O Big Bang e a formação dos Elementos
Adérito José Rafael
abril/2019
Introdução
Neste trabalho realizado para a
disciplina de Fisica e Quimica, vou abordar o tema “Big Bang e a formação dos
elementos”.
Abordaremos todas as etapas por que
a teoria do Big Bang passou, até se tornar hoje uma teoria completa e aceite
pela comunidade científica.
Complementarmente faremos uma
abordagem sobre outras teorias que contribuíram para a explicação e aceitação
da teoria do Big Bang.
Este trabalho de pesquisa
bibliográfica incidirá sobre os principais cientistas e instituições que contribuíram
para a formulação das diversas teorias.
O Big Bang e a formação dos Elementos
No início
do século XX, havia um consenso de que o universo era estático e eterno, não se
cogitava o início do universo a partir do Big Bang.
Em 1916,
Albert Einstein publicou a teoria da relatividade, expressando que o universo
estava a expandir-se.
Pouco
depois, em 1929, Hubble mostrou que as galáxias estavam a afastar-se umas das
outras com velocidades proporcionais à sua distância. Medindo o brilho das
estrelas mais próximas e comparando-as com o brilho das mais longínquas,
observou que a radiação electromagnética desviava para o vermelho. (Quando um
objeto vem na nossa direção fica azul, quando se afasta fica vermelho). Huble
observou a existência de um desvio para o vermelho, quando o observador e a fonte
luminosa se afastam, a velocidade com que a galáxia se está a afastar da Terra
pode ser calculada pelo desvio observado. Tal descoberta constituiu a primeira
evidência da expansão do universo. Com o desenvolvimento da radioastronomia,
veio a ser comprovada.
A teoria do
Big Bang foi proposta pelo professor de física e padre belga Georges-Henri Lemaître.
Sabendo que o universo se expandia, concluiu que teria tido um início. Como o
universo se estava a expandir e a aumentar de tamanho, então no início o
universo seria um aglomerado. Nos primeiros instantes após o Big Bang, a temperatura
seria extremamente elevada, da ordem de 1032º Kelvin.
Estudos mostram
que as primeiras estrelas e galáxias surgiram quando o universo tinha cerca de
100 milhões de anos.
Fred Hoyle,
formulou a teoria do modelo do Estado Estacionário, um modelo de Universo que
defende que é continuadamente criada matéria nos espaços que vão ficando vazios
no processo de expansão. O modelo afirma que não houve nenhum início do
universo, pois este esteve sempre a expandir-se e assim continuará.
Mas como ainda não se sabia qual das teorias
estava correta elas teriam que explicar como se formaram os elementos.
A teoria de Hoyle explicava a origem dos
elementos a partir das estrelas, os elementos mais leves como o hidrogénio
fundiam-se, num processo chamado fusão nuclear em elementos mais pesados, assim
não seria necessário ter acontecido um Big Bang. Contudo a teoria de Hoyle não
explicava como o hidrogénio se formava. Hoyle afirma que o hidrogénio e o hélio
sempre se formaram de forma espontânea.
Mais tarde o físico George Gamow, estudou a formação dos elementos e
usando a teoria do Big Bang previu as proporções de hidrogénio e hélio. Descobre
que deveria existir muito hélio e que este só existe pela fusão do hidrogénio. Constatou
que o hidrogénio cria 75% dos elementos e o hélio somente 25%. Gamow chegou à
conclusão que as estrelas poderiam criar a quantidade de hélio hoje existente
no universo, porém, se houvesse um big bang onde as temperaturas eram tão altas
que conseguiam fundir o hidrogénio em hélio em qualquer parte, seria mais credível.
Numa nuvem de gás primordial a proporção de hidrogénio/ hélio eram de ¾
para um ¼, tal como a teoria do Big Bang previu.
Os elementos mais leves fundem-se tornando-se mais pesados, processo denominado
de nucleossíntese.
Gamow colocou uma questão após estas descobertas!
Se o Big Bang existiu deveria haver um “eco” do
tamanho poder da explosão, seja em forma de radiação ou de calor.
Após duas décadas, nos anos sessenta (1964),
utilizando uma antena gigante, (estes equipamentos transformam ondas sonoras em
impulsos elétricos, que posteriormente transformam a luz em forma de
micro-ondas e ondas e radio) Arno Penzias e Robert Wilson, captaram um estranho sinal. Usando um
telescópio gigante analisaram em todas as direções, e não percebiam de onde
vinha o sinal pois ele estava em todo lado. Então contactaram com um outro
astrónomo que teorizou que se poderia ver esta micro-onda directamente. Penzias
e Wilson descobriram que era o fundo cósmico a emitir essa micro-onda, por
outras palavras era a radiação restante do Big Bang.
Com esta
descoberta conseguimos saber como é que era o universo quando tinha 380 000
anos. Antes desta “data” o universo era extremamente denso e opaco de
partículas carregadas e radiação na forma de raios gama e raios X. Após 380 000
anos a mistura primitiva arrefeceu, permitindo que a matéria e a radiação se
separassem. Foi também neste período que começaram a surgir os primeiros átomos
neutros e os fotões, ou raios de luz que podem passar pelo universo livremente.
Em 2001 a NASA
manda para o espaço o WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) que ajudou a
descobrir e a comprovar a idade do universo fixada entre 13,7 biliões de anos e
13,8 biliões de anos. Nesta altura a teoria do Big Bang era já bem aceite pela
comunidade científica. A teoria de Hoyle não explicava de forma plausível a
radiação do fundo cósmico.
Segundo os
resultados do WMAP, o universo é “estranhamente” uniforme, pois regiões
separadas por dezenas de anos-luz apresentam idêntica temperatura, os
resultados evidenciaram que dois espaços que hoje se localizam extremamente
longe, já deveriam ter estados juntos.
Apesar dos
avanços a teoria do Big Bang ainda apresentava alguns problemas.
Para responder
às críticas da teoria do Big Bang, foi formulada a teoria da inflação.
A teoria da
inflação afirma que no momento logo a seguir à explosão do ovo cósmico, (o
ponto de concentração do universo antes do Big Bang), houve uma expansão muito
mais rápida e que à medida que foi passando o tempo foi desacelerando, ou seja,
pontos do universo que já estiveram próximos, hoje podem estar extremamente
longe, mas ter a mesma temperatura.
A teoria da
inflação resolveu outra questão com a ajuda do WMAP. Os seus dados fizeram-nos
crer que o universo é plano, porém a teoria da inflação releva que nós só vemos
uma ínfima parte do universo, assim, como vemos uma parte tão pequena do
universo ele parece-nos plano, mas não é. Podemos comparar com uma bola de
críquete, nós sabemos que ela é redonda, mas se vivêssemos à sua superfície nós
poderíamos crer que ela nos pareceria plana.
A teoria da
inflação respondeu a muitos dos problemas da teoria do Big Bang, porém, havia
uma questão crucial, a teoria da inflação ainda não tinha sido provada.
Mais tarde
a ESA (Agência Espacial Europeia) e a NASA (National Aeronautics and Space
Administration) enviaram para o espaço o satélite Blank. Os seus dados
revelaram-se fantásticos com uma resolução inacreditável. Para provar a teoria
da inflação foram estudadas as ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais
são ondas de vibração no tecido do espaço-tempo que são emitidas por objetos em
movimento. Einstein previu que as ondas gravitacionais existiram mas nunca
foram diretamente observadas. Os investigadores observaram que o movimento
expansionista deveria ter gerado uma onda gravitacional muito intensa de tal
forma, que ainda hoje ressoasse no espaço.
A European
Organization for Nuclear Research conhecida como CERN, uma instalação de
pesquisa de renome mundial, que tem o LHC (Large Hadron Collider), um acelerador
de partículas que recria as condições dos momentos próximos, após o Big Bang.
Os cientistas que trabalham no CERN conseguem estudar o universo no seu estado
inicial, pois o LHC consegue que dois feixes de partículas de alta energia
viajem perto da velocidade da luz, antes de colidirem. As partículas viajam em
direções opostas em tubos separados (dois tubos mantidos em vácuo). As partículas são guiados em torno do anel de 27 Km, acelerado por um forte campo magnético mantido por electroímanes
supercondutores. Os electroímanes são
construídos com bobinas de cabos elétricos especiais que operam em um estado
supercondutor, conduzindo eficientemente eletricidade sem resistência ou perda
de energia. Isso requer o arrefecimento dos ímanes para -271,3 °Centigrados (temperatura
mais fria que o espaço exterior). Por essa razão, grande parte do acelerador é ligado
a um sistema de distribuição de hélio líquido, que arrefece os ímanes, bem como
a outros serviços de fornecimento. O objetivo é que se produza o Bosão de
Higgs, ou partícula de Deus. Acredita-se que o Bosão de Higgs poderia estar
presente no momento após o Big Bang, e esta partícula poderá ter dado massa
para toda a matéria do universo.
O LHC
também consegue esclarecer a teoria de Tudo, cujo rosto principal é Stephen
Hawking. A teoria de Tudo afirma que com temperaturas e energias extremamente
altas, as quatro forças da natureza, a gravidade, as forças electromagnéticas e
as forças nucleares fortes e fracas, já estiveram unidas nos primeiros momentos
após a criação do universo. Quando a gravidade se separou, iniciou-se o rápido
movimento expansionista, a inflação. A teoria da inflação prevê que houve um
período pré inflacionário, e que se o Big Bang aconteceu uma vez, poderia acontecer
de novo.
Muitos
físicos acreditam num pré Big Bang. Uma das teorias afirma que o nosso universo
é o resultado de um universo pré-existente. Michio Kaku em documentário do
canal Discovery – Como surgiu o Big Bang, afirma “ Se o universo nasceu uma vez,
então pode acontecer outra vez, criando multiversos de universos. Talvez
aconteça a todo o tempo com universos a dividirem-se e a criarem outros
universos, ou universos a iniciarem-se noutros e assim criando universos
maiores.” De qualquer forma os modelos pré Big Bang não têm nenhuma prova
experimental, assim sendo não se sabe se são verdade ou não. Não sabemos se o
nosso universo veio de outro ou não.
Embora não
saibamos o que está antes do Big Bang, conseguimos saber como o universo se desenvolveu.
O universo
tem zero anos é um ponto super denso e quente e com o diâmetro de um protão,
então acontece o Big Bang e o universo expande-se, e se a teoria de tudo
estiver certa as quatro forças da natureza estão unidas até que a gravidade se
separa e aí começa a inflação os universos expandem-se muito mais rápido, graças
a isso todos os universos tem uma temperatura quase constante nas diversas
regiões da sua imensidão. Enquanto a inflação diminui, as forças nucleares
forte e fraca tornam-se duas forças separadas. Elas interagem com as partículas
e antipartículas criando uma “sopa” cósmica de energia. Segundos após a
explosão a temperatura desce um pouco para 1x1012 graus centigrados,
os protões e neutrões fundem-se e criam os núcleos de hidrogénio pesado, a
fusão nuclear faz com que os núcleos de hidrogénio pesado se fundam em hélio. Minutos depois ¼
do hidrogénio é convertido em hélio, que se fundirá criando elementos mais
pesados. Após 380 000 anos do Big Bang a matéria e a radiação separam-se
permitindo que os fotões andem livremente pelo universo. Quando o universo está
entre 200 e 300 M de anos a gravidade agrupa o hidrogénio e o hélio em nuvem
que se dissolvem formando as primeiras estrelas. Com 500 M de anos as estrelas
e gás formam as primeiras galáxias, enquanto isso as primeiras estrelas morrem
e libertam elementos pesados recém formados, como o carbono, nitrogénio e
oxigénio. Com 9 biliões de anos o Sol forma-se em volta de gases, esses gases e
poeiras juntam-se por acreção e formam os planetas do sistema solar, e assim
chegamos aos dias de hoje, após uma longa jornada de 13,7 biliões de anos.
Será que
existiu uma força mais antiga, que possa ter iniciado o Big Bang?
Conclusão
A realização deste trabalho permitiu-me investigar e dessa
forma alargar os meus conhecimentos sobre a formação do universo.
Na fase de pesquisa deparei-me com algumas dificuldades,
nomeadamente em garantir que as fontes que estava a usar eram cientificamente
corretas, pelo que o trabalho que aqui se apresenta tem por base um
documentário do canal Discovery, que faz uma investigação aprofundada sobre o
tema que escolhi para desenvolver, “O Big Bang e a formação dos elementos”.
Complementarmente recorri a bibliografia que confirmasse o conteúdo do
documentário.
Considero que os objetivos propostos pela professora da
disciplina de física e química foram atingidos e contribuíram para o meu
enriquecimento intelectual.
Referências bibliográficas
Hawking, S (2015), A teoria de tudo, Editora Gradiva
Hawking, S (2011), A breve história do tempo, Editora Gradiva
https://www.youtube.com/watch?v=u6lC3y-ckHQ&t=17s,
acedido dia 10/04/2019, 16.12h