Teoria do Big Bang

Em uma visão superficial, poderíamos considerar, como um cenário previsível para o Universo, aquele que normalmente se espera de uma "explosão": uma dispersão uniforme da matéria, de modo que não seria possível que ela se unisse formando qualquer objeto diferenciado.

Entretanto, é óbvio que as coisas não transcorreram desta forma. No decorrer do tempo, foram surgindo grandes estruturas. Como isto foi possível?

A questão é: como pode o Universo ser tão uniforme em larga escala e tão desuniforme em escalas menores? Em outras palavras: como podem ter se formado as estrelas, planetas e galáxias?

Um entendimento natural do Princípio Cosmológico, um dos pilares teóricos do Big Bang, seria que o Universo é homogêneo e isotrópico em todas as escalas. Esta é uma generalização útil para a montagem do cenário básico da teoria, mas que sabemos não corresponder à realidade.

Um entendimento mais amplo requer a extrapolação do Princípio Cosmológico. A abordagem que pode explicar a uniformidade em grande escala e a origem das estruturas no interior do Universo é a Teoria do Universo Inflacionário, que se constitui, assim, em uma complementação da Teoria do Big Bang.

Antes do período de expansão mais rápida, a porção do espaço que atualmente podemos observar era microscópica e, nessa escala, flutuações quânticas^* geravam variações na densidade da matéria.

Com o advento do período inflacionário, minúsculos pontos de maior densidade expandiram-se em frações de segundo para dimensões astronômicas.

Essas regiões de maior densidade, abrigando, portanto, mais massa que regiões vizinhas de mesmo volume, fizeram com que a Lei da Gravidade provocasse a acumulação de matéria em aglomerados, e assim as estruturas do Universo foram se formando.

Vamos descrever com um pouco mais de detalhe esse processo...

Portanto, as galáxias atuais surgiram devido à atração gravitacional ocasionada por pequenas flutuações na densidade quase uniforme do jovem Universo, de acordo com a seguinte sequência de eventos:

• Quando o Universo tinha um milésimo de seu tamanho atual (aproximadamente 500.000 anos após o Big Bang), a densidade da região do espaço que hoje abriga a Via Láctea era em torno de 0,5% maior do que em regiões vizinhas. Por causa disso, a região expandiu-se mais vagarosamente em relação à vizinhança.
• Como resultado dessa expansão mais lenta, o excesso de densidade local gradativamente aumentou. Ao atingir um centésimo do tamanho atual (por volta de 15 milhões de anos após o Big Bang), nossa região provavelmente já era 5% mais densa que as regiões vizinhas.
• Este gradual incremento de densidade continuou no decorrer da expansão. Quando o Universo alcançou um quinto de seu atual tamanho (decorridos mais ou menos 1,2 bilhões de anos do Big Bang), nossa região do espaço era provavelmente duas vezes mais densa que as regiões do entorno. Cosmólogos especulam que porções internas de nossa galáxia (e de outras similares) consolidaram-se nessa época. As estrelas das regiões externas devem ter surgido em um passado mais recente.

Conforme vimos em artigo anterior (Evidências experimentais do Big Bang), a CMB (Cosmic Microwave Background radiation ou radiação cósmica de fundo em microondas) é o vestígio do imenso calor do Universo Primordial.

A luz ótica, captada pelo olho humano, é apenas um dos tipos de radiação eletromagnética. O espectro eletromagnético (EM) abrange desde as ondas de rádio até os raios gama (das mais baixas às mais altas energia e frequência).

A CMB é radiação na faixa das micro-ondas, por isso não podemos enxergá-la. Se pudéssemos, veríamos uma luminosidade espalhada uniformemente por todo o céu acima de nós.

Esta radiação é, de fato, muito uniforme em larga escala, mas apresenta pontos de maior energia, os quais são justamente as marcas das flutuações quânticas de que falamos anteriormente, as quais estão relacionadas à origem das grandes estruturas.

Tais sinais, pequenas variações de temperatura de ponto a ponto ao longo do céu, são chamados de anisotropias, ou seja, locais com propriedades diferentes em relação ao seu entorno.

Imagine que você está a bordo de uma espaçonave que se aproxima da Terra. A primeira coisa que percebe é que o planeta é esférico. A seguir, vê a superfície dividida em continentes e oceanos.

Você deve se aproximar muito mais e analisar detalhadamente a superfície para conseguir avistar as montanhas, cidades, florestas e desertos que cobrem os continentes.

De modo similar ocorreu a evolução das pesquisas sobre a CMB. Há décadas atrás, cosmólogos observaram o céu em micro-ondas e anunciaram que a radiação era praticamente uniforme em todas as direções.

Posteriormente, aprimorando as observações, eles identificaram a anisotropia de dipolo (definida mais adiante).

Finalmente, em 1992, o satélite COBE (Cosmic Background Explorer) detectou pela primeira vez "as montanhas na superfície da Terra": flutuações cosmológicas na temperatura da CMB.

A descoberta foi confirmada através do experimento FIRS (Far InfraRed Survey), e a sonda WMAP, lançada em 2001, obteve dados ainda mais precisos.

As imagens da esquerda, produzidas pelo COBE, mostram variações de três cores falsas do céu, conforme interpretações de observações em frequências de micro-ondas. As imagens da direita são simulações em computador, resultantes do processamento dos dados obtidos pelo WMAP.

A orientação dos mapas é tal que o plano da Via Láctea flui horizontalmente ao longo do centro de cada imagem.

Percebe-se que o WMAP captou detalhes muito mais sutis, em comparação com os mapeamentos do COBE. Uma resolução angular refinada possibilitou aos cientistas a obtenção de um grande volume de informações adicionais sobre as condições do Universo Primordial.

O primeiro par de figuras representa a temperatura do céu em micro-ondas, em uma escala onde azul é 0 kelvin (zero absoluto) e vermelho é 4 kelvin. Note que a temperatura parece completamente uniforme nessa escala. A temperatura média real da CMB é de 2,725 kelvin.

As imagens centrais mostram o mesmo mapa, exibido em uma escala tal que azul corresponde a 2,721 kelvin e vermelho, a 2,729 kelvin. O padrão yin-yang é a anisotropia de dipolo, uma distorção observada na CMB que resulta do movimento do Sol em relação ao quadro restante.

O terceiro par exibe o céu em micro-ondas após a exclusão da anisotropia de dipolo. Isto elimina a maioria das flutuações e as que permanecem são trinta vezes menores. Nesse mapa, as regiões quentes, representadas em vermelho, são 0,0002 kelvin mais quentes do que as frias, mostradas em azul.

Nestas últimas imagens, a irradiação da Via Láctea domina a região do equador (centro horizontal) do mapa, mas fora dele é bem fraca, e a irradiação flutuante oriunda da borda do Universo visível domina as demais regiões.

Também há interferências causadas pelos próprios instrumentos, porém muito fracas em comparação com os sinais autênticos, provenientes do espaço.

A análise desses resultados indicam a ocorrência das flutuações de temperatura, logo após o Big Bang, induzindo variações na densidade da matéria do Universo Primordial. Este foi o início da evolução que deu origem às galáxias e outras grandes estruturas.