Cosmologia: A teoria do Big Bang – II

As coisas encobertas pertencem ao Senhor nosso Deus, porém as reveladas nos pertencem a nós e a nossos filhos para sempre, para que cumpramos todas as palavras desta lei.

Deuteronômio 29:29

Se você ainda ficou em dúvida se a teoria do Big Bang (BB) é algo de Deus ou é engodo pecaminoso, te convido a ler até o fim a coluna de hoje. O que quero te demonstrar, por vias científicas, é que o BB tem embasamento não só teórico / matemático, como vimos na última coluna: há muitas evidências que o suportam e é a teoria, até o momento, que mais abarca fenômenos cosmológicos.

Na coluna passada paramos no ano de 1937 com a publicação dos trabalhos de Walker e que fechou, por meios teóricos iniciais, o BB. Na década seguinte, entre os anos de 1946 e 1949, George Gamow e seus colaboradores, Ralph Alpher e Robert Herman, além de Hans Bether, publicaram uma série de trabalhos que, alguns colocam, como o início da formulação do BB. Uma das ideias propostas era de que no início do universo, em um estado muito quente e denso (com volume tendendo a zero), os primeiros elementos químicos se originaram (os mais simples da tabela periódica) e a expansão fez com que todo esse sistema cosmológico em nascimento se expandisse e resfriasse até a temperatura atual. Alpher e Herman predisseram que, se tal mecanismo tivesse realmente acontecido, então o universo atual teria uma temperatura de poucos K (Kelvin. 1 K =  -272,15º C), que é conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB – Cosmic Microwave Backgroung).

Nas décadas de 1960 e 1970, diversos desenvolvimentos teóricos foram feitos por Roger Penrose (ganhador de Nobel de Física em 2020), Stephen Hawking e George Ellis, além da detecção da CMB (que rendeu Nobel de Física). Já nos anos de 1980 e 1990, outros acoplamentos, teóricos e observacionais, foram feitos ao BB, como modelos de inflação (falaremos futuramente), lançamento do telescópio espacial Hubble (nome em homenagem ao Ed Hubble), exoplanetas (que expande mais o conceito de sistema planetário, mas de forma observacional), expansão do universo de forma acelerada (diferente da expansão inflacionária; veremos futuramente) e melhor análise de dados da CMB.

Parece que é muita coisa (e é!), mas sintetizarei em comentários algumas evidências do BB. Ou seja, não são só essas evidências que mostrarei, mas são, talvez, as mais fáceis de entender. Como sempre faço, optarei pela simplicidade da explicação; isso não indica que não há complicações tecnológicas ou matemáticas intrínsecas. Mesmo assim, cada uma das evidências daria para escrever uma coluna inteira só para ela.

Nucleossíntese primordial

Este termo refere-se a um período inicial do universo, mais especificamente: os primeiros 20 minutos. Isso mesmo: durante os primeiros 20 minutos de idade do universo houve a produção dos primeiros elementos químicos ou os elementos mais leves: hélio, deutério (um tipo de hidrogênio, isótopo, que tem 1 próton e 1 nêutron), hélio-3 (um tipo de hélio, isótopo, com 2 prótons e 1 nêutron) e lítio. Em outras palavras: o universo nasceu sem nada (sem átomos prontos) e, até a primeira meia hora de vida, produziu esses átomos (além do hidrogênio).

Relações entre densidades dos elementos químicos primordiais.
Fonte: https://www.scientificamerican.com/article/the-evolution-of-the-universe/

Isso é o contexto teórico: se o BB estiver correto, com essa produção inicial de elementos químicos a partir apenas da energia e da sopa de quarks inicial (ainda falaremos sobre o nascimento e essa nucleossíntese primordial em detalhes em outro momento), então seria possível observarmos parâmetros cosmológicos com densidades que referenciassem aos trabalhos de Gamow & cia. E foi exatamente isso que foi observado: a missão Planck publicou, em 2015, um trabalho mostrando essas proporções a partir da observação da CMB. Um outro trabalho, também técnico, traz evidências em 2018 sobre a abundância de hélio primordial.

A tabela periódica dos elementos químicos com as respectivas origens. Veja que, para alguns elementos, há uma sobreposição de fontes. No caso da nucleossíntese primordial, com um tempo mais extenso, os elementos dessa tabela são: hidrogênio, hélio, lítio, berílio e bário.
Fonte: https://netnature.wordpress.com/2016/12/01/a-tabela-periodica-e-a-nucleossintese-dos-elementos/

Radiação Cósmica de Fundo (CMB)

A CMB, para mim, é uma das maiores evidências do BB. Inclusive, ela pode ser detectada em casa: hoje até que não é muito comum, mas quando você sintoniza um rádio (ou TV, como antigamente), há um ruído. Esse ruído tem diversas fontes, mas uma delas é a radiação na frequência de micro-ondas que vem do início do universo.

Radiação de micro-ondas não é ionizante, ou seja, não faz mal e é a mesma que usamos em casa para aquecer alimento.
Fonte: https://www.apoioescolar24horas.com.br/salaaula/estudos/fisica/035_ondas/

Essa radiação foi teorizada por Gamow, Alpher e Herman em 1948 e descoberta, de forma observacional, por Arno Penzias e Robert Wilson, em 1965. Em 1978, o Nobel de Física foi dado a Penzias e Wilson.

Nas décadas de 1990 e 200 muitas pesquisas foram feitas em torno da CMB. Três satélites com missões específicas foram lançados: COBE, WMAP e Planck. A partir das observações da CMB, diversos dados cosmológicos (como idade, tamanho e composição do universo) foram adquiridos e refinados.

Mapa da CMB feito pelas três missões espaciais. Veja que a resolução melhorou muito entre o COBE e o Planck
Fonte: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/19/how-the-planck-satellite-changed-our-view-of-the-universe/

Expansão atual

A última evidência que separei (há diversas outras, mais técnicas) é a expansão do universo. Veja que na coluna anterior já tinha mencionado a descoberta feita por Hubble, em 1929, sobre a expansão do universo. Ou seja, a expansão ou o afastamento das galáxias é uma base para a teoria do BB e é uma evidência observacional.

Lei de Hubble-Lemaître ainda aparece, de forma destacada, com diversos objetos observados. Fonte: https://www.nature.com/articles/s41550-018-0657-z

Conclusão

A coluna de hoje foi um pouquinho mais curta do que as outras, mas as implicações são muito profundas. Dado o que falei na coluna passada sobre a parte teórica do BB e, nessa, destacando algumas evidências, é uma prova muito substancial da capacidade humana de montar, procurar e achar coisas sobre a sua existência física. E mais: tudo isso nos mostra a nossa origem física, vinda lá do início do universo.

Tudo isso, obviamente, é dom de Deus. O Criador fez toda essa maravilha de natureza, com beleza intrínseca que já seria mais do que o suficiente para atrair a nossa atenção e admiração. Como se não bastasse, ainda nos deu capacidade cognitiva e razão, que entra em consonância com os padrões que Ele mesmo fez.

Porque nele foram criadas todas as coisas que há nos céus e na terra, visíveis e invisíveis, sejam tronos, sejam dominações, sejam principados, sejam potestades. Tudo foi criado por ele e para ele.

Colossenses 1:16

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • Fiz uma série sobre CMB no YouTube: https://www.youtube.com/playlist?list=PLRVeBaicnZqFWKTHHe2T8XtCRo7nLcbua;
  • Um artigo, em português, complementar sobre nucleossíntese primordial: https://www.scielo.br/pdf/rbef/v40n4/1806-9126-RBEF-40-4-e4308.pdf;
  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Fiz mestrado e doutorado na área de cosmologia quântica. Minha dissertação e tese tem capítulo específico sobre física quântica. Também escrevi um livro, fruto da dissertação. O título da dissertação é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela, o da tese é Discretização da energia no universo primordial e o do livro é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela: Proposta de soluções;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado.
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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