Teoria do Big Bang

Quando foi que o Big Bang aconteceu? Já faz tempo que os cientistas têm estimado que o evento ocorreu entre 12 e 14 bilhões de anos atrás.

Veja, portanto, que somos bem novatos neste Universo e até mesmo em nosso Sistema Solar, cuja idade está em torno dos 4,5 bilhões de anos.

O gênero Homo se faz presente há alguns milhões de anos, e a espécie Homo sapiens, que somos nós, surgiu há apenas uns 300 mil anos.

A idade do Universo é estimada de duas formas:

• Pela observação das estrelas mais antigas.
• Pelo cálculo da taxa de expansão e utilização do resultado para um retrocesso até o Big Bang.

Um valor mínimo para a idade do Universo pode ser determinado através do estudo de aglomerados globulares, que são agrupamentos muito densos contendo, cada um deles, aproximadamente um milhão de estrelas.

Nas imediações do centro de um aglomerado globular, o acúmulo de estrelas é imenso. Se estivéssemos perto de uma região desse tipo, haveria várias centenas de estrelas menos distantes de nós do que Proxima Centauri, a estrela mais próxima de nosso Sol.

A duração de uma estrela depende de sua massa. Estrelas muito massivas são muito mais brilhantes e, assim, têm um ciclo de vida ativa menor, pois queimam rapidamente seu suprimento de hidrogênio combustível.

Por outro lado, estrelas com menos massa vivem mais. Esses fatos são usados para se calcular a idade de aglomerados globulares, com a finalidade de se estimar uma idade mínima para o Universo. Afinal, as estrelas não podem ser mais antigas do que ele!

Adotemos como parâmetro o nosso Sol. Uma estrela de sua magnitude queima combustível durante aproximadamente 10 bilhões de anos. Considerando sua idade de 4,5 bilhões de anos, ainda tem 5,5 bilhões de anos de vida pela frente.

Uma estrela com o dobro da massa do Sol irá queimar seu suprimento de combustível em apenas 800 milhões de anos, e uma que seja 10 vezes mais massiva que ele brilha mil vezes mais e tem somente 20 milhões de anos de suprimento.

Portanto, quanto menor for a massa de uma estrela, mais duradoura ela será. De acordo com observações realizadas, há aglomerados globulares que contêm apenas estrelas menos massivas do que 0,7 massas solares. Eles são os mais antigos.

Tais observações sugerem que esses agrupamentos têm uma idade entre 11 e 18 bilhões de anos. Uma faixa de tempo muito extensa, não é mesmo? Isto gera uma incerteza muito grande!

A incerteza quanto ao brilho e massa dessas estrelas deve-se à dificuldade de se determinar com exatidão a distância até um aglomerado globular. Além disso, ainda somos ignorantes em relação a alguns pormenores da evolução estelar.

Mas uma coisa é certa: o Universo tem que ser, no mínimo, mais velho do que os aglomerados globulares que nele residem.

Um método alternativo na estimativa da idade do Universo é a determinação de sua taxa de expansão, que é a Constante de Hubble. Este valor pode ser usado pelos cosmólogos para um retrocesso no tempo até o Big Bang. Seu valor depende da densidade e composição do Universo.

Os cientistas demonstram matematicamente as seguintes possibilidades:

• Se o Universo é plano e composto predominantemente por matéria (bariônica e escura), então sua idade é: 2/(3H_o)
• Se o Universo tem uma densidade muito baixa de matéria, então sua idade é maior: 1/H_o

Conforme vimos no artigo anterior, tudo indica que o Universo realmente é plano, e que a matéria constitui a menor parte em sua composição. Portanto, ficamos com a segunda opção.

Aliás, se o Universo fosse dominado por matéria ordinária e/ou escura, sua idade, determinada pela Constante de Hubble, seria de aproximadamente 9 bilhões de anos. Isto seria um absurdo, pois já vimos que a idade dos aglomerados globulares mais antigos é de, no mínimo, 11 bilhões de anos. Não é cabível que o Universo seja mais jovem que suas estrelas mais velhas!

Mas já sabemos que o tipo de matéria dominante no Universo, preenchendo 71,4% de sua composição, é a misteriosa energia escura, que exerce uma força gravitacional repulsiva (ao invés de atrativa, como ocorre com a matéria normal).

Até algum tempo atrás, as melhores estimativas formuladas para a taxa de expansão variavam de 65 (km/s)/Mpc a 80 (km/s)/Mpc, sendo o valor mais razoável de aproximadamente 72 (km/s)/Mpc. Sendo mais claro, significa que 1/H_o (idade do Universo) encontra-se, de fato, entre 12 e 14 bilhões de anos.

Muitos astrônomos trabalham duro na tentativa de obtenção de uma medida mais exata da Constante de Hubble, usando uma variedade de técnicas diferentes.

As medidas obtidas pela sonda WMAP, lançada pela NASA em 2001, podem ajudar na determinação da idade do Universo. O foco da missão foi a observação da estrutura detalhada da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). Tal estrutura depende das atuais densidade, composição e taxa de expansão do Universo. A equipe científica WMAP fez uma série de cálculos desses parâmetros, com uma acurácia maior que 1,5%.

Enfim, se definimos a composição com tal acurácia, podemos obter uma estimativa bem melhor da idade do Universo: em torno de 13,77 ± 0,059 bilhões de anos. Veja que a margem de erro, neste cálculo, é de apenas 0,4% para mais ou para menos.

Como pode essa idade ser determinada com uma incerteza tão pequena? A explicação é que, conhecendo-se a composição de matéria e de energia no Universo, a Relatividade Geral de Einstein pode ser usada no cálculo de quão rápida foi a expansão no passado.

Com esta informação, podemos fazer o relógio andar para trás e determinar o "momento de tamanho zero", em consonância com a teoria de Einstein. O intervalo entre aquele momento e o agora é a idade do Universo.

Entretanto, há uma ressalva a ser considerada, que afeta a certeza em relação às medidas: assumimos que o Universo seja plano, o que concorda com as observações da WMAP e outros dados experimentais.

Se relaxamos o rigor com essa presunção, dentro do escopo de conhecimento disponível, a incerteza aumenta 1 ponto percentual. Em favor das medidas, ressalte-se que a inflação naturalmente prevê o Universo com uma configuração muito próxima da plana.

A idade calculada com base nos dados da WMAP é compatível com a faixa de idade dos mais antigos aglomerados globulares. Portanto, o Big Bang foi aprovado em um teste importante. Além disso, vem sendo respaldada por outros dados, independentes dos coletadas pela WMAP.

Enfim, nossa estimativa atual da idade do Universo, em torno dos 13,77 bilhões de anos, encaixa-se muito bem com os resultados das várias técnicas de medida empreendidas pelos cientistas.