O Surgimento do Universo - pelo prisma da Cosmologia

[elciene maria tigre galindo]

1. Cosmologia

Em Astronomia chamamos de Universo o espaço com a matéria e energia que o formam.
A Cosmologia estuda a origem, a estrutura e a evolução do Universo ou de partes componentes deste, tal como um sistema planetário.

Muitos foram os seres humanos que dedicaram as suas vidas ao estudo das ciências e da descoberta da origem do Universo.
Dentre as principais descobertas e teorias desenvolvidas para elucidar a origem do Universo, podemos citar :

1914 – Albert Einstein enuncia a Teoria da Relatividade, mostrando a equivalência entre matéria e energia.
E = m . c²

1917 – O astrônomo holandês Willen de Sitter demonstra de forma teórica que o Universo está em expansão.

1927 – O astrônomo belga Georges Lemaitre sugere que, inicialmente, toda a matéria do Universo estava concentrada em um único lugar: o ovo cósmico ou átomo primordial.

1929 – Edwin Hubble, baseado em suas observações, enuncia sua famosa lei segundo a qual a velocidade com que uma galáxia se afasta de nós está relacionada com a sua distância até nós, e, portanto, com o tempo. Esta foi a primeira evidência da expansão do Universo.

1950 – Herman, Gamow e Alpher propõem a Teoria do Big-Bang (nome sugerido por Hoyle para o evento que dá início ao Universo).

1965 – Os físicos americanos Arno Penzias e Robert Wilson detectam a radiação cósmica de fundo, equivalente à radiação emitida por um corpo negro a uma temperatura de 2,7K.

2. Lei de Hubble

O astrônomo Edwin Powell Hubble (1889-1953), em 1929, reuniu elementos suficientes para concluir que: “A velocidade com que uma galáxia se afasta de nossa galáxia é diretamente proporcional à sua distância de nossa galáxia”.

Matematicamente: V = H d
V: velocidade de afastamento da galáxia considerada.
d: distância entre a galáxia considerada e a nossa galáxia.

H: constante de Hubble.
A Lei de Hubble sugere que toda essa matéria que está em expansão, num dado instante, pode ter estado junta em um só local: o ovo cósmico ou singularidade.

3. A radiação de fundo

Os físicos norte-americanos Arno Penzias e Robert Wilson, em 1965, ao estudarem ondas de rádio, detectaram a presença de “ruídos” estranhos que iriam constituir a radiação cósmica de fundo. Os estudos posteriores mostraram que esta radiação é equivalente à emitida por um corpo negro a uma temperatura de 2,7K.

Essa descoberta da radiação cósmica de fundo parece evidenciar duas coisas: a existência do big-bang, sendo esta radiação de fundo proveniente da transformação de massa em energia radiante, um resíduo do big-bang que deu origem ao Universo, e ainda que 2,7K seria a temperatura atual do Universo considerado como um todo (uma espécie de temperatura média do Universo), o que já tinha sido previsto por George Gamow (1904-1968) em 1948.

4. Teoria do Big-Bang

A Teoria do Big-Bang admite que o Universo tem uma idade limite, da ordem de 15 ou 20 bilhões de anos e, portanto, existe um instante inicial em que o Universo foi criado.

Segundo essa teoria, há 15 ou 20 bilhões de anos uma fabulosa quantidade de energia estava localizada em uma esfera de diâmetro inferior a 1cm, denominada ovo cósmico ou singularidade.

Num dado instante (t = 0), toda essa energia, em rápida expansão, criou o Universo que se dilatou e se resfriou uniformemente.

A redução rápida de temperatura determinou as sucessivas transformações da energia liberada que se materializou na forma de partículas (quarks) e antipartículas (antiquarks). A matéria e a antimatéria se aniquilam, gerando uma quantidade enorme de energia na forma de fótons e obedecendo à equação de Einstein: E = m.c². O excesso de matéria em relação à antimatéria deu origem ao Universo em que hoje vivemos.

5. Cronologia na criação do Universo

a) Instante t = 0: instante inicial em que ocorreu o Big-Bang; a escala de distâncias vale zero, a densidade do universo é infinitamente elevada e não há ferramentas na Matemática ou na Física, que hoje conhecemos, para estudar este momento. O evento instante zero é tratado como uma singularidade no estudo da evolução do Universo.
b) Intervalo de tempo entre t = 0 e t = 10–43s: o que ocorreu neste intervalo é pura especulação teórica sem nenhuma possibilidade de comprovação através de observações físicas.
c) Intervalo de tempo entre t = 10–43s e t = 10–35s: neste curto intervalo de tempo os quarks e os antiquarks aniquilaram-se dando origem à radiação, na forma de fótons. A quantidade de quarks é maior que a de antiquarks, de modo a restar matéria na forma de quarks que deu origem ao Universo em que hoje vivemos.
O universo está-se resfriando, passando de uma temperatura de 1032K em t = 10–43s para a temperatura de 1027K em t = 10–35s.
d) No instante t = 10–30s os quarks remanescentes do processo de aniquilamento começam a se fundir, dando origem aos prótons e nêutrons.
e) No instante t = 10–6s a fusão dos quarks, originando prótons e nêutrons, é concluída e os quarks desaparecem.
Os prótons e nêutrons podem-se transmutar entre si e vão coexistir com elétrons e fótons.
f) Após o instante t = 1s, com a queda da temperatura, os prótons não podem mais se transmutar, o que não ocorre em relação aos nêutrons. É por isso que existem, até hoje, quatro vezes mais prótons do que nêutrons.
g) No intervalo de t = 10s a t = 500s ocorrem as reações de fusão dos núcleos: 25% dos núcleos de hidrogênio transformam-se em hélio; um milésimo por cento é transformado em deutério e menos de um milionésimo por cento é transformado em lítio.
Ao fim de 3 minutos as transformações fundamentais já haviam ocorrido.
h) Quando o Universo possui uma idade entre 300 000 anos e 1 milhão de anos, a temperatura já é suficientemente baixa para que os elétrons comecem a se associar aos prótons para formar os átomos de hidrogênio.
i) Antes de atingir a idade de 1 bilhão de anos, a força gravitacional começou a agir e as primeiras galáxias apareceram.