Teoria do Big Bang: características, estágios, evidências, problemas - Ciência - 2023

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Teoria do Big Bang: características, estágios, evidências, problemas - Ciência
Teoria do Big Bang: características, estágios, evidências, problemas - Ciência

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o Teoria do Big Bang É uma teoria cosmológica para explicar a origem do universo e a que atualmente é mais aceita na comunidade científica. Ele afirma que o universo começou com um big bang, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, e tem se expandido continuamente desde então.

Dessa grande explosão vieram a matéria, o tempo e o espaço, que mais tarde se tornaram galáxias e sistemas estelares, incluindo nossa própria Via Láctea, o sistema solar e, finalmente, nós mesmos.

A teoria teve sua origem em 1915, com as equações da relatividade de Albert Einstein, que entre outras coisas preveem a expansão do universo, fato com o qual o cientista alemão nunca se sentiu confortável.

No entanto, o astrônomo belga George Lemaitre, ao estudar a relatividade, sugeriu que se a expansão fosse verdadeira, obviamente o universo deve ter um ponto de partida. Em 1927, Lemaitre publicou um artigo no qual apresentava suas idéias sobre a origem do universo, que chamou de "o átomo primordial".


O astrônomo americano Edwin Hubble promoveu a nova teoria, confirmando em 1929 que as galáxias estão se afastando umas das outras e também de nós.

Voltando no tempo, as galáxias certamente deviam estar muito mais próximas do que estão hoje. E, portanto, deve ter havido um instante em que toda a matéria foi incrivelmente comprimida, ocupando um espaço infinitamente pequeno: uma singularidade.

Características da teoria do Big Bang

O termo "big bang" foi cunhado pelo físico Fred Hoyle em 1940, que não simpatizou com a ideia, então se referiu a ela com escárnio, chamando-a de "big bang". Hoyle estava convencido de que o universo era estacionário.

Embora seu nome nos leve a pensar em algum evento catastrófico, físicos e cosmologistas agora acreditam que não foi nem grande nem um cataclismo do qual galáxias voaram em todas as direções.


Mas foi tão poderoso que as quatro interações fundamentais da Física foram unificadas durante aqueles primeiros momentos.

Postulado principal da teoria

O universo inteiro estava originalmente em um estado incrivelmente quente e denso e, de repente, se expandiu à medida que esfriava lentamente. Essa expansão continua até hoje.

O big bang não explica como surgiu a singularidade original, muito menos o que existia antes dela. O que isso explica é o que aconteceu ao universo durante os primeiros dias, quando a singularidade deixou de existir.

Quando aconteceu

Os cientistas estimam que o big bang aconteceu há 13,8 bilhões de anos e não é possível saber o que aconteceu antes, pois o tempo, junto com o espaço e a matéria, foram criados naquele exato momento.

Onde aconteceu

Não foi um evento localizado. Acontece que quanto mais distantes estão os objetos que vemos com os telescópios mais poderosos, mais voltamos ao tempo em que ocorreu o big bang, não importa para que lado o olhemos.


O que aconteceu depois

Após o big bang, a temperatura caiu e as partículas subatômicas que conhecemos foram formadas: prótons, nêutrons e elétrons, para dar origem aos átomos.

Durante o big bang, surgiu a gravidade, a força unificadora de atração da matéria, bem como outras interações fundamentais.

Os primeiros elementos químicos formados foram hidrogênio, o mais simples de todos, e depois hélio e lítio, em um processo denominado nucleossíntese. Com o tempo, enormes nuvens desses elementos deram origem às primeiras galáxias.

Fundamentos teóricos do big bang

O big bang é baseado em:

-As equações da teoria da relatividade proposto por Einstein.

-O modelo padrão de partículas, que descreve a estrutura da matéria em termos das partículas fundamentais e as interações entre elas.

-O princípio cosmológico, que afirma que o universo é homogêneo e isotrópico, quando o vemos em uma escala maior. Isso significa que suas propriedades são idênticas em todas as direções e as leis da Física são as mesmas em todos os lugares.

Claro que sabemos que existem acumulações de matéria, separadas por espaços de muito menos densidade. Desse ponto de vista, as propriedades do universo certamente diferem. Mas a escala que o princípio cosmológico abrange é muito maior do que isso.

Segundo o princípio cosmológico, o universo não tem centro, nem fronteiras ou limites, porque simplesmente não existem lugares preferenciais.

Conclui-se, portanto, que o universo tem origem no tempo e, portanto, idade finita, embora ainda não esteja claro se sua extensão é finita ou infinita.

Estágios do universo de acordo com a teoria do Big Bang

Os cientistas distinguem três estágios principais, o primeiro de um universo muito primitivo, o segundo do universo primordial propriamente dito e o terceiro o estágio do formação de estrutura. 

Durante os dois primeiros, o universo foi dominado primeiro pela radiação e depois pela matéria.

Estágio de radiação

Durante essa era, a energia estava na forma de fótons, partículas elementares sem massa que compõem a luz. Graças a eles foram criados os pares elétron-pósitron de matéria e antimatéria, que se aniquilam ao se encontrarem, emitindo novamente energia na forma de fótons.

No entanto, em algum ponto a matéria predominou ligeiramente sobre a antimatéria, o que mais tarde levou ao aparecimento das primeiras partículas subatômicas.

Os cosmologistas acreditam que este estágio durou cerca de 700.000 anos, e nele os seguintes períodos são distinguidos:

Estado inicial

Começa a partir de 10-43 segundos após o big bang ocorrer e inclui:

-A era de Planck, quando as quatro interações fundamentais - eletromagnética, nuclear forte, nuclear fraca e gravidade - constituíam uma única força fundamental.

-A era da unificação, ocorreu 10-36 segundos depois, quando a gravidade é separada das outras forças, mas as outras permaneceram fundidas no que é chamado de GUT (grande teoria unificada) conforme o universo se expandia e esfriava.

A grande inflação

De 10-36 até 10-33 segundos, nos quais o universo teve um crescimento acelerado, esfriaram e sua densidade diminuiu rapidamente como consequência da expansão.

Foi assim que o universo cresceu de algo menor que a ponta de um alfinete, para uma esfera do tamanho de vários sóis como a nossa, tudo em grande velocidade.

Formação de partículas

O crescimento do universo desacelerou sem parar e as primeiras partículas elementares surgiram: prótons, elétrons e nêutrons.

Criação de átomos leves

Depois de três minutos, prótons e nêutrons colidiram para formar os primeiros núcleos. Então, esses núcleos se encontraram e átomos leves foram formados.

Aparência de luz

Paradoxalmente, as altas temperaturas do início do universo não permitiram que a luz aparecesse até cerca de 380.000 anos após o big bang.

Mas então o universo já havia esfriado o suficiente para permitir a formação de hidrogênio neutro, com o qual os fótons - portadores de luz - podiam se mover por grandes distâncias sem obstáculos.

Domínio da matéria

O universo, antes opaco devido à sua alta densidade, tornou-se transparente à radiação e a matéria assumiu o controle.

Assim se formaram os primeiros conglomerados, graças à ação da gravidade, e o universo começou a adquirir sua forma atual. É a fase de formação das estruturas.

Formação de estrelas e galáxias

A gravidade fez com que as nuvens de gás entrassem em colapso para formar as primeiras estrelas, que mais tarde se associaram em galáxias. Os especialistas acreditam que isso aconteceu cerca de 400 milhões de anos após o big bang.

Época de matéria escura

A expansão do universo não parou, pelo contrário, parece ter se acelerado.

Agora, os cientistas acreditam que há uma matéria diferente da que podemos ver, chamada matéria escura, responsável por essa expansão acelerada.

Provas

Fundo de radiação cósmica

O big bang ainda é observável hoje, apesar do tempo decorrido, por meio da radiação que vem dos lugares mais distantes do universo.

A radiação cósmica de fundo de microondas (fundo cósmico de microondas) foi descoberta em meados da década de 1960 por dois pesquisadores da Bell Laboratories: Arno Penzias e Robert Wilson.

É o brilho que o big bang deixou para trás, algo que a teoria já havia apontado de antemão, mas que não havia sido detectado até os experimentos de Penzias e Wilson.

Lei de Hubble-Lemaitre

Em 1929, Edwin Hubble afirmou que o universo está se expandindo, e durante oito anos ele ficou encarregado de coletar os dados necessários para testá-lo no Observatório de Mount Wilson, na Califórnia.

Desse modo, ele enunciou a seguinte lei, na qual a velocidade v com o qual as galáxias estão se afastando de nós, é proporcional à distância R, ser H Constante de Hubble:

v = HR

Onde H = 22 x 10-3 m / (ano-luz). Esta forma simples da lei é válida quando se trata de galáxias não muito distantes.

Distribuição uniforme de galáxias distantes

O Telescópio Espacial Hubble confirma que galáxias distantes estão homogeneamente distribuídas, de acordo com o princípio cosmológico.

Magnitude aparente de galáxias distantes

Quanto maior o desvio para o vermelho, maior a magnitude aparente de uma galáxia distante, o que significa que o comprimento de onda de sua luz aumenta à medida que ela viaja por um universo em expansão.

Problemas e críticas

Em teoria, muitos pontos permanecem obscuros, por exemplo, os cientistas ainda não sabem o que desencadeou a grande inflação.

Por outro lado, muitos especialistas não se contentam com o fato de que antes do big bang o tempo não existia, a matéria e o espaço não existiam, pois alguns pensam que o tempo sempre existiu.

Claro, as teorias cosmológicas apontam para fenômenos em grande escala e são refinadas ou descartadas graças a novas descobertas. Os cientistas esperam resolver discrepâncias como as seguintes:

Problema de entropia

A entropia era anormalmente baixa durante os primeiros momentos do universo e os cosmologistas não podem explicar o aumento da entropia para os níveis atuais.

Problema do horizonte

Este problema refere-se ao fato de que a velocidade da luz é finita e nada viaja mais rápido que ela, no entanto, regiões que durante o big bang não puderam entrar em contato devido a sua separação, verifica-se que estavam em equilíbrio térmico. .

Problema de achatamento

Acredita-se que vivemos em um universo plano, porém a teoria do big bang não oferece um mecanismo físico que explique de forma satisfatória o porquê.

Problema de monopolo magnético

A teoria do big bang prevê a existência de monopólos magnéticos, mas até agora eles não foram encontrados. Cada vez que tentamos, seccionando um ímã, sempre obtemos ímãs menores com os pólos norte e sul, nunca separamos os pólos magnéticos (monopólos).

Outras preocupações com a teoria são: de onde se originou a singularidade? E como a matéria passou a predominar sobre a antimatéria? Ou como e por que ocorreu a grande inflação? Há ainda um longo caminho a percorrer.

Referências

  1. Carroll, B. An Introduction to Modern Astrophysics. 2ª Edição. Pearson.
  2. Falcón, N. Revisão crítica do big bang. Recuperado de: researchgate.net.
  3. Seeds, M. 2011. Foundations of Astronomy. 11º. Ed. Cengage Learning.
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  5. Wikipedia. Radiação de fundo de microondas. Recuperado de: es.wikipedia.org.