Fundamentos teóricos do Big Bang

Por que os objetos caem no chão? O que nos prende à Terra? Qual é a explicação para as órbitas dos planetas ao redor do Sol? Enfim, o que faz com que os corpos sejam atraídos uns pelos outros?

O primeiro a propor uma teoria consistente sobre a gravidade foi Isaac Newton, em 1680, e seu modelo tornou-se o paradigma dominante e indiscutível por mais de dois séculos. Mesmo nos dias atuais, ainda é o mais adotado na maioria das situações práticas da vida humana.

De fato, a chamada mecânica newtoniana continua bem presente nos cálculos que fundamentam nossas obras arquitetônicas e de engenharia, na indústria de veículos, inclusive jatos supersônicos, e até em projetos de astronaves, dentre outras múltiplas aplicações.

Porém, se formos mais a fundo, constataremos que a teoria de Newton é bem restritiva, pois funciona apenas para corpos em repouso ou em velocidades muito pequenas em relação à velocidade da luz.

A teoria da relatividade geral, publicada por Albert Einstein em 1915, introduziu uma nova e surpreendente visão da gravitação universal.

Newton considerava o tempo como um ente absoluto, independente do espaço. Com a relatividade, o tempo se agrega ao espaço de três dimensões, formando o espaço-tempo quadridimensional.

Einstein deixou de lado o conceito de campo gravitacional, explicando a gravidade como efeito de distorções do tempo e do espaço por si mesmos. O físico norte-americano John Wheeler expressou bem essa ideia ao dizer: "o espaço-tempo induz a matéria a se mover e a matéria induz o espaço-tempo a se curvar".

De imediato, a teoria já foi capaz de explicar peculiaridades da órbita de Mercúrio e a curvatura da luz solar, ambas incompreensíveis pela teoria de Newton. Ao longo do tempo, a relatividade geral foi sendo confirmada por uma série de rigorosos experimentos.

O modelo fornece equações cujo desenvolvimento levaram à conclusão de que o universo está se expandindo. Todavia, a princípio, Einstein não aceitava esse fato, embora sua própria teoria o demonstrasse.

Por isso, o autor da relatividade acrescentou a suas equações originais um novo componente, chamado de constante cosmológica, que equilibrava as coisas de modo a garantir um universo eternamente estático. A grandeza passou a compor as equações de campo da teoria, representada por Λ (lambda). Mais tarde, ele afirmaria ter sido este o seu "maior erro".

Ironicamente, a constante cosmológica retornaria ao cenário científico associada à misteriosa energia escura que, como veremos nos próximos artigos desta série, é responsável por acelerar a expansão do universo.

Com o advento da relatividade geral, alguns cientistas, inclusive Einstein, começaram a tentar aplicar a nova dinâmica gravitacional ao universo como um todo, e isso trouxe à tona a necessidade de uma suposição sobre como a matéria se encontra nele distribuída.

Contínuas observações astronômicas, em escalas cada vez maiores, vêm demonstrando que o universo, em suficientemente larga escala, tem uma aparência idêntica em qualquer região observada (homogeneidade), seja qual for a direção da observação (isotropia).

Isto significa que, em larga escala, o universo é homogêneo e isotrópico. Este é o princípio cosmológico, outro importante suporte teórico do Big Bang.

O APM (Automatic Plate Measuring) Galaxy Survey foi um dos primeiros grandes levantamentos fotométricos de galáxias (imagem acima). Realizado entre o final dos anos 1980 e início dos anos 1990, ele catalogou milhões de objetos, evidenciou o princípio cosmológico em larga escala e forneceu a base estatística para os estudos modernos da macroestrutura do universo.

Sim. Até o momento, o princípio cosmológico continua sendo considerado válido e permanece um dos pilares do modelo cosmológico padrão. Entretanto, as observações atuais permitem formular esse princípio de maneira mais precisa do que há algumas décadas.

Imagens obtidas por levantamentos como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS), o Dark Energy Survey, o Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) e o telescópio espacial Euclid revelam a teia cósmica: galáxias agrupadas em aglomerados, que, por sua vez, formam superaglomerados (nós) conectados por filamentos, separados por imensos vazios cósmicos.

À primeira vista, essa distribuição parece tudo, menos homogênea. No entanto, o princípio cosmológico aplica-se ao universo em escalas suficientemente grandes. Embora a teia cósmica apresente estruturas complexas, como nós, filamentos e vazios, elas representam variações locais da distribuição de matéria que, quando consideradas em volumes muito grandes, preservam a homogeneidade e a isotropia estatísticas do universo.

Além disso, um dos argumentos mais fortes em favor do princípio cosmológico é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), que apresenta uma temperatura extraordinariamente uniforme em todas as direções, de cerca de 2,725 K, com variações da ordem de uma parte em 100 mil. A CMB também constitui uma das principais evidências observacionais do Big Bang: