).

8 – Em que lugar o Universo está se expandindo? - É difícil imaginar pergunta mais incômoda que esta, e o problema básico é que não se pode visualizar a resposta. Por exemplo, quando se desenha o Universo como uma bola, ou uma esfera, não significa que ele seja a bola toda — ele constitui apenas a superfície da bola. Assim, quando a bola é inflada, a superfície aumenta, simbolizando a expansão cósmica. Mas não se deve esquecer que a superfície esférica tem apenas duas dimensões, enquanto o Universo, de fato, tem três dimensões. O sacrifício é inevitável: só quem vivesse em quatro dimensões poderia desenhar um objeto de três dimensões em expansão. No Universo real, existe uma quarta dimensão, mas ela tem a ver com o tempo — e não há como recortar imagens no tempo. Pode-se dizer, então, que o espaço se expande no tempo. Ele constituiria a quarta dimensão em que o Universo está imerso.

9 - O que é inflação cósmica? - Esse termo foi emprestado da economia num período de crise nos Estados Unidos, no início dos anos 80. Significa que o Universo passou por um período de expansão exagerada em sua infância, assim como a inflação usualmente indica aumentos excessivos nos preços. Imaginada pelo físico americano Alan Guth, foi uma espécie de explosão dentro da explosão, com conseqüências importantes sobre a evolução posterior do Cosmo. Uma delas é que, se realmente sofreu uma crise inflacionária, o Universo não se expandirá para sempre.

Algum dia, a gravidade interromperá a dispersão das galáxias, embora sua força não seja suficiente para inverter o movimento e comprimir o Cosmo de volta ao estágio do Big Bang. Ou seja, se Guth estiver certo, nem é preciso medir a massa do Universo: ela pode ser deduzida diretamente da teoria. A inflação, de certo modo, obriga o Cosmo a ter certa massa, e não uma outra qualquer. É um exemplo de como as teorias podem ser poderosas e, de um golpe, revelar fatos aparentemente difíceis de obter. Não é possível explicar as idéias de Guth em poucas palavras. Mas elas parecem resolver diversos problemas técnicos que vinham ocupando os cosmologistas há décadas.

10 – As galáxias estão realmente se afastando umas das outras, ou é o espaço que está sendo esticado pela expansão cósmica?
Há certa polêmica em torno desse ponto. À primeira vista, parece não fazer diferença: tanto faz dizer de um jeito ou de outro. Mas uma coisa é subir, por exemplo, de um andar a outro de um shopping center, e outra fazer o trajeto parado numa escada rolante. No primeiro caso, é o caminhante que gasta energia no movimento; no segundo, é o shopping (a escada) que paga o preço do percurso. A resposta correta, com a qual concorda a maioria dos cientistas, é que o próprio espaço está se expandindo. Isso é o que diz a teoria da relatividade do alemão Albert Einstein, base da ciência cosmológica. Mas há quem se oponha. Se o espaço se expande, dizem os críticos, então tudo o que ele abarca também se expande — inclusive as réguas, ou qualquer outro meio de medir distâncias.

Portanto, nunca se perceberia a expansão, pois se as réguas crescem na mesma proporção que as distâncias, vão indicar sempre o mesmo valor. O erro desse raciocínio pode ser visualizado por meio de um balão de borracha ao ser inflado. À medida que isso acontece, vê-se que as galáxias participam da expansão geral, mas elas mesmas não aumentam porque cada uma forma um bloco coeso de matéria, capaz de resistir ao esticamento porque suas partes estão presas entre si pela força da gravidade. É por esse mesmo motivo que as galáxias podem ter movimentos próprios, em que alteram o movimento mais geral de afastamento, causado pela expansão. Muitas galáxias estão efetivamente se aproximando entre si, devido à atração gravitacional.

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