Cosmologia: resumo do universo – parte 1

No princípio criou Deus o céu e a terra.

Gênesis 1:1

Na Série Cosmologia já tratei de diversos aspectos sobre o universo, sua história e sua evolução. Mencionei sobre as estrelas e as constelações (conjunto de estrelas), tratei um pouco de história (aqui e aqui), trabalhei com algumas cosmovisões que influenciaram e influenciam na interpretação dos dados cosmológicos (sim: não existe cientista isento e livre de pressupostos religiosos, por mais ateu que ele seja), demonstrei a régua de medida de distancias e idade do universo (redshift) e, claro, mostrei a teoria do Big Bang em 2 textos (aqui e aqui). Também citei sobre a lenda (no pior sentido da palavra) do conflito entre fé cristã e ciência que perpassa pela cosmologia: não há conflito algum. Ao longo desses textos, de forma implícita e espalhada, escrevi como funciona a teoria do Big Bang, as evidencias observacionais e as “provas” matemáticas. Inclusive, dediquei um texto exclusivo a apenas uma evidencia: radiação cósmica de fundo (CMB – Cosmic Microwave Background, sigla em inglês).

Nesse texto quero fazer uma síntese mais sucinta e concisa de tudo isso. Além do mais, quero montar o elo entre cosmologia (também chamada de cosmologia clássica) e o início do universo: a cosmologia quântica. Mais especificamente, a cosmologia quântica vai tratar, especificamente, do início e processos físicos de nascimento do universo. Ou seja, a cosmologia clássica, toda essa da Série Cosmologia, trata dos momentos depois do nascimento do universo em diante: sua evolução, formação de galáxias e grandes estruturas (superaglomerados de galáxias). É claro que o assunto cosmologia clássica não acabou: apenas comecei e ainda delinearei por muitos assuntos: formação das primeiras galáxias, formação de buracos negros (antes ou depois das galáxias? É a dúvida que ainda perdura), formação das primeiras estrelas, astrofísica galáctica (evolução das galáxias), astrofísica estelar (evolução das estrelas) e os possíveis fins do universo (sim, no plural: não sabemos como o universo terminará).

Obviamente, não detalharei e nem repetirei tudo o que já escrevi na Série Cosmologia. Apenas resumirei tudo o que você precisa ter em mãos para entender o universo de forma global.

REDSHIFT

O primeiro conceito que você precisa ter em mente na hora de “ler o universo” é o redshift: deslocamento para o vermelho. Redshift é um fenômeno físico onde o espectro eletromagnético de um objeto é deslocado para o vermelho.

Voltando um passo: todo objeto (átomo, molécula, corpo, estrela, galáxia etc) emite radiação (luz, que pode ser em comprimento de onda visível (cores) ou invisíveis, como raios X e raios gama). E o espectro eletromagnético, seja de emissão ou de absorção, é único e invariável: não existe dois elementos ou substâncias que tenham o mesmo espectro. Nós, cientistas, conhecemos muito bem e já temos tabelado todos os átomos (são menos de 130) e seus espectro: então, quando vemos qualquer espectro, conseguimos saber a composição química daquele objeto, estrela, galáxias etc.

Sabendo que o espectro eletromagnético é fixo, único e invariável, quando o comparamos com o espectro de uma galáxia, logo sabemos toda a composição química. E mais: podemos ver que o espetro da galáxia está deslocado. Vendo o quão deslocado está o espectro da galáxia do espectro que deveria ser, calculamos o redshift (deslocamento para o vermelho) e, automaticamente, a velocidade de afastamento de nós que essa galáxia está tendo. Um exemplo:

Espectro da galáxia GN-z11, a galáxia mais distante conhecida.
Fonte: https://hubblesite.org/contents/media/images/2016/07/3709-Image.html?Topic=105-galaxies&keyword=spectrum

A figura acima é o espectro da galáxia GN-z11. Observe que o espectro visível (primeira faixa colorida) deveria estar no local onde se vê espectro visível (visible, na segunda faixa colorida). Mas, o espectro da galáxia está deslocado para o vermelho. Isso significa que a galáxia GN-z11 está se afastando de nós. Fazendo as contas através do efeito Doppler relativístico (igual ao efeito Doppler que aprendemos no ensino médio, mas aqui é utilizado luz e Relatividade Especial), chegamos à conclusão da velocidade de afastamento de nós da galáxia e a posição inicial que ela estava, ou seja, essa imagem mostra a posição dela no início do universo. Só para você ter uma ideia: a imagem da galáxia GN-z11, que temos o espectro e toda essa informação, é de sua localização quando o universo tinha apenas 400 milhões de anos de idade (hoje, o universo tem 13,8 bilhões de anos de idade). Veja mais detalhes e até um vídeo interessante sobre a GN-z11 aqui.

LEI DE HUBBLE-LEMAÎTRE

Sabendo como é a dinâmica do universo, afastamento e aproximação de galáxias, concluímos que o universo está se expandindo. Na realidade, essa descoberta vem de Lemaître e Hubble, no final dos anos 1920. De forma teórica (por Lemaître e apoiado por dados) e observacional (por Hubble), todas as galáxias em larga escala (distâncias acima de ~300 milhões de anos-luz; 1 ano-luz = 9,5 trilhões de km) estão se afastando uma das outras. Em outras palavras, todas as galáxias em larga escala têm redshift. Mostrando e explicando graficamente:

Gráfico da lei de Hubble-Lemaître
Fonte: https://www.pnas.org/content/96/8/4224

A imagem acima é de um artigo de 1999. Ela mostra, no primeiro gráfico (fica mais fácil de entender), a posição das galáxias (eixo Y – Distance Modulus) em função da velocidade de afastamento (eixo X – Redshift z). E esses dados são observacionais: se observa o espectro da galáxia e, com isso, sabemos a posição e a velocidade que ela tem; depois, plotamos o gráfico. Olhando esses gráficos concluímos, de imediato, que quanto mais distante está a galáxia, maior é a sua velocidade de afastamento (redshift).

Veja que o gráfico é simples: é apenas uma reta, uma função de 1º grau, igual aos gráficos que estudamos em matemática no ensino fundamental e médio. A inclinação da reta, que aprendemos na escola, aqui chamamos de constante de Hubble H. De posse dessa constante e fazendo as contas ao contrário, para o passado (igual fazíamos na escola para saber a origem da reta), podemos saber qual é a idade do universo. Em outras palavras, com esses gráficos e com a constante de Hubble (tudo de forma observacional) conseguimos saber o tamanho e a idade do universo: 46 bilhões de anos-luz de tamanho (1 ano-luz = 9,5 trilhões de km) e 13,8 bilhões de anos de idade.

CONCLUSÃO

Vou finalizar o texto de hoje “apenas” com essas informações resumidas. No próximo artigo da Série Cosmologia resumirei as outras partes da teoria do Big Bang: nucleossíntese primordial, CMB e contarei o resto da história da evolução do universo.

O momento que escrevo esta coluna é, praticamente, o final do ano de 2021. É um mês de muitas reflexões, principalmente com a chegada da data mais esperada do ano: Natal. Então gostaria de inserir um pouco mais de conteúdo na sua reflexão de fim de ano / Natal com cosmologia. Tente imaginar a quantidade de informação sobre a história do universo que já temos. E tudo isso foi reunido em apenas 90 anos de estudos com milhares de cientistas trabalhando incansavelmente. Entre eles, milhares de outros cientistas cristãos, incluindo o pai da teoria do Big Bang, George Lemaître.

Depois de imaginar toda essa quantidade de informação escrita aqui, reflita sobre o propósito de tudo isso. Sim, é exatamente isso que quero dizer: tudo isso foi criado por Deus para a Sua Glória. Nós estamos aqui, 13,8 bilhões de anos depois do nascimento do universo, por Sua causa e por Sua Graça. Apenas.

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

  • 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.
Imagem do telescópio espacial Hubble. Nesta imagem há 15 mil galáxias: cada pontinho não é uma estrela, é uma galáxia.
Fonte: vide aqui
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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