Big Bang: O início de tudo

Expansão do universo, Big Bang — Representação oblonga da evolução do universo ao longo de 13,77 bilhões de anos (expansão em 3D em um plano plano). A extrema esquerda representa o primeiro instante do Universo antes do seu crescimento exponencial em todas as direções. O seu tamanho é representado pela extensão vertical da grade neste gráfico. Esta representação em 3D em um plano plano mostra a expansão do Universo observável, o que não é perfeito. Na realidade, é mais como uma esfera, com nós no centro. Crédito da imagem: Wikimedia Commons (nova janela) (Domínio público).

Resumo científico

Este artigo apresenta o modelo cosmológico do Big Bang, nascido dos trabalhos de Lemaître e Friedmann na década de 1920. O Universo nasceu há 13,77 bilhões de anos de um estado extremamente denso e quente. A inflação (~10⁻³² s) precedeu a formação dos quarks, depois dos prótons e nêutrons (~10⁻⁶ s). Aos 3 minutos, 98% da massa estava constituída (núcleos de hidrogênio e hélio). Aos 380.000 anos, a recombinação formou os primeiros átomos estáveis, tornando o Universo transparente. A radiação fóssil (CMB, ~2,725 K), detectada em 1965 por Penzias e Wilson, é o vestígio dessa época. Suas anisotropias, medidas por COBE, WMAP e Planck, revelam as flutuações de densidade na origem das galáxias.

O que é o Big Bang e como o Universo evoluiu desde a sua origem?

O Big Bang é o modelo cosmológico que descreve a origem do Universo há 13,77 bilhões de anos, a partir de um estado extremamente denso e quente. O espaço, o tempo e a matéria nasceram nesse instante, em uma "explosão primordial" cujo nome foi dado ironicamente por Fred Hoyle na década de 1950. As primeiras frações de segundo viram a inflação (~10⁻³² s) e o aparecimento das partículas elementares. Aos 10⁻⁶ s, a força nuclear forte reuniu os quarks em prótons e nêutrons. Aos 3 minutos, os núcleos de hidrogênio e hélio se formaram, constituindo 98% da massa do Universo. Durante 380.000 anos, o Universo permaneceu um plasma opaco. Depois, a recombinação permitiu a formação dos primeiros átomos estáveis, tornando o Universo transparente. A radiação fóssil (CMB, ~2,725 K), detectada em 1965 por Penzias e Wilson, é o vestígio dessa época. Suas flutuações de temperatura (~10⁻⁵) são as sementes das galáxias. O Universo continua a se expandir, e o seu horizonte cósmico recua, escondendo parte do infinito de nós.

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Nascimento do universo!

A explosão primordial

Há 13,77 bilhões de anos, uma formidável explosão chamada Big Bang deu origem ao espaço, ao tempo e à matéria. Neste caos de um calor inimaginável, uma bolha incha, expande-se em todas as direções e esfria devagar.

A origem do termo "Big Bang"

O termo "Big Bang" foi criado na década de 1950 pelo astrofísico inglês Fred Hoyle (1915-2001) para designar ironicamente o conceito de "explosão primordial". Este modelo cosmológico foi desenvolvido na década de 1920 pelo astrofísico belga Georges Lemaître (1894-1966) e pelo físico russo Alexander Friedmann (1888-1925).

Um começo incerto

A história do Big Bang não pressupõe a existência de um "instante inicial" ou um começo.

A radiação fóssil

No entanto, ainda hoje, captamos no céu um rastro dessa origem a que chamamos de "radiação fóssil". Esta radiação é uma radiação de micro-ondas de baixa temperatura, cerca de 3 K. Esta radiação chega até nós de todas as direções do cosmo. Chama-se assim porque forma um fundo para todas as fontes de rádio pontuais que foram detectadas pelos radiotelescópios.

A descoberta da radiação fóssil

O Big Bang foi detectado em 1965 por Arno Allan Penzias (1933-2024) e Robert Woodrow Wilson (1936-). Eles foram premiados com o Prêmio Nobel de Física em 1978.

Nascimento do tempo!

O vazio original

No início não havia nada, nem matéria, nem vácuo, o tempo e o espaço não existiam. De um ponto menor que um átomo, uma energia infinita gerou o universo.

O início do tempo

Tudo começa uma fração infinitesimal de segundo após a explosão primordial, o Big Bang. O tempo começa a passar, o cosmo todo se desenha de uma vez. É o maior mistério de todos os tempos.

O tempo de Planck e a inflação

Antes deste período, não sabemos nada; não há tempo zero, o tempo não existe, não temos dados para dizer que há algo. Para os cientistas, o relógio cósmico bate pela primeira vez aos 10^-43 segundos (tempo de Planck). O universo é um vazio borbulhante de energia muito densa e incrivelmente quente; depois, supõe-se, ele incha subitamente: é a inflação. Aos 10^-32 segundos, os primeiros elementos de matéria acompanhados de antimatéria surgem (partículas elementares e antipartículas).

A formação de prótons e nêutrons

Depois, a força nuclear forte, aos 10^-6 segundos (um milionésimo de segundo), vai agrupar os quarks, 3 a 3, para formar prótons e nêutrons e criar os núcleos (hidrogênio, hélio).

Nascimento da massa!

Os primeiros três minutos

Aos 3 minutos, 98% da massa do universo estava constituída. Nada de novo até os 380.000 anos, o fim da era radiativa.

A era material

Começa então a era material e aparece a segunda força, a força eletromagnética. Ela constrói os átomos de hidrogênio e hélio combinando elétrons com núcleos. O Universo, sempre em expansão e resfriamento, vê a força gravitacional agrupar os átomos em estruturas mais complexas. É o nascimento das galáxias e das estrelas.

Nascimento da matéria!

A radiação se transforma em matéria

De acordo com o modelo teórico do Big Bang, a radiação fóssil de micro-ondas é um resíduo da energia reinante no momento da formação dos primeiros átomos estáveis do Universo. A radiação se transforma em matéria. Isso acontece aproximadamente 380.000 anos após a explosão primordial.

As flutuações de densidade

Dados do satélite COBE (Cosmic Background Explorer) mostram que esta radiação não é tão uniforme quanto os cientistas acreditavam. Áreas de intensidade variável aparecem arbitrariamente. Essas flutuações de densidade do Universo primordial seriam a origem da formação das galáxias.

Fatias de espaço-tempo do Universo observável

inflação Big Bang — Representação do Universo observável na forma de fatias de espaço em 2 dimensões, empilhadas ao longo do eixo do tempo. Esta representação é falsa, porque o Universo possui 3 dimensões espaciais: cada fatia circular deveria, na realidade, ser uma esfera. Além disso, o Big Bang não ocorreu em um ponto preciso do espaço: é o próprio espaço que nasceu e se expande desde então, em todas as direções e em todos os pontos. Crédito da imagem: Por Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0 (nova janela), Link.

A representação do Universo observável

Uma pilha de fatias no tempo

O Universo observável é representado aqui como uma pilha de fatias em 2 dimensões, cada uma representando a imagem do Universo no passado (como os quadros de um filme). O último círculo localizado no topo, o maior, representa o universo de hoje. Os diâmetros dos círculos representam o tamanho do Universo, que diminui à medida que voltamos no tempo.

Uma representação imperfeita

Mas, na realidade, o Universo se estende em todas as direções. Portanto, devemos substituir cada fatia, ou seja, cada círculo, por uma esfera. Teríamos, assim, não uma pilha de círculos em 2 dimensões, mas uma pilha de esferas em 3 dimensões, o que é impossível para o nosso cérebro imaginar.

Nossa posição no Universo

Nesta representação imperfeita, estamos, como todas as galáxias do universo, no último círculo. Devido à expansão do Universo, tudo parece se afastar de nós, não importando a direção para a qual olhamos. É como estar na superfície de um balão e vê-lo inflar.

O horizonte cósmico

Não podemos ver além do círculo que é o nosso horizonte, porque a luz tem uma velocidade finita. A luz dos objetos além deste "horizonte cósmico" não teve tempo suficiente para nos alcançar desde o Big Bang.

Um horizonte que permanece fixo

O "balão" incha, mas o horizonte não se afasta; assim, as galáxias próximas do horizonte acabam desaparecendo.

Além do universo observável

Além do universo observável, provavelmente há um infinito de galáxias que não podemos ver. É até possível que haja um infinito de universos!

Referências

FAQ: Tudo o que você precisa saber sobre o Big Bang

O que é exatamente o Big Bang?

O Big Bang é o modelo cosmológico que descreve a origem do Universo. Há 13,77 bilhões de anos, o Universo nasceu de um estado extremamente denso e quente, uma "singularidade" onde o espaço, o tempo e a matéria começaram a existir. O termo, criado por Fred Hoyle na década de 1950, refere-se ironicamente a esta "explosão primordial". O modelo foi desenvolvido por Georges Lemaître e Alexander Friedmann na década de 1920. O Big Bang não é uma explosão no espaço, mas uma expansão do próprio espaço.

O que aconteceu nas primeiras frações de segundo após o Big Bang?

Os primeiros momentos são marcados por etapas-chave:
• 0 a 10⁻⁴³ s (tempo de Planck): As leis atuais da física não se aplicam. O Universo é um "vazio borbulhante" de energia incrivelmente densa.
• ~10⁻³² s: Período de inflação cósmica, o Universo se expande exponencialmente. Surgem as primeiras partículas elementares e antipartículas.
• ~10⁻⁶ s: A força nuclear forte agrupa os quarks em prótons e nêutrons.
• ~3 minutos: A nucleossíntese primordial forma os núcleos de hidrogênio (75%) e hélio (25%), constituindo 98% da massa do Universo.

O que é a radiação fóssil e por que ela é tão importante?

A radiação fóssil (ou CMB, Fundo Cósmico de Micro-ondas) é o vestígio do Big Bang. Ela foi emitida aproximadamente 380.000 anos após a explosão primordial, quando o Universo havia resfriado o suficiente para permitir a recombinação de elétrons e prótons em átomos de hidrogênio, tornando o Universo transparente. Esta radiação, que preenche todo o espaço, tem uma temperatura atual de ~2,725 K e está no domínio das micro-ondas. Detectada em 1965 por Penzias e Wilson (Prêmio Nobel 1978), ela é a prova direta do Big Bang. Suas anisotropias (flutuações de temperatura da ordem de 10⁻⁵) são as sementes das galáxias.

O que é a inflação cósmica e por que ela é necessária?

A inflação cósmica é um período de expansão exponencial do Universo, ocorrido aproximadamente 10⁻³² s após o Big Bang. Ela explica várias observações:
• Por que o Universo é tão uniforme em grande escala (problema do horizonte)?
• Por que o Universo é espacialmente plano (problema da planura)?
• De onde vêm as flutuações de densidade que deram origem às galáxias?
A inflação foi proposta por Alan Guth na década de 1980 e é confirmada pelas observações da radiação fóssil.

Como o Universo evoluiu entre 380.000 anos atrás e hoje?

Após a recombinação (380.000 anos), o Universo entrou na era material:
• A gravidade começou a agrupar os átomos de hidrogênio e hélio em estruturas mais densas.
• Essas regiões mais densas atraíram mais matéria, formando as primeiras estrelas (centenas de milhões de anos após o Big Bang).
• As estrelas se agruparam em galáxias, depois em aglomerados de galáxias.
• A energia escura, descoberta na década de 1990, acelerou a expansão do Universo.
Hoje, o Universo continua a se expandir e esfriar, e o seu horizonte cósmico recua.

Podemos ver além do Universo observável?

Não, não podemos ver além do Universo observável, que é delimitado por um "horizonte cósmico". Além deste horizonte, a luz dos objetos não teve tempo suficiente para nos alcançar desde o Big Bang (a luz tem uma velocidade finita). O Universo observável é uma bolha esférica centrada em nós, com um raio de aproximadamente 46,5 bilhões de anos-luz (devido à expansão). Além dele, provavelmente há outras galáxias, ou até um infinito de universos (multiverso), mas essas regiões são inacessíveis para nós para sempre.

Quem descobriu a radiação fóssil e como?

A radiação fóssil foi descoberta acidentalmente em 1965 pelos físicos americanos Arno Penzias e Robert Wilson. Eles estavam trabalhando em uma antena corneta (Holmdel, Nova Jersey) e detectaram um "ruído" de fundo persistente vindo de todas as direções, que não conseguiam eliminar. Após descartar todas as causas possíveis (fezes de pombos, interferências), eles perceberam que haviam detectado a radiação fóssil prevista pelo modelo do Big Bang. Esta descoberta lhes valeu o Prêmio Nobel de Física em 1978.