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Coluna do Astrônomo

Primeira Foto dos Limites de Um Buraco Negro

A publicação feita hoje da primeira foto de um buraco tem por trás uma história que nos faz refletir sobre: o poder humano de conhecer cada vez mais a natureza; o poder da arte em representar a natureza, mesmo com relação a algo que não tenha sido observado ou experimentado pela ciência; e o poder de acreditarmos em nossas próprias ideias quando sentimos que são válidas, por mais impossíveis que possam parecer  a outras pessoas.

Em 1993 o doutorando Henio Falcke percebeu que um certo tipo de emissão de rádio, intensa o suficiente para ser capturada da Terra, seria gerado nos limites de um buraco negro. Não lhe deram muitos ouvidos. Ele também foi marcado por um artigo de 1973 que dizia que um buraco negro poderia parecer duas vezes e meia maior que seu tamanho real devido ao efeito da forte gravidade. Essas duas hipóteses fizeram com que Falcke acreditasse que seria mesmo possível observar os limites de um buraco negro. Foram 20 anos de defesa de suas ideias até conseguir o patrocínio que mostraria que  ele estava certo.

A região que marca os limites de um buraco negro é chamada horizonte de eventos. Esse é o ponto que, se ultrapassado, não há mais volta. Buraco negro é um objeto que nasce quando uma estrela muito massiva morre (é possível  também que existam os buracos negros primordiais, formados logo após o big-bang). Inicialmente chamados de objetos gravitacionalmente colapsados, os buracos negros são definidos como objetos cuja gravidade não permite nem que o ente com a maior velocidade na natureza, a luz, consiga escapar. Esse efeito de “entra e não sai” acontece com qualquer coisa que cruze o horizonte de eventos.

Primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro (EHT)

As imagens mostram gás interestelar caindo no horizonte de eventos. As imagens que resultaram nesta já clássica fotografia da Astronomia moderna foram obtidas pelo Event Horizon Telescope (do inglês Telescópio de Horizonte de Evento), um conjunto de oito observatórios espalhados na Terra que, juntos, funcionam como um enorme telescópio único.

Event Horizon Telescope, o conjunto de oito telescópios que funcionam em conjunto (BBC)

O buraco negro observado tem 40 bilhões de quilômetros de diâmetro e está na galáxia M87,  localizada a 55 milhões de anos-luz de nós, na constelação da Virgem. Sua massa é 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol. Não foi à toa que Falcke o classificou como “um monstro”.

Notem que observar esse buraco negro tão distante foi mais fácil que observar o buraco negro que existe no centro de nossa própria galáxia. A Astronomia é uma ciência que lida muito com dificuldades observacionais e, de vez em quando, o que está mais próximo não está exatamente nas melhores condições de observação.

Buracos negros foram primeiro descobertos numa folha de papel, como solução para equações da relatividade geral, a teoria de Einstein, que descreve o Universo como sendo formado por uma malha onde espaço, tempo, energia e matéria estão interligados e não são coisas independentes.

Bom, uma solução como aquela poderia ser apenas um exercício matemático, mas a natureza poderia não ser capaz de produzir um espaço como aquele, com tanta gravidade que nem a luz poderia escapar. Até que, algumas décadas depois, a Astrofísica mostrou que o colapso estelar que antecede a explosão de uma supernova poderia de fato produzir um buraco negro.

Após isso foram observadas diversas situações que sugeriam a presença de um buraco negro, como jatos de matéria emitidos do centro de galáxias e até material espiralando para um provável buraco negro. Mas observar exatamente o horizonte de eventos desses misteriosos objetos era algo inacreditável.

Após o horizonte de eventos, nada escapa. O tempo para. Nada se move. O que isso significa exatamente? Não sabemos… Mas conseguimos chegar um pouco mais perto de um dos segredos da natureza, perto o suficiente para darmos uma olhadinha. E isso graças a um conjunto de tecnologias que nos permite tanto a tomada de dados da natureza quanto o processamento desses dados.

Os discos rígidos onde foram armazenados os dados que permitiram a primeira imagem de um horizonte de eventos (BBC)

E algo ainda nos chama a atenção nessa imagem do horizonte de eventos: ela é idêntica à maioria das representações artísticas feitas para representar um buraco negro. Como eles não emitem luz, desenhar um buraco negro é muito difícil. Normalmente, em figuras ou mesmo no cinema, a representação é feita se utilizando a luz que estaria sendo emitida no horizonte de eventos.

O que a arte nos mostrou é muito próximo do que a ciência agora nos revela, graças à utilização saudável de nossos avanços tecnológicos e à perseverança de um homem que soube seguir seu instinto desde a época de estudante.

Representação artística de um buraco negro do filme Interestellar, de 2014.

Leia Mais: BBC – First ever black hole image released (em inglês), CNN-This is the first photo of a black hole (em inglês)

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Coluna do Astrônomo

Hubble observa o quasar mais brilhante já observado no Universo primordial

Quasares são núcleos ativos de galáxias, extremamente brilhantes, que contêm um buraco negro supermassivo circundado por um disco de material que, ao cair no buraco negro, libera muita energia. Ela é observada em todos os comprimentos de onda: visível, infravermelho, raios X, etc.
 

Esse objeto começou a brilhar quando o Universo tinha apenas a idade de cerca de um bilhão de anos (atualmente, o Universo tem cerca de 14 bilhões de anos), e brilha o equivalente a cerca de 600 trilhões de sóis.

Apesar disso, o objeto só foi observado por um efeito que compreendemos através da teoria da relatividade, de Einstein. A gravidade de uma galáxia pouco brilhante localizada exatamente entre o quasar e a Terra distorce o espaço ao seu redor, gerando o que chamamos de lente gravitacional. Esse efeito produz uma distorção no caminho percorrido pela luz que chega a nós vinda do quasar, fazendo com que ele seja observado 50 vezes mais brilhante do que seria sem a lente gravitacional.

Objetos como esse podem ajudar a compreender as etapas iniciais pelas quais passou o Universo em seu início. O time de astrônomos trabalha agora em determinar a composição química e temperatura de um objeto dessa fase inicial do Universo. E o grupo espera também observar esse quasar com o Telescópio Espacial James Webb, com lançamento previsto para março de 2021. Com esse telescópio no espaço e outros em terra, o grupo pretende observar detalhes das vizinhanças do buraco negro central, sua influência no gás ao redor e na formação estelar da galáxia que o abriga.

 
Leia Mais:

(em inglês) https://www.spacetelescope.org/news/heic1902/?lang

Concepção artística de um quasar distante (NASA)

 

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O Eterno Hawking e Sua Mensagem Para o Mundo: “Não precisa ser assim”

Stephen Hawking no final da década de 1990

O mundo perdeu hoje um homem que viveu 54 anos depois de receber do médico a notícia que viveria apenas alguns meses ou poucos anos, no máximo.

Mais que isso. Esse homem venceu suas limitações e expandiu o conhecimento da humanidade sobre o Universo,  big-bang,  buracos negros, relatividade e mecânica quântica.

Ainda mais que isso… Foi uma pessoa cativante e, com seu senso de humor e presença de espírito, tornou-se um brilhante popularizador da Ciência, sendo exemplo de como é possível explicar conceitos de ponta da Cosmologia para crianças ou adultos sem nenhum treinamento científico.

Brilhante pesquisador e brilhante divulgador, foi personagem do desenho animado Os Simpsons e fez participação no seriado The Big Bang Theory. Sua característica voz computadorizada foi utilizada em uma música do Pink Floyd. Era um cara da academia e também um cara pop!

 

Representação de Stephen Hawking em episódio do desenho animado The Simpson (Fox)

Stephen Hawking com elenco do seriado The Big Bang Theory (CBS)

 

Hawking dedicou grande parte da sua vida ao estudo dos buracos negros. A análise matemática desses objetos nos leva a uma situação limite que chamamos de singularidade, quando a matemática não funciona mais. Juntamente com Roger Penrose, Hawking disse que o Universo em seu início era uma singularidade, chacoalhando nosso entendimento sobre o big-bang, a ideia que, apesar de todas suas modernas variações, explica o início de tudo o que conhecemos.

Filme biográfico de 2014 (dirigido por James Marsh)

Temos hoje na Física teorias que funcionam muito bem em domínios muito bem definidos. A física clássica, ou física newtoniana, é a que usamos para lidar com as coisas do dia a dia, as velocidades e as massas de nossa rotina. Podemos construir prédios e calcular a velocidade de trens e carros com ela. No mundo muito pequeno, dos átomos e partículas subatômicas, as coisas não funcionam como no nosso mundo clássico, e precisamos de outra teoria, a física quântica. Já no mundo muito grande, das grandes massas como as das estrelas e galáxias, e velocidades grandes como as das partículas que se deslocam com velocidades próximas à da luz, usamos a teoria da relatividade geral.

Mas será que a natureza é assim mesmo? Será que ela tem formas diferentes de funcionar em diferentes escalas? Ou será que estamos perdendo alguma coisa?

Um dos maiores desafios da física atual é prover uma teoria que englobe todas essas outras teorias. Stephen Hawking trabalhou muito na união entre a relatividade geral e a mecânica quântica e, por causa desse seu interesse, o filme que conta sua biografia chama-se “A Teoria de Tudo”.

Para quem gosta de coincidência, Hawking nasceu em 8 de janeiro de 1942, cerca de 300 anos depois de Isaac Newton, que nasceu em 25 de dezembro de 1642. E faleceu em 14 de março de 2018, dia de aniversário de Einstein.

Eu aprendi uma lição muito importante com ele, além de tudo o que todos os astrônomos do mundo aprenderam com seu legado. Numa entrevista, Hawking disse que, com o avançar da doença, ficou cada vez mais difícil realizar tarefas simples como pegar um livro na estante. Por isso, sempre que ele lia algo, procurava fazer com toda a atenção para absorver o máximo possível, pois poderia ser bem difícil pegar novamente aquele livro para reler. Vi essa entrevista quando estava na faculdade de Astronomia. Isso me ensinou a aproveitar melhor meu tempo de estudo, uma lição que trago comigo até hoje.

Apesar de toda sua contribuição científica, Stephen Hawking deve ser lembrado primeiramente por seu exemplo de superação humana. E, algo que considero bem simbólico, é sua mensagem na música “Keep Talking” do Pink Floyd, onde o cientista, que perdeu os movimentos do corpo, deixa uma mensagem de força para todos os que acreditam num mundo melhor, e lhes estimula a lutarem com o que lhes resta, seja o que for. Com a voz emitida por um dispositivo eletrônico, Hawking diz:”Não precisa ser assim. Tudo o que precisamos fazer é ter a certeza que continuar falando.1

Keep Talking, do Pynk Floyd, com participação do Stephen Hawking

 

1 –(original em inglês: It doesn’t have to be like this / All we need to do is make sure we keep talking)

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Coluna do Astrônomo

Teste de uma Teoria Alternativa à Matéria Escura: Gravidade Emergente, de Erik Verlinde

A Ciência deve, com toda certeza, ser ousada. Uma manifestação dessa ousadia necessária é confrontar teorias antigas com novas, que podem fornecer uma melhor explicação a um certo fenômeno. Algumas vezes novas teorias substituem antigas; outras vezes, as novas se mostram insuficientes e se perdem pelo caminho, sendo esquecidas. Nas últimas décadas, poucas teorias têm sido tão confrontadas com teorias alternativas como a Matéria Escura.

Várias observações astronômicas não podem ser explicadas apenas com a matéria que emite luz e conseguimos observar diretamente. Por exemplo, alguns aglomerados de galáxias não conseguiriam manter suas galáxias juntas apenas com a gravidade da matéria que observamos. A velocidade do Sol ao redor do centro da Via Láctea é maior do que deveria ser se considerarmos apenas a matéria luminosa. Para resolver esses e outros problemas, formulou-se a hipótese da Matéria Escura Não Bariônica, ou apenas Matéria Escura. Ela seria formada por coisas bastante diferentes das partículas que formam nossa matéria comum de prótons e elétrons. (Leia mais sobre matéria escura aqui e aqui).

Devido ao caráter exótico da Matéria Escura, muitos cientistas não gostam dela e buscam explicações alternativas. Uma delas é a Gravidade Entrópica ou Gravidade Emergente do físico teórico holandês Erik Verlinde. Essa teoria diz que a gravidade não se comporta em grande escala da mesma forma que se comporta aqui na superfície da Terra.

NASA's Galaxy Evolution Explorer found a tail behind a galaxy called IC 3418. The star-studded tail can be seen on the left, as detected by the space telescope in ultraviolet light. The tail has escaped detection in visible light, taken by a visible-light telescope on the ground. This tail was created as the galaxy plunged into gas in a family of galaxies known as the Virgo cluster. This image is a composite of data from the Galaxy Evolution Explorer (far-ultraviolet light is dark blue and near-ultraviolet light is light blue); and the Sloan Digital Sky Survey (visible light is colored green and red). Other galaxies and stars can be seen scattered throughout the image. Another galaxy called IC 3413, which is part of the Virgo cluster, can be seen to the right of IC 3418 as an oval-shaped blob. The bright large dot at upper right is a star in our Milky Way galaxy.
A teoria da Gravidade Emergente diz que a gravidade comporta-se de maneira diferente aqui na superfície da Terra e em escala galáctia e cosmológica ( Imagem: NASA)

Uma fórmula clássica da física diz que a intensidade da força gravitacional entre dois corpos de massa m1 e m2 é dada por:

F=G(m1 e m2)/r2

onde G é uma constante e r a distância entre os dois corpos. Essa equação está nos dizendo que a força gravitacional cai com o quadrado da distância, ou seja: se a distância aumenta 2, a força cai 4; se a distância aumenta 3, a força cai 9; se a distância aumenta 4, a força cai 16 e assim por diante.

A teoria de Verlinde diz que o comportamento da gravidade é esse apenas para distâncias curtas, mas que precisa ser alterado quando lidamos com escala galáctica e intergaláctica ou cosmológica. Nessas escalas, uma interação entre a Energia Escura e a matéria comum faria a gravidade cair menos, produzindo um excesso de gravidade. Tal excesso de gravidade é o que estaríamos atribuindo à ação da Matéria Escura.

Não confunda Energia Escura com Matéria Escura. A Energia Escura é uma energia, cuja fonte não conhecemos,  responsável pela aceleração da expansão do Universo. Há alguns anos atrás um grupo de pesquisadores do Observatório Nacional e o Planetário realizaram uma palestra que abordou uma inciativa internacional para pesquisa da Energia Escura e outros tópicos.

Um grupo de astrônomos comparou a observação de lentes gravitacionais com as densidades de matéria comum prevista pela teoria da Gravidade Emergente para um conjunto de 33.613 galáxias (veja uma explicação sobre lentes gravitacionais aqui). A comparação entre as densidades superficiais de massa observadas e as previstas pela teoria mostraram grande concordância, e esse foi o primeiro teste favorável à teoria.

Mas, como os próprios autores do trabalho dizem bem no começo do trabalho:

“Apesar dessa performance ser notável, esse estudo é apenas um primeiro passo. Mais avanços tanto no campo teórico como no dos testes observacionais da teoria da Gravidade Emergente são necessários antes dela ser considerada uma teoria completamente desenvolvida e solidamente testada.”

Esse foi, portanto, um ponto para a teoria, mas ainda estamos muito longe de podermos descartar a Matéria Escura. Ela ainda encontra-se nas bases de nossa atual compreensão do Universo.

Leia Mais:

Artigo original (em inglês):

First test of Verlinde’s theory of Emergent Gravity using Weak Gravitational Lensing measurements : https://arxiv.org/abs/1612.03034https://arxiv.org/pdf/1612.03034v2.pdf

Críticas à Gravidade Emergente (em inglês):

Why gravity can’t be entropichttp://motls.blogspot.com.br/2010/01/erik-verlinde-why-gravity-cant-be.html

Once more: gravity is not an entropic forcehttp://motls.blogspot.com.br/2011/08/once-more-gravity-is-not-entropic-force.html

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Coluna do Astrônomo

26 anos observando o céu

24 de abril de 1990. Uma revolução na Astronomia estava para começar. O responsável por ela seria o Telescópio Espacial Hubble, lançado para orbitar a Terra a uma altura de aproximadamente 600km e observar o céu livre da interferência da atmosfera, suas imagens surpreenderam o mundo astronômico.

No início, um erro na construção do sistema ótico, deixou-o míope (quem sofre deste mal, como eu, sabe como isso é incômodo). As imagens não tinham nitidez e eram borradas. Somente em 1993 uma missão para consertá-lo foi enviada. E foi um sucesso!

Passado esse tempo “nebuloso”, o Hubble fez a festa dos astrônomos. As imagens geradas por ele não tinham precedentes na história astronômica. Ele é, com certeza, o maior meio de divulgação da Astronomia de todos os tempos!

Mas falemos um pouco das suas imagens e descobertas (são muitas e vamos citar apenas algumas delas).

No campo da Cosmologia talvez a imagem mais significativa que o Hubble obteve foi a do Campo Profundo. Em uma pequena região, onde não se observava nada, o Hubble nos revelou cerca de 3.000 galáxias, cada uma com bilhões e bilhões de estrelas. Galáxias grandes, pequenas, com e sem formas definidas. O telescópio também observou as galáxias mais distantes, nos mostrando um Universo muito antigo, com 13,7 bilhões de anos (quanto mais distante está o objeto, mais no passado estamos vendo-o).

Na ciência planetária o Hubble conseguiu ver o nascimento de estrelas e planetas. Na Nebulosa de Órion, por exemplo, 700 estrelas jovens, em diversos estágios de sua formação, com discos planetários, foram alvo do telescópio. Os discos de poeira que sobraram da formação das estrelas dão origem aos planetas e o Hubble deu muitas pistas para aumentarmos o conhecimento da formação destes astros.

Na ciência das galáxias o Hubble acompanhou as explosões de supernovas que expeliam grandes quantidades de radiação em raios gama. Como sobra destas explosões, estrelas de nêutrons e buracos negros são formados. Inúmeras imagens de galáxias em colisões foram detecdadas com detalhes inimagináveis. A galáxia de Andrômeda foi vasculhada e contribuiu para desvendarmos como se dá o processo de canabalismo galático, quando uma grande galáxia engole outras menores.

Na próxima década o Hubble será aposentado e novos telescópios ocuparão o seu lugar. Temos muito que agradecer a ele.

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Quando maior é melhor

 

Na antiguidade, os maiores e mais fortes sempre impuseram a sua vontade. Isto mudou com a invenção da pólvora pelos chineses. Porém, na construção dos telescópios, a máxima de quanto maior for seu instrumento melhor a qualidade da imagem ainda prevalece.

Acredita-se hoje que o pioneiro na construção de telescópios tenha sido o óptico holandês Hans Lipperhey. O seu instrumento era bem simples e tinha fins militares, sendo considerado segredo de estado. A vantagem conseguida por um navio ao saber com antecedência da chegada de uma embarcação próxima à sua permitiria ao comandante avaliar a melhor estratégia de combate ou uma retirada rápida.

Galileu Galilei, ao tomar conhecimento da existência de um instrumento que permitia ver mais distante, passou a tentar produzir seu próprio. Em 1609, após algumas tentativas, construiu seu telescópio refrator, com o qual inicia estudos sistemáticos do céu, levando a enormes mudanças conceituais sobre o conhecimento astronômico.


Diversos astrônomos construíram seus instrumentos e, com isto, a visão antiga de Mundo precisou ser mudada e continua até hoje trazendo novas luzes sobre a origem e a evolução do Universo.

Atualmente, as lentes desenvolvidas para os telescópios são substituídas por espelhos, uma vez que aquelas possuem uma limitação quanto ao tamanho. Lentes com mais de um metro de diâmetro são praticamente impossíveis de serem utilizadas em telescópios devido ao peso excessivo, causando torções nos tubos que as prenderiam.

Os espelhos dos grandes telescópios atuais também sofrem com o problema de peso, com a vantagem da luz não passar por eles, mas apenas refleti-la. Esta característica permite que espelhos mais finos possam ser produzidos, acoplados a uma base que possuem atuadores que corrigem qualquer tipo de torção provocado pelo peso do material. A correção por meio de atuadores na superfície de contato do espelho é a forma mais básica de correção de imagens. Esta técnica é chamada de óptica ativa.

Com a utilização da óptica ativa, espelhos enormes passaram a ser produzidos. Como exemplo, podemos citar os espelhos do VLT do Observatório Europeu do Sul, no Chile. Cada um possui 8,2 metros de diâmetro e apenas 20 centímetros de espessura. Repousando sobre uma série de atuadores, controlados por computadores, permite uma precisão da ordem de nanômetros em seu formato.


Apesar da precisão incrível na forma dos espelhos, a óptica ativa não consegue solucionar todos os problemas ópticos a que uma imagem está sujeita. Outro problema surge independente e mais complexo que distorções mecânicas: a atmosfera.

A perturbação causada pela atmosfera é muito familiar a qualquer observador do céu. A cintilação das estrelas parece um efeito mágico fazendo o céu parecer um ser animado, atraindo a nossa atenção, maravilhando-nos. Mas, tudo tem o seu preço. O cintilar faz com que as imagens capturadas pelos detectores acoplados aos telescópios sejam pequenos borrões não pontuais, como desejado. Objetos extensos, como galáxias e nebulosas, ficam com baixa resolução, ou seja, os detalhes interessantes do objeto se misturam formando um borrão que não permitirá apreciar todo seu esplendor.

O problema: como corrigir a atmosfera com seu comportamento aleatório? Alterações na velocidade do vento nas camadas superiores da atmosfera misturam células de ar com diferentes temperaturas e densidades de vapor de água. O raio de luz passa por regiões atmosféricas com índices de refração diferentes modificando a sua trajetória inicial, fazendo-o chegar em regiões diferentes do detector, borrando a imagem.

A solução: óptica adaptativa! A melhor forma de corrigir um problema é saber suas causas e seu comportamento e, a partir daí, encontrar uma solução. A óptica adaptativa é a grande maravilha dos instrumentos localizados em terra (não podemos esquecer que os telescópios espaciais não sofrem estes problemas, mas o custo é muitas vezes maior).

Esta técnica produz, utilizando um projetor laser, uma estrela artificial nas camadas superiores da atmosfera, próximo do objeto de interesse. Sensores utilizam a imagem desta falsa estrela para medir as distorções atmosféricas. A imagem da falsa estrela é corrigida e as informações são repassadas a um espelho que vibra centena de vezes de modo a corrigir a imagem do objeto de estudo influenciada pela turbulência atmosférica. O efeito atmosférico está corrigido!


A óptica ativa, permitindo construir espelhos maiores e mais finos, combinado com a óptica adaptativa, que corrige as alterações provocadas pela atmosfera permite a construção de telescópios gigantescos, correto? Sim e não. Teoricamente sim, pois poderíamos construir telescópios com as dimensões que desejássemos; na prática não é bem assim, porque os custos envolvidos são grandes.

Com as crises financeiras, alguns países diminuíram a verba para a Ciência e a Tecnologia. Isto levou os pesquisadores a buscar alternativas para aumentar cada vez mais o tamanho dos instrumentos.

Uma técnica utilizada há muito tempo para os radiotelescópios foi adaptada para os telescópios ópticos – a interferometria.

A ideia por trás da interferometria é pegar dois ou mais instrumentos e combinar as informações recebidas individualmente de modo que o resultado seja equivalente ao de um único instrumento de diâmetro muito maior que o dos dois juntos. No caso dos radiotelescópios, os pesquisadores brasileiros do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) utilizam este método para estudar amplificações de micro-ondas (MASERs) de água e hidroxilas em nebulosas próximas juntamente com pesquisadores chineses, sendo um dos instrumentos o radiotelescópio de Itapetinga – SP e o outro na China.

Na interferometria óptica, a luz do objeto é coletada individualmente e canalizada por meio de fibras ópticas para laboratórios, de modo a ser combinada e sua onda ampliada, resultando em imagens de altíssima resolução.

Citado anteriormente, o VLT demonstra o sucesso desta técnica. Os quatro telescópios de 8,2m e mais quatro menores de 1,8m são combinados de modo a funcionar como um único telescópio de 130m de diâmetro. Um exemplo de utilização é a observação de detalhes de estrelas binárias cerradas com uma resolução até 50 vezes superior a do telescópio espacial Hubble. Nesse caso, foi possível até observar as deformações causadas pela proximidade das estrelas componentes.

Com estas três técnicas observacionais novos desafios aparecem. Nossa visão do mundo amplia-se cada vez mais, aumentando a necessidade de novos pesquisadores e cientistas para trabalharem as informações contidas em nosso Universo.

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Um Pouco de Cosmologia

Introdução

Imagine-se deitado na relva em uma agradável noite de outono. O céu está claro e, por sorte, é noite de Lua Nova. Quantas estrelas você veria? Com sorte, algo em torno de 6.000 (não que eu já tenha tido a paciência de contá-las). E já sabemos que cada uma delas é, por assim dizer, única e insubstituível; se não em cor e intensidade de brilho, propriedades intrínsecas, pelo menos em localização aparente e distância. E são as distâncias que as separam de nós as responsáveis por uma peculiaridade às vezes esquecida: vemo-nas como eram no passado.

Cada estrela que vemos é uma janela que se abre para o pretérito. E a exata época que vislumbramos nos é dada diretamente por sua distância, se medida em anos-luz (ou qualquer outra unidade do tipo “tempo”-luz. O Sol, por exemplo, está a oito minutos-luz de nós, portanto o vemos como era há oito minutos). Assim, podemos perscrutar o longínquo passado do Universo. Mas o que é o Universo?

Por sua própria origem, a palavra universo quer dizer “tudo junto”, “o todo”. Vem do latim, unus, um, e versus, particípio passado de vertere, girar. Seria, então, “aquilo que gira como um” (para os antigos, os objetos celestes giravam em torno da Terra). Esta definição é bastante importante para escaparmos de conceitos estranhos como “universo paralelo” e outros afins. Qualquer nova descoberta, física ou astronômica, teórica ou observacional, faz parte do Universo, pois ele é tudo. Só porque desconhecemos a existência de algo não podemos excluí-lo do Universo, uma arrogância sem tamanho.

Mas, lembre-se, estamos vislumbrando as estrelas. E se problemas semânticos sobre a palavra universo nos assolam, são logo deixados de lado. Mas se o Universo é tudo, e existe desde sempre, por que o céu noturno não nos aparece totalmente iluminado? Sim, pois sabemos que a luz das estrelas leva um certo tempo para nos atingir, seja ele 8 minutos ou 12 bilhões de anos. E se o Universo sempre existiu, por mais distante que as mais distantes estrelas se encontrem, sua luz chegaria até nós. Estrelas há muito extintas, muito mais velhas que a mais velha das estrelas conhecidas, nos brindariam com sua luz ainda hoje. E, portanto, estaríamos recebendo luz de todos os pontos de nosso céu. A noite seria clara como o dia. Mas isso não acontece. Este argumento é conhecido como paradoxo de Olbers, em homenagem ao astrônomo alemão Heinrich Olbers, o primeiro a ponderar sobre o assunto em 1823. Ele nos leva, por simples caminhos lógicos, a cogitar que o Universo teve um início, não existiu desde sempre.

Junte-se a este fato a descoberta de Edwin Hubble, sobre o afastamento das galáxias, e podemos começar a imaginar como teria sido esta origem. O início teria se dado em uma região bastante limitada, que se expandiu e se expande até os dias de hoje. Mas o que está se expandindo, afinal? Os componentes do Universo ou o Universo em si? A sutil diferença entre um caso e outro é que, no primeiro caso, estaremos admitindo um Universo vazio como palco dos acontecimentos astronômicos. Um vácuo infinito que, a partir de uma região densamente preenchida não se sabe como, serviu de cenário para a expansão de seus componentes. A segunda hipótese é mais plausível, apesar de (ou por causa de) sua maior complexidade. O Universo em si se expande, levando consigo seus constituintes. Assim, no início, o Universo era algo muito pequeno e denso.

Finito e Ilimitado

Então o Universo teve um início. Se teve início, deve ser finito. Sim, pois admitir que algo que foi criado possa ser infinito remete ao problema anterior: a expansão dos componentes sobre um Universo vazio. Precisaríamos admitir a hipótese da criação de matéria a partir de nada. E, mais uma vez, se assim fosse, não precisaríamos arbitrar um início ao Universo, além de termos que reformular todas as teorias de formação estelar. (No início da Cosmologia, postulou-se a tese do Universo estacionário, que se expandia mas via-se preenchido por novos componentes, criados do vácuo, que serviam para manter-lhe a densidade constante. Novamente, esbarramos no estranho conceito da criação espontânea de matéria.)

O Universo é finito. Mas, por sua própria definição, não pode ter limite. A teoria de expansão comumente nos impõe uma idéia de explosão, popularizada pelo termo Big Bang, “Grande Bum”. (Geralmente, o termo Big Bang é traduzido como “grande explosão”. Mas se levarmos em conta que foi cunhado em 1948, pelo astrônomo inglês Fred Hoyle, como uma troça à recém-lançada teoria de criação e evolução do Universo, vemos que “grande bum” faz maior justiça ao seu significado histórico.) E a esta explosão geralmente se seguem imagens apoteóticas de uma bola de energia se expandindo com velocidade, sendo seu interior o Universo, e seu exterior o Nada, esperando o momento de criação.

E se pudéssemos viajar a velocidades sequer imaginadas? Qualquer direção que tomássemos nos levaria, cedo ou tarde, a esta fronteira entre o Universo já feito e o “Universo em potencial”. E se atravessássemos este limite? Morreríamos, é claro, entrando na não-existência. Mas morreríamos sabendo que existe algo, um nada absoluto, além do Universo. O que conflita com nossa primeira definição. Então, não pode existir esta fronteira. O Universo não pode ter um limite.

O Universo é finito e ilimitado. Não é uma contradição? Não. Tomemos a superfície da Terra como exemplo. Ela é finita, obviamente. Se considerarmos um raio médio de 6.400km para o nosso planeta, sua superfície teria 515.000.000km², ignorando-se as inomogeneidades de morros, montanhas, vales e depressões. Tem um tamanho mensurável. É finita. Porém, é ilimitada. Caminhando-se por sobre ela, jamais encontraremos uma fronteira que nos force a abandoná-la. Não há limite. Assim como no Universo.

Há, porém, uma sutil diferença. Na superfície da Terra, temos apenas dois graus de liberdade. Atingimos qualquer ponto se combinarmos sucessivos movimentos do tipo “norte-sul” e “leste-oeste”. Ou, ainda, qualquer ponto nela será inequivocamente caracterizado através de duas grandezas, duas quantidades, dois valores: latitude e longitude. Dizemos que a superfície da Terra tem duas dimensões. (Em nossa linguagem coloquial, uma superfície sempre tem duas dimensões. É isso que a define como tal, diferenciando-a de uma linha, uma dimensão, ou sólido, três dimensões. Em Cosmologia, este conceito é mais amplo.)

Por ter apenas duas dimensões, é fácil vê-la “fechada”, isto é, finita e ilimitada. Basta imaginá-la inserida em um espaço de três dimensões. De fato, nem imaginar precisamos, pois todos sabemos que a Terra realmente flutua no espaço e que este possui três dimensões (para caracterizarmos um ponto específico da órbita de um satélite precisamos de três quantidades, por exemplo a latitude e a longitude de um ponto na Terra acrescidas da altitude em que o satélite se encontra acima deste ponto). Mas como imaginar um espaço de três dimensões finito e ilimitado, fechado em torno de si mesmo? Basta imaginá-lo curvando-se em direção a uma quarta dimensão!

A Quarta Dimensão

O que é a quarta dimensão? Alguns mais afoitos podem dizer que é o tempo, e não estariam errados. Mas lembre-se de que a Terra existe no tempo, fazendo de sua superfície algo tridimensional (se quisermos encontrar um navio, devemos saber sua latitude, longitude e a que horas foram calculadas), assim como o espaço passa a ter quatro dimensões (precisamos saber a que horas o satélite passará por sobre o determinado ponto da Terra), também chamado de espaço-tempo. Assim, vemos que o tempo não é a dimensão que precisamos. Precisamos de uma dimensão puramente espacial, como as três que já conhecemos. Ou não.

Veja bem, o Universo precisa curvar-se em uma direção que não é nenhuma das três que conhecemos (basicamente “direita-esquerda”, “frente-trás” e “em cima-embaixo”). O que não quer dizer que esta dimensão exista de fato (a discussão sobre sua existência chega a ser esotérica, pois nosso cérebro tridimensional não chega sequer a compreendê-la, quanto mais visualizá-la, sendo-nos relegado apenas o artifício das comparações como esta que estou fazendo: uma superfície fechada de duas dimensões precisa de uma terceira para existir, assim como uma de três precisa de uma quarta). Esta quarta dimensão pode ser apenas um artifício topológico (Topologia é a ciência que estuda a forma dos espaços matemáticos. Pode ser vista como uma interface entre a Cosmologia, puramente preocupada com a física dos fatos astronômicos, e a Geometria Diferencial, ramo da Matemática que estuda em detalhe estes espaços).

O que é um artifício topológico? Imagine uma daquelas telas de computador (ou televisão ou um daqueles telões publicitários) onde vemos uma mensagem constante, atravessando-a transversalmente. “Viva a vida”, digamos. O primeiro “V” aparece à direita do monitor, vão aparecendo as outras letras, a frase passeia por toda a tela e começa a morrer na extremidade oposta. Quando o último “a” já se está indo, vemos novamente o “V” surgir do lado direito. A tela tem duas dimensões, e a frase só reaparece do lado direito porque um programa interno identifica as extremidades.

Uma pessoa que nunca tivesse visto uma televisão poderia imaginar que ali dentro estava um cilindro com a inscrição “Viva a vida”. Ao girar, este cilindro faria a frase sumir de um lado da tela e reaparecer, logo depois, do lado oposto. Sendo o lado de um cilindro uma superfície bidimensional fechada, já sabemos que ele só pode existir em três dimensões. Assim, podemos explicar o que acontece em nossa tela admitindo a existência, de fato, de uma dimensão mais elevada, no caso, a terceira (o cilindro). Ou podemos utilizar um artifício topológico (a terceira dimensão não existe, na tela, mas suas extremidades estão identificadas entre si, de modo que o que desaparece de um lado aparecerá do outro).

Agora podemos entender porque a quarta dimensão não precisa existir, apesar de ser fundamental para a compreensão de um Universo finito e ilimitado. E podemos entender, também, para onde se dá a expansão do Universo. Pois se a lei de Hubble nos garante que todas as galáxias estão se afastando, sempre poderíamos atribuir este movimento a uma velocidade intrínseca a cada uma delas. “Elas se afastam porque estão vagando pelo Universo, e o fato de que nossa galáxia parece ser o ponto do qual todas fogem, o centro, apenas prova nossa importância no Universo.” Quanta presunção.

Imagine um balão de gás com pequenos botões costurados à sua superfície. Esta superfície é o Universo em questão e os botões nela contidos são as galáxias. Ao inflarmos o balão, o Universo se expande. Os botões, apesar de imóveis, ficam cada vez mais longe entre si. E cada botão vê todos os outros se afastando, julgando-se o centro deste Universo. Mas para nós, criaturas de três dimensões, é muito simples perceber verdades obscuras deste universo bidimensional. Seu centro se encontra dentro do balão (fora do Universo, então, que é só a superfície). E sua expansão se dá rumo à terceira dimensão. Assim, no Universo, todas as galáxias se vêem afastando-se umas das outras, quando na verdade todas estão imóveis (há um movimento próprio e individual, é verdade, mas ele não ofusca este afastamento geral).

O centro do Universo está fora dele, e aqui precisamos ter cuidado para não cairmos vítimas de nossas próprias armadilhas. Ao fazermos tal declaração, não estaríamos admitindo algo (um ponto hipotético que seja) além do Universo, destruindo a premissa de que tudo o que existe faz parte dele? Não necessariamente. Voltemos ao universo do balão de gás (já que só podemos tratar a quarta dimensão através de analogias). Ele é, por nossa própria definição, bidimensional. Tudo o que existe em sua superfície já faz parte dele, sendo conhecido ou não por seus eventuais habitantes. Mas o centro está na terceira dimensão, que a priori não faz parte do universo. Assim, se admitirmos que o centro do Universo se localiza na quarta dimensão, ela existindo ou não, não estamos ferindo nossas próprias definições iniciais.

A Grande Explosão

Já sabemos, então, que o Universo é tudo o que existe. É finito, ilimitado e se expande rumo a uma quarta dimensão, que pode ser apenas um artifício topológico. E teve uma origem. É desta origem que queremos tratar, agora.

Retroagindo a expansão, chegamos a um Universo diminuto, extremamente denso e quente. Muito quente. Sua enorme temperatura sugere uma estrutura bastante mais simples do que a atual. Na pior das hipóteses, podemos imaginar que todas as estruturas atômicas que hoje conhecemos não existiam, restando um caldo caótico de partículas elementares. Mas a desestruturação do Universo ia mais além: a própria energia se confundia com a matéria, coisa que não observamos nos dias de hoje. Em nossos tempos, matéria é matéria e energia é energia, embora ambas se relacionem através da famosa fórmula E=mc² , onde E é a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz. Assim, no Universo jovem, matéria e energia comportavam-se quase que como uma única entidade.

Normalmente, a equação descrita acima, devida a Einstein, mostra como transformar massa em energia, fato presenciado nos dias atuais (a própria energia vem da matéria, através de reações atômicas). Mas no início do Universo, ocorria o inverso, pela simples razão de que o “aspecto” energia desta estranha entidade mista predominava: criava-se matéria a partir da energia. A súbita criação deste novo constituinte provocou uma expansão violenta: o Big Bang.

Um detalhe curioso deste processo é que a matéria sempre surge em pares de partículas opostas (nos laboratórios modernos faz-se o inverso: partículas opostas são juntadas, aniquilando-se e, no processo, gerando energia). Algumas partículas são conhecidas por muitos, por exemplo o elétron e o próton. Suas partículas opostas possuem massa de igual valor, mas carga elétrica trocada. Assim, a partícula oposta ao elétron é o antielétron, ou pósitron (previsto teoricamente em 1930, descoberto em 1932). O próton é aniquilado pelo antipróton e assim por diante. Estas partículas opostas formam o que se convencionou chamar de antimatéria. O fato de não a encontrarmos hoje livre na natureza não afeta sua plausibilidade, apesar de ser um calcanhar de Aquiles no modelo do Big Bang como foi inicialmente proposto (afinal, ele previa a criação de uma quantidade exatamente igual de matéria e antimatéria). Talvez existam regiões de antimatéria em nosso Universo (ou “universos de antimatéria” como gostam os mais alarmistas). A fronteira entre uma região e outra seria uma apoteótica aniquilação constante, uma eterna guerra pela existência. Estranhamente, nada disso foi sequer detectado.

Mas o Universo não começou aqui. Se voltarmos no tempo ainda mais, poderemos vislumbrar fenômenos ainda mais peculiares. (Lembre-se: estamos trilhando o caminho que fizeram os cosmólogos, partindo do Universo atual e voltando no tempo. A compressão e o decorrente aumento de temperatura já resultou em um caldo de matéria-energia. É natural que uma maior compressão resulte em fenômenos ainda mais estranhos, só obtidos teoricamente através de respostas a equações matemáticas – nunca de experimentos de laboratório.) Antes do Big Bang, mas agora já estamos no limiar do início de todas as coisas – um microssegundo após a origem do próprio espaço-tempo -, houve um período denominado de inflação.

Antes do Antes

O modelo teórico do Universo inflacionário, que vem complementar e atualizar a teoria do Big Bang, nos diz que num período de tempo absolutamente ínfimo, o Universo cresceu numa escala impressionante. Seria como se um ponto, o ponto final desta frase, atingisse o tamanho do grupo local de galáxias em menos de um piscar de olhos (este sim seria um Big Bang, mas por não haver matéria neste Universo primitivo, não se associa esta violenta expansão a uma explosão).

A inflação explica a assimetria entre matéria e antimatéria (o que é fundamental ao menos para começar o processo de expansão, pois no modelo do Big Bang não se conseguia explicar porque as partículas e antipartículas deixavam de se aniquilar para provocar a grande explosão). Como este modelo está baseado no que se chama de Teoria da Grande Unificação (GUT, da sigla em inglês), ele pressupõe uma equivalência entre as quatro forças existentes no Universo: gravitacional, eletromagnética, fraca e forte (estas duas últimas atuam nos núcleos dos átomos). E quando dizemos equivalência não queremos dizer que uma tem o mesmo valor do que a outra. Uma é exatamente a outra, não há diferença entre elas (a mais famosa unificação se deu entre a força elétrica e a força magnética, aparentemente distintas mas provenientes da mesma fonte). Nesta escala de tamanho, algo inacreditavelmente pequeno, estas forças são uma só, que é regida pela Mecânica Quântica. E flutuações quânticas no meio – uma densa sopa de energia-matéria conhecida por falso vácuo – poderiam provocar a diferença na quantidade de matéria e antimatéria existentes no Universo.

O termo correto para este fenômeno é quebra de simetria, mas há de se ter cuidado, pois esta simetria não se refere ao par matéria-antimatéria. Lembre-se de que estamos estudando os instantes antes do Big Bang. Não há matéria nem antimatéria neste estágio do Universo, apenas um meio permeado por um campo de força (não confundir com o “campo de força” usado em ficção científica. Este aqui é um campo da única força existente, semelhante em aspecto ao campo de força gravitacional que conhecemos tão bem). Esta misteriosa simetria – a palavra em si usada por físicos na falta de um termo melhor – é uma propriedade intrínseca do constituinte básico do Universo (quer em seu aspecto de matéria ou de energia).

E antes da inflação? Não há sentido na pergunta. O Universo, e com ele o espaço e o tempo, começaram ali, com um brevíssimo período de inflação, seguido pelo surgimento da matéria e da antimatéria, pela expansão e conseqüente resfriamento de tudo. Falar de antes da criação do tempo é como falar de algo ao norte do pólo norte. Não faz o menor sentido (apesar de ser muito mais fácil entender a analogia geográfica do que o caso cosmológico).

O Fim do Universo

Se não podemos mais avançar em nosso retorno ao passado, pois ele já não mais existe além deste ponto, vamos nos voltar para a direção oposta: o futuro. Como será o futuro do Universo? Ele vai se expandir indefinidamente? É possível. Este seria o chamado Universo aberto. Se a energia cinética da expansão, positiva, for maior do que a energia de atração gravitacional, negativa, o Universo nunca deixará de crescer. Este é um Universo de energia total positiva (calculada no momento do Big Bang ou agora; tanto faz pois ela é constante). Mas este Universo apresentaria uma curvatura negativa, como uma sela de cavalo (na direção longitudinal, ao longo do dorso, a sela se curva para cima. Já na direção transversal, a sela se curva para baixo). E isso o torna infinito, o que conflita com nossas definições anteriores.

Se a energia total do Universo for negativa, temos um Universo fechado, que se expande até um limite para então contrair-se, retornando ao ponto inicial onde tudo teve início. Este Universo apresenta curvatura positiva, como uma superfície esférica, que se curva para o mesmo lado em todas as direções. Pode, portanto, ser finito em tamanho. É este o modelo preferido pelos cosmólogos. Infelizmente, a matéria observada é aproximadamente 25 vezes menor do que o necessário para justificá-lo. Introduziu-se, então, a matéria escura, que nada mais é que uma espécie de matéria que não emite radiação em nenhum comprimento de onda. Esta matéria, predominante no Universo, seria a principal responsável pelo seu fechamento.

O que aconteceria após o colapso total do Universo é exatamente o que aconteceu antes de sua criação. Se é que este colapso é total. Do mesmo modo que só postulamos a teoria da inflação a partir de um tempo ínfimo, podemos parar o colapso um instante antes do fim. E por que não, a partir daí, considerar o recomeço de tudo? Uma nova inflação seguida, novamente, por um Big Bang. Muitos físicos privilegiam esta visão, o Universo oscilante, por motivos filosóficos. Ela escapa do conceito de uma criação original, fugindo habilmente da figura do criador (ou, se preferir, Criador).

Conclusão

Temos um modelo de Universo fechado, gravitacionalmente amarrado por matéria (escura ou não), finito e ilimitado que se expande. Seus limites temporais, início e fim, são muito semelhantes. Não há sentido em ir além de um ou outro. Mas lembre-se: isto é um modelo. Um mapeamento teórico. E o mapa nunca é o território em si. 

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Nem Big Nem Bang

O paradigma científico a respeito do Universo jovem atende por um nome bastante sugestivo: Modelo do Big Bang . Sua semente foi plantada pela equação de Einstein, colhida na árvore da Relatividade Geral. Esta equação prevê um Universo dinâmico (algo que até o próprio Einstein duvidou, mas isso por si só seria o assunto de um artigo inteiro!).

O solo que abrigou a semente foi arado por vários teóricos, notadamente o russo Alexander Friedmann. Mas foram as observações do astrônomo americano Edwin Hubble, que em 1929 constatou que o Universo estava em expansão, que tornaram fértil o solo.

Na década de 40 do século passado, a idéia em si germinou na mente do cientista George Gamow. Ele argumentou, muito logicamente, que se o Universo estava em expansão, no passado ele teria sido muito menor. Se todos os seus constituintes estavam concentrados em um espaço menor, a pressão e a temperatura do Universo antigo eram muito maiores do que são hoje. As condições ambientais eram completamente diferentes, permitindo a ocorrência de processos que hoje não vemos. Por exemplo, a transformação espontânea de matéria em energia e vice-versa.

O grande opositor desta idéia foi o astrônomo inglês Fred Hoyle. Para ele, a pedra fundamental da Cosmologia (o Princípio Cosmológico que diz que o Universo é homogêneo e isotrópico, ou seja, igual em todos os pontos e em todas as direções) deveria ser aplicada também para o tempo, e não somente para o espaço. Para Fred Hoyle, o Universo deveria ser igual em todos os instantes de tempo. Assim, Hoyle criou um modelo de Universo que estava sempre em expansão, mas onde novas galáxias surgiam do nada para preencher os vazios deixados pelas galáxias que se afastavam entre si. Como essas galáxias eram criadas, Hoyle não conseguiu explicar.

Para Gamow, o Universo era, no passado, bem menor do que é hoje, e muito mais quente. Para Hoyle, o Universo sempre foi como é hoje. Tentando desacreditar Gamow, Hoyle cunhou um apelido pejorativo para a teoria concorrente: Big Bang. Para o seu desgosto, o nome caiu no gosto popular e é usado até hoje. Mas isso, além de irônico, induz ao erro: um Universo muito menor não deveria ser chamado de Big. E, claro, se não havia matéria como a conhecemos, não pode ter havido barulho; não pode ter havido um Bang.

Em português, costumamos traduzir a expressão como “Grande Explosão” (o certo seria usarmos uma onomatopéia, como Hoyle: “Grande Bum”). E, claro, o que ocorreu no passado não foi nem grande nem explosão.

Independentemente da semântica, o conceito proposto por Gamow caiu no gosto popular por conciliar a crença de que o Universo surgiu a partir de um determinado instante (e era isso o que mais desagradava Hoyle). As escrituras sagradas, de diferentes religiões, pareciam ter agora o aval da ciência.

De fato, durante muito tempo a ciência entendeu o instante do Big Bang, o início da expansão do Universo, como o momento inicial, como a criação de tudo o que existe. Uma das perguntas mais difíceis de serem respondidas, especialmente para o público leigo, era “o que havia antes do Big Bang?” Na visão clássica, não há sentido em falar em “antes do Big Bang”. O Big Bang é o início do Universo e, portanto, é o início do espaço-tempo. Não há antes, pois não há tempo.

O exemplo clássico e imediato convida o leitor a pensar em um ponto geográfico na superfície da Terra que esteja ao Sul do Pólo Sul. Não existe. Se alguém está no Pólo Sul, só há uma direção possível: o Norte. Se alguém está no instante do Big Bang, só há uma direção temporal possível: o futuro. Não há antes do Big Bang. Só depois.

O avanço da Física e da Astronomia começa a derrubar este argumento lógico. Hoje já não podemos afirmar que o Big Bang seja o instante da criação do Universo. Não há dúvidas de que é o instante inicial da expansão. Podemos dizer que é o instante inicial desta fase do Universo que estamos vivendo. Se houve algo antes disso, só podemos especular.

Há cenários que pregam que realmente o Big Bang é o início de todas as coisas. Há hipóteses que defendem que o Universo é cíclico, expandindo-se e contraindo-se infinitas vezes. Se estamos agora em uma fase de expansão, é porque antes dela o Universo se contraiu. E há idéias das mais selvagens, misturando outras dimensões, defendendo a existência de outros Universos.

Qual dessas novas idéias está certa, se é que alguma está certa? Não sabemos. E ainda não temos como saber. Por isso mesmo é tão importante que as idéias continuem surgindo. Vivemos, sem sombra de dúvidas, em tempos interessantes.

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Coluna do Astrônomo

Cosmologia

Quando estudamos as galáxias, vemos que elas se afastam umas das outras, uma constatação da década de 10, que em 1929 foi formalizada matematicamente pelo astrônomo americano Edwin Hubble, ficando conhecida como Lei de Hubble. Até então, julgava-se que o Universo fosse algo estático em larga escala, o que equivale a dizer que, apesar de todos os movimentos em seu interior (desde a Lua girando ao redor da Terra a rotação das grandes
galáxias), o Universo em si não se alterava. Este modelo, Universo Estático, chegou a ser privilegiado, em 1916, por Albert Einstein em sua Teoria da Relatividade Geral (as equações encontradas por Einstein não confirmavam esta idéia; por isso ele, arbitrariamente, criou a chamada constante cosmológica, que, somada ao resultado final de sua equação, resultava em um universo desprovido de movimento global. Anos mais tarde, o próprio Einstein admitiu ter sido este o maior erro científico de sua vida).

Este afastamento geral das galáxias concordava com as soluções que o astrônomo holandês Willem de Sitter (e depois dele, com soluções mais completas, o matemático russo Alexander Friedmann) havia encontrado para as equações de Einstein, sem a constante cosmológica, em 1917. Porém, a noção de que o Universo deveria sempre se apresentar como o vemos hoje, fez surgir um modelo conhecido como Universo Estacionário, proposto pelo astrônomo Fred Hoyle, em 1948. Este universo admitia o afastamento das galáxias, acrescentando a este fato comprovado a criação de novas galáxias (e matéria em geral). Assim, apesar de as distâncias entre as galáxias aumentarem sempre, devido ao afastamento, seu aspecto permanecia imutável. Daí seu nome. O modelo do Universo Estacionário foi descartado, pois uma de suas bases, a criação de matéria a partir do nada, nunca conseguiu ser explicada.

Antes disso, em 1927, o astrofísico belga Georges-Henri Lemaitre concluiu que a expansão do Universo significava que, em seus primórdios, este mesmo Universo era muito menor. Se voltássemos suficientemente no tempo, chegaríamos a uma época onde o tamanho do Universo seria tão pequeno que toda a sua matéria constituinte sofreria uma incrível pressão (a uma altíssima temperatura). Lemaitre chamou este corpo muito pequeno de ovo cósmico. As leis da física seriam bastante diferentes sob estas condições extremas, o que possibilitaria a criação de matéria a partir da energia (de acordo com a Teoria da Relatividade, energia – E – e massa – m – são equivalentes; E=mc2, onde c é a velocidade da luz).

Em 1948, contemporaneamente ao modelo de Hoyle, George Gamow, físico americano, sugeriu que este ovo primordial teria iniciado sua expansão de forma violenta, como em um estouro. Este modelo cosmológico, o mais famoso, é conhecido por seu nome em inglês, Big Bang (“Grande Bum”, um nome cunhado pelo próprio Hoyle como uma forma de desacreditar esta idéia).

A credibilidade deste modelo é reforçada por algo conhecido como radiação de fundo, detectada pela primeira vez em 1964 pelos físicos norte-americanos Arno Penzias e Robert Wilson. Para onde quer que se aponte um radiotelescópio, sempre se ouvirá um ruído. Este ruído, por existir em todo o céu, em todas as direções, é considerado o “eco” da grande explosão. Seu estudo, juntamente com a velocidade de afastamento das galáxias, permite estimar a idade de nosso Universo: algo em torno de 15 a 20 bilhões de anos. Mais recentemente, em 1989, entrou em órbita polar o satélite norte-americano Explorador de Fundo Cósmico (COBE, da sigla em inglês). Projetado para medir a radiação de fundo livre da influência de nossa atmosfera, ele confirmou sua existência em todas as direções.

E quanto ao futuro do Universo? Sua expansão se dará para sempre ou cessará algum dia? Isso depende da quantidade de matéria existente nele. A energia da explosão inicial, energia cinética, é contrabalançada pela energia de atração dos corpos, gravitacional. Se houver massa suficiente para que esta última seja maior do que a primeira, a expansão cessará e o Universo passará a se contrair, rumo a um fim muito semelhante ao seu início, conhecido como Big Crunch. Esta hipótese é conhecida como Universo Fechado. Mas se a matéria total do Universo não for suficiente para frear sua expansão, esta se dará para sempre. O Universo caminhará lentamente para um fim gelado, onde as galáxias estarão infinitamente distantes umas das outras. Este seria o Universo Aberto.

Infelizmente, não se observa matéria suficiente para corroborar o modelo do Universo Fechado. Para que ele funcione, seria necessária a existência de um tipo desconhecido de matéria que não pode ser observada, mas age gravitacionalmente. Outros problemas em Astronomia – como, por exemplo, a rotação de nossa galáxia – suscitaram a postulação de algo semelhante, que se denominou matéria escura. A existência de tal matéria – que devemos lembrar ser algo, por ora, estritamente teórico – confirma o Universo Fechado, sutilmente introduzindo uma simetria temporal (se há um início, deve haver um fim).

Por fim, existe um compromisso entre estes modelos, que admite a existência da matéria escura e, portanto, o Big Crunch, mas não concorda que este seja o fim de tudo. No Universo Oscilante, ou Universo Eterno, tudo é cíclico. A um instante do fim de todas as coisas, algum processo ainda desconhecido reverteria a contração, causando uma nova expansão (um novo Big Bang). Estaríamos todos em um eterno processo de criação e destruição.

Nos dias de hoje, não existem dados que privilegiem um ou outro modelo, obrigando físicos, astrônomos e matemáticos a trabalharem com todas as hipóteses possíveis (até mesmo as menos plausíveis). À medida que novos fatos são descobertos, através de observações aos longínquos confins do Universo ou de soluções matemáticas, mais detalhes são acrescentados aos modelos existentes.