As estrelas ou corpos celestes da foto abaixo são os mais distantes, logo os mais antigos já observados pelos humanos. A coloração avermelhada é devida ao efeito Doppler. Quando um corpo se afasta, mais sua imagem puxa para o vermelho, e quando se aproxima, ao contrário é para o azul. Apesar da descoberta da expansão do Universo, muitos pesquisadores acreditavam na Teoria do Estado Estacionário, isto é, que o Universo era similar em todas as direções e imutável no tempo, com produção contínua de matéria para contrabalançar a expansão observada, mantendo a densidade média constante. Esta teoria foi proposta por Herman Bondi (1919-), Thomas Gold (1920-) e Fred Hoyle (1915-2001). Em 1950 Fred Hoyle sugeriu pejorativamente o nome "Big Bang" para o evento de início do Universo, quando se iniciou a expansão. O nome pegou...

    A teoria do Big-Bang foi modificada em 1948 pelo cientista russo, naturalizado norte-americano, George Gamow (1904-1968).

    Entendendo o desvio para o vermelho:

    O Big Bang teria acontecido, de acordo com vários cálculos, entre 13 e 20 bilhões de anos atrás. O "Universo", muito antes da formação das galáxias, era menor que o núcleo de um átomo.

    Os postulados do Big Bang, também conhecido como "modelo da grande explosão térmica", levam a acreditar que nos primeiros momentos após a Grande Explosão, o Universo passou por um rápido crescimento ou expansão, que teria se processado em camadas. Um exemplo ilustrativo seria que a matéria comprimida num volume hipotético do tamanho do núcleo de um átomo expandiria para cerca de 2 mil vezes o tamanho do Sol. A primeira camada da expansão é denominada "Inflação Cósmica", no interior da qual emergiu um Universo formado por energia radiante e partículas elementares, como quarks e antiquarks. Após essa súbita inflação cósmica, o Universo era ainda bilhões de vezes mais quente que o núcleo atual do Sol; somente depois, à medida que prosseguia sua expansão, o Universo foi esfriando. Tal resfriamento foi uma condição necessária para dar início aos processos de interação das partículas e a radiação.
 

    Como antes do Big-Bang o Universo era uma singularidade*, presume-se que o tempo então não existia, pois se objetos massivos tendem a retardar o tempo, logo quando se tem matéria infinita em espaço nulo a singularidade é tal que o tempo pára. Todo o Universo, tudo o que existe está contido nos limites desta bolha da “Inflação Cósmica”, e não haveria sequer sentido em falar do que está fora dela, pois nosso espaço e tempo se restringem a ela.

    A partir da explosão, o Universo começou a se expandir, arrastando consigo o espaço e o tempo. Não se consegue imaginar a existência de um universo antes do Big Bang, e se não existia nada antes, o que fez o desequilíbrio da singularidade que acabou criando um Universo caótico e em mutação? Voltando-se no tempo e espaço, chega-se que desde o começo, o Universo se expande de acordo com leis bastante regulares. É portanto razoável que estas se mantenham durante e antes da grande explosão. (*) singularidade gravitacional = é um ponto do espaço-tempo na qual a massa e a curvatura do espaço-tempo de um corpo são infinitas, como ocorre com os Buracos-Negros.

    Antes de o Universo alcançar a idade de um décimo de milésimo de segundo (0,001 s), os quarks começaram a formar prótons e nêutrons, que são as partículas constituintes do núcleo dos átomos.
 

    Após 1/1000 (um milésimo) de segundo da Grande Explosão, a matéria e anti-matéria se combinaram, aniquilando-se e liberando certa quantidade de energia em forma de luz. Se a simetria fosse perfeita, ele teria se transformado numa bolha de luz. Mas, existia 1 parte em 1 bilhão a mais de matéria do nosso tipo, como prótons, nêutrons e elétrons. O átomo de hidrogênio é formado por um próton e um elétron, de modo que esse é o elemento químico mais antigo que existe. O mesmo ocorreu com os pares elétron-pósitron, que se aniquilaram, cedendo espaço a outras partículas elementares: os neutrinos. Pode se observar que, daquela fase, sobrou muito mais matéria que antimatéria, pois tudo o que se pode ver atualmente no Universo é formado por matéria, enquanto a antimatéria está praticamente ausente.

    Antes de completar um segundo de idade o Universo era uma massa turbilhonante das partículas mais elementares. Era também mais denso do que o ferro e tão opaco que nenhuma luz poderia penetrá-lo.

    Mas, à medida que se expandiu, a temperatura da radiação baixou. Um segundo após a explosão, a temperatura do Universo seria de 20 bilhões de graus, enquanto que, 10 segundos depois, a temperatura teria caído para cerca de 500 milhões de graus. Nesse tempo, o Universo teria contido sobretudo fótons, elétrons e neutrinos (partículas extremamente leves que só são afetadas pela força fraca e pela gravidade) e as suas antipartículas, juntamente com alguns prótons e nêutrons. mas também partículas de nomes menos conhecidos, tais como mésons, bósons, neutrinos e outras, algumas das quais subsistem durante breves instantes em condições muito especiais, criadas no interior de aparelhos conhecidos como aceleradores de partículas (Tais aceleradores podem simular as condições existentes no Universo primitivo). Nesse período inicial, o Universo continha apenas partículas materiais e energia em forma de radiações eletromagnéticas (tais como raios-X, luz e ondas de rádio). Dessa forma, à medida que o Universo se expande, sua temperatura estaria diminuindo.

    À medida que o Universo continuou a expandir-se e a temperatura a baixar, a razão à qual os pares de elétrons/positrons (matéria/antimatéria) foram sendo produzidos em colisões deve ter descido abaixo daquela a que eram destruídos pela aniquilação. Portanto, a maior parte dos elétrons e positrons ter-se-iam destruído uns aos outros produzindo mais fótons e deixando apenas um remanescente de elétrons.

    Cerca de cem segundos após o Big Bang, a temperatura deve ter baixado para mil milhões de graus, que é a temperatura no interior das estrelas mais quentes. A esta temperatura, os prótons e os nêutrons já não teriam energia suficiente para escapar à ação da força nuclear forte e teriam começado a combinar-se uns com os outros para produzir os núcleos de átomos de deutério (hidrogênio pesado), que contêm um próton e um nêutron. As altas temperaturas provocaram a fusão nuclear entre prótons, de modo que ao fim de 3 minutos 10% da matéria foi transformada no segundo elemento da tabela periódica, o hélio. Os núcleos do deutério ter-se-iam combinado com mais prótons e nêutrons para formar núcleos de hélio, que contêm dois prótons e dois nêutrons, além de pequenas quantidades de dois elementos mais pesados, o lítio e o berílio. Pode imaginar-se que no modelo quente do Big Bang cerca de um quarto dos prótons e dos nêutrons teria se convertido em núcleos de hélio, juntamente com uma pequena quantidade de hidrogênio pesado e outros elementos. Os nêutrons que restaram decairiam em prótons, que são os núcleos dos átomos de hidrogênio.

    Alguns minutos após o Big Bang, a temperatura teria baixado para cerca de mil vezes a temperatura no centro do Sol; temperaturas tão elevadas como estas são alcançadas em explosões de bombas H.

    Imaginemos uma bolha de sabão, concentremo-nos na superfície da bolha. Esta no início é um ponto de água com sabão, que começa a aumentar através da inserção de um gás, tomando a forma esférica. Observemos que, na medida em que o ar penetra preenchendo seu interior (a exemplo de uma bexiga), começa a haver a expansão volumétrica do objeto, nos concentremos no diâmetro da bolha e na espessura da parede desta. Verificaremos que, à medida em que seu diâmetro aumenta, a espessura diminui, ficando mais e mais tênue, pois a matéria está se desconcentrando e se espalhando em todas as direções. O aumento do diâmetro da bolha é o universo em expansão, o aumento da área da superfície é a diminuição da densidade material, a redução da espessura da parede é a constante térmica que diminui à medida em que o universo se expande. No modelo quadridimensional, não existe a fronteira, ou a parede; o conceito é volumétrico no domínio tempo, portanto, só visualizável através de cálculo.

   
    Presume-se que este processo de produção de hélio e dos outros elementos durou um milhão de anos aproximadamente, iniciando a era da formação atômica, onde os núcleos começaram a se transformar nos primeiros átomos. Enquanto o Universo se expande, a radiação contida e a matéria se esfriam.

    Até 380 mil anos de vida, O Universo não experimentou mudanças significativas: ele era uma bola de plasma luminosa e opaca. A pressão da luz dissolvia as aglutinações de matéria, impedindo a formação dos astros. Transformação mais importante ocorreu quando o Universo, no processo de expansão, esfriou-se até alcançar a temperatura de 3.300^ºC (a temperatura da superfície do Sol é de 5.500^ºC). Nesse momento, os elétrons se uniram aos núcleos de hidrogênio e hélio, produzindo os primeiros átomos. Ao atingir cerca de 3 mil graus, os átomos se recombinam, e a matéria fica neutra. O Universo fica transparente e o céu escuro. Livre da pressão da luz, a matéria colapsa formando astros.

    Acredita-se que em aproximadamente 500 mil anos o universo foi-se resfriando gradualmente, as partículas elementares se fundiram. Pequenas alterações da gravidade permitiu que se iniciasse a atração da matéria recém formada (os gases hidrogênio e hélio). As partículas começaram a se unir e gravitar mutuamente; estes gases formaram imensos bolsões de gás, as massas de gás iniciaram uma lenta e contínua compressão em espiral, esta aumentou o campo gravitacional em torno de si em turbilhão.
 

    Os gases começaram a se comprimir cada vez mais, esta compressão acelerou a atração gravitacional numa "espiral inflacionária" atraindo cada vez mais matéria e a comprimindo novamente, fazendo-a cair sobre si mesma. Acredita-se que assim se iniciou a formação de galáxias, de estrelas e de planetas.

    Dissipou-se a névoa cósmica e o Universo tornou-se pela primeira vez transparente à luz. Nos milhões de anos seguintes, a matéria começou a se condensar por força da ação da gravidade.

    As observações indicam ainda que as primeiras estrelas se formaram 400 milhões de anos depois do Big Bang. A explosão dessas estrelas (supernovas do tipo II) enchem o Universo com Oxigênio e um pouco de elementos químicos mais pesados, como carbono, oxigênio, silício e ferro e espalhados ao meio em explosões de supernovas. Este material ejetado é depois concentrado em outras estrelas, em planetas, e possivelmente em corpos de seres humanos, em alguns destes planetas! Somente milhões de anos depois as galáxias começam a se formar. Na Via Láctea, as estrelas mais antigas se localizam no halo.

    A elevada abundância de Oxigênio e Hidrogênio e a alta reatividade desses elementos produz vastas quantidades de água (H₂O), uma das substâncias mais abundantes do Universo. Depois do halo, forma-se o bojo da galáxia e só muito depois o disco, contendo os braços espirais. Podemos dizer que praticamente todos os astros: galáxias, estrelas e seus planetas nasceram nos primeiros 2 bilhões de anos de vida do Universo.

    A população de estrelas menores começou a morrer cerca de 1 bilhão de anos mais tarde. As que estão em sistemas duplos explodem em forma de supernovas tipo Ia, gerando elementos químicos mais pesados, como o Ferro. Mais 1 bilhão de anos e a morte de estrelas pouco mais massivas que o Sol semeiam carbono, Nitrogênio e Oxigênio. Em galáxias com maior taxa de formação estelar, como as elípticas, o enriquecimento químico ocorre mais depressa. Há cerca de 11 bilhões de anos, a composição química do Universo poderia ter permitido o surgimento da vida. Pouca coisa mudou desde essa época até a formação do sistema solar há cerca de 4,56 bilhões de anos.

    NASCIMENTO DAS GALÁXIAS - Uma indicação direta de que a Galáxia atingiu composição solar há tanto tempo pode ser vista pelas moléculas interestelares. As nuvens interestelares têm densidade menor que o melhor vácuo de laboratório na Terra. Mesmo assim, elas têm moléculas tão complexas como açucares, bases nitrogenadas até o fulereno (60 átomos de carbono). O curioso é que a quase totalidade se baseia no carbono e não no silício ou outros elementos de valência química semelhante à do carbono.

    A probabilidade de colisão entre dois átomos nesse ambiente é tão baixa que essas moléculas precisam de bilhões de anos para serem formadas. O reinado da química, entretanto, não se localiza nas nuvens interestelares, mas nos planetas. A densidade é um bilhão de bilhão de vezes maior que no meio interestelar. Além disso, a proximidade destes corpos de uma estrela (no nosso caso, o Sol) fornece energia: a cada aumento de 10^o C, a taxa das reações químicas dobra. Desse modo, um átomo num planeta encontra-se com mais átomos em um dia que no meio interestelar em milhões de anos. Nesse aspecto, nosso planeta não deixa nada a desejar para a formação de vida. Além disso, está dentro da zona de habitabilidade de uma estrela (Sol) que se mantêm estável ao longo de 10 bilhões de anos.

    Entre 1 e 2 bilhões de anos após o Big Bang, protogaláxias deram origem as estrelas e estas evoluíram para gigantes vermelhas e supernovas semeando a galáxia com a matéria-prima para posteriores nascimentos de estrelas.
 

    A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO - A Teoria do Big Bang é apoiada pela descoberta de uma fraca e fria radiação de microondas proveniente uniformemente de todas as partes do Universo (então denominada de "Radiação de fundo"). George Gamow e seus colegas Ralph Alpher e Robert Herman, previram a existência de uma radiação cósmica em equilíbrio térmico, banhando uniformemente o Universo com uma temperatura de 5 Kelvin, relíquia de uma época em que o Universo era muito quente e denso. A radiação de origem cósmica (remanescente da radiação produzida pela Grande Explosão - prevista pela teoria do Big Bang) seria descoberta em 1964, quase acidentalmente, por Arno Penzias e Robert Wilson, dois físicos americanos, que desenvolviam antenas de alta sensibilidade para uso com satélites de comunicação. Essas microondas cósmicas constituem um campo de radiação com temperatura de apenas 3⁰ acima do zero absoluto, e sua temperatura coincide com o ponto em que estaria a temperatura do Universo depois de se expandir por cerca de (talvez) 20 bilhões de anos [na verdade corresponde à radiação remanescente do estado quente que o Universo se encontrava quando ele ficou "transparente", 380 mil anos depois do Big Bang].
 

   
A Radiação de Fundo do Big-Bang é detectada
por radiotelescópios e por sondas espaciais.
 

    Tal descoberta foi considerada uma confirmação da teoria do Big Bang, pois essas microondas de radiação são, na verdade, o eco residual da "grande explosão". Tem um som característico de ruído térmico, ou seja, um silvo branco semelhante ao ruído que se ouve num receptor de televisão, quando está fora de sintonia, um "sssssss" ou um ruído de cachoeira constante.

    Em 18 de novembro de 1989, a NASA lançou um satélite chamado COBE (Cosmic Background Explorer) operando na faixa de microondas, para analisar detalhadamente a radiação do fundo do universo. Como planetas, estrelas, galáxias e nuvens de gás emitem muito pouco microondas, o satélite pode enxergar diretamente a luz que o Universo emitiu quando passou de opaco para transparente, na chamada época da recombinação ou fase de desacoplamento, passando de um Universo dominado por radiação, onde a temperatura da matéria era a mesma temperatura da radiação, para um dominado por matéria, cerca de 380 mil anos depois do Big Bang. O COBE descobriu pequenas flutuações na temperatura da radiação de fundo, que são ainda indícios de ligeiras irregularidades na densidade do Universo primitivo, que resultaram na formação das galáxias após a grande explosão e mostraram que a radiação era extraordinariamente isotrópica. Desde então têm sido realizadas inúmeras observações para determinar rigorosamente o seu espectro. Este resultado constitui a prova mais sólida a favor do modelo do Big Bang. A outra previsão notável deste modelo é a relação entre o hélio e o hidrogênio existentes no Universo; além do mais, é muito difícil explicar de outra maneira por que há tanto hélio no Universo.
 

    Mapa do céu mostrando a Radiação Residual Cósmica de Fundo. As regiões vermelhas são mais quentes do que a média e as azuis mais frias. Os resultado indicam que a idade do Universo é de (13,73 ± 0,15) bilhões de anos.
 

    Outra significativa descoberta foi realizada por Martin Ryle, que determinou que o número de radiogaláxias distantes ser maior que o número das próximas. Uma vez que as observações de corpos distantes correspondem a instantes mais remotos no passado, isto significava que o universo era diferente, no passado, do que é hoje, isto é, significava que teria havido uma evolução.
 

    ESPECULAÇÕES SOBRE O BIG BANG - Como todo mundo que já usou uma panela pressão (ou que já viu uma explodir) sabe, matéria muito quente e densa gosta de se expandir. Por outro lado, matéria e energia atraem-se gravitacionalmente. Essa atração tende a frear a expansão cósmica, criando um cabo-de-guerra entre expansão e contração.

    Quando se sugeriu pela primeira vez a idéia do "Ovo Cósmico", ele era imaginado de modo similar ao que hoje representam as estrelas de nêutrons. O problema é que um ovo cósmico contendo toda a massa do universo (algo como a massa de 100 bilhões de galáxias, cada uma delas com pelo menos outros 100 bilhões de estrelas) é certamente grande demais para ser uma estrela de nêutrons. Se for verdade que qualquer coisa com massa superior a 3,2 vezes a de nosso Sol tem de formar um buraco negro ao se contrair, neste caso o ovo cósmico era o maior de todos os buracos negros. Então, como pode ter explodido e provocado o nascimento do Universo? Buracos Negros não explodem.

    É possível que esse Buraco Negro Primitivo perdesse parte de sua massa a um ritmo fenomenal através de Buracos de Minhoca, provocando na outra extremidade (ou em outra dimensão) o maior Buraco Branco concebível, contrabalançando a contração total. Portanto, o Buraco Branco do ovo cósmico é que teria gerado a Grande Explosão. Essa hipótese valeria tanto para o caso do universo ser aberto como para o caso de ser fechado, quer o ovo cósmico se tenha formado apenas uma vez, quer ele se repita ciclicamente.

    Em 1935, Einstein e Nathan Rosen (1909-1995) deduziram que as soluções das equações da relatividade geral permitiam a existência de pontes, originalmente chamadas de pontes de Einstein-Rosen, mas agora chamadas de redemoinhos ou buracos de minhoca (wormholes). Estas pontes unem regiões do espaço-tempo distantes. Viajando pela ponte, pode-se mover mais rápido do que a luz viajando pelo espaço-tempo normal. Em 1955 o físico americano John Archibald Wheeler (1911-), que cunhou o termo buraco negro, escreveu um artigo sobre "geometrodinâmica" mostrando que as pontes de Einstein-Rosen poderiam ligar não somente Universos paralelos, mas regiões do mesmo Universo, formando um túnel no espaço-tempo.
 

    Um Buraco de Minhoca (em ingl.: Hole of Earthworm) é uma espécie de túnel de dobra do espaço-tempo. No gráfico, o plano azul é a dimensão espaço-tempo. A distância entre o astro maior e o astro menor no plano temporal e reduzida pela dobra espacial.
 

    Evidentemente, essa solução só se mantêm de pé se os Buracos de Minhoca e os Buracos Brancos verdadeiramente existirem, o que é incerto.

    Outra hipótese diz que o "Ovo Cósmico" ou "átomo primordial" teria sido tão denso que a gravidade seria negativa, forçando a matéria a se expandir, em vez de contrair. A expansão produziria instabilidades que criariam bolsões de matéria (e antimatéria) com gravidade positiva, como as que conhecemos. Os bolsões cósmicos seriam incessantes e não interagiam entre si, seriam universos paralelos. Nosso bolsão cósmico começou com uma temperatura extremamente alta que foi caindo rapidamente à medida que se expandia. Isso produziu transformações profundas tanto nas partículas elementares como nas propriedades globais do Universo.

    Não se pode afirmar com segurança em que grau a força gravitacional no Universo estará retardando a velocidade de expansão. Isso depende da quantidade de matéria existente (em média) por volume de espaço - em outras palavras, da densidade média de matéria do Universo.

    Se a densidade for suficientemente grande, então o efeito retardante é bastante pronunciado para fazer com que a velocidade de expansão caia a zero. A expansão do universo haverá um dia de se interromper, e sob a atração de suas próprias forças gravitacionais, o universo começará a se contrair - a princípio muito lentamente, depois cada vez mais depressa, até o ovo cósmico se formar e explodir novamente. Esse ciclo pode se repetir várias vezes, e teremos então um Universo Oscilante.

    Se a densidade da matéria do universo for exatamente suficiente para interromper sua expansão (algo como cerca de um próton ou nêutron para cada 350.000 cm cúbicos de espaço), então a expansão estará se retardando. Na verdade, os astrônomos ainda não têm uma idéia segura quanto à densidade média da matéria no universo [ver "Matéria Escura"].

    A matéria normal corresponde a 4% da massa total 22% de matéria escura e 74% de energia escura (constante cosmológica) ou quintessência (energia com pressão negativa), completando a massa crítica prevista pelo modelo inflacionário.

        Qualquer coisa que por ventura tenha “existido” antes do Big Bang, para nosso Universo, é inexistente.
 

    NOTA SOBRE A COSMOLOGIA HINDU - Para os hindus, a criação é cíclica. O Universo é um ser vivo, que está em expansão durante os dias (Manvantara, ou período entre os Manus) e em retração durante as noites (Pralaya = dissolução) de Brahman. A concepção cósmica dos hindus é, a esse respeito, extraordinariamente moderna. É uma concepção muitíssimas vezes mais ampla do que a do mundo centrado em uma terra plana, cercada pelas esferas celestes de cristal das astronomia de Ptolomeu e da Idade Média Ocidental.

    De acordo com a moderna ciência, existem no cosmo incontáveis universos. São as nebulosas que atraem bilhões de estrelas e que são fechadas em verdadeiros universos-ilha. Na cosmogonia da Índia, esses universos-ilhas são chamados "Ovos de Brahman" ou Brahmananda.

    Segundo a Mitologia hindu, cada ciclo mundial é dividido em quatro yugas, ou idades: Krita, Treta, Dvapara e Kali (a era atual), que totalizam um Maha-Yuga ou Grande Yuga de 4.320.000 anos. 100 Maha-Yugas, ou 4.320.00.000 anos, correspondem a um dia de Brahma. Esse tempo mede o tempo equivalente entre o início da expansão até o máximo, quando irá iniciar a retração universal. A nossa galáxia tem tempo estimado em 4 bilhões da anos.

    Depois de um dia de Brahma, segue-se, implacavelmente, uma noite de Brahma, ou seja:

    4.320.000.000 anos do dia
4.320.000.000 anos da noite
________________________ +
8.640.000.000 anos, equivalentes a um dia (24 horas) na vida de Brahma. Como em cada Universo, o seu deus Brahma vive 100 anos - uma Grande Idade - (Moha Kalpa), teremos então:

    360 dias (=1 ano) x 8.640.000.000 anos = 3.110.400.000.000 [que multiplicados por 100 = 311.040.000.000.000 anos!

    O Universo é absorvido novamente no Divino durante um século (100 anos) de Brahma e, então, tudo recomeça e irá durar outros 311 trilhões de anos! E assim indefinidamente...

    O mais notável na cosmologia hindu, que lhe dá uma característica única, é o fato de que nenhuma outra cosmologia antiga usou períodos de tempo tão longos nas suas descrições cosmológicas.

   
A cosmologia associada a outros ramos de pesquisa, como a informática e eletrônica, está cada vez mais aumentando seu nível de complexidade.

    Com o advento do avanço das ciências de computação e a união de engenharias das mais diversas, existem estudos para a construção de um supercomputador interligado a outros espalhados pelo planeta onde se possa construir um universo virtual e se observar sua dinâmica.

    Muitas Universidades no mundo estão empenhadas no projeto do Universo virtual que poderá ser o grande passo para a pesquisa cosmológica do século XXI.

PRÓXIMOS TEMAS (bloco 1):

• Matéria/Anti-Matéria (estrutura do átomo)
• Matéria Escura
• Buracos Negros
• Buracos de Minhoca
• Buracos Brancos
• Universo (aberto ou fechado ?)