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Big Bang

Big Bang – Teoria

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A teoria do Big Bang é a principal explicação sobre como o universo começou. Na sua forma mais simples, ele fala sobre o universo como o conhecemos começando com uma pequena singularidade, em seguida, inflar durante os próximos 13,8 bilhões de anos para o cosmos que conhecemos hoje.

A Teoria do Big Bang vem da teoria matemática e modelos.

De acordo com a teoria padrão, o nosso universo entrou em existência como “singularidade” em torno de 13,7 bilhões de anos atrás

Evidência para a Teoria

Quais são as principais evidências que suportam a teoria do Big Bang:

Primeiro de tudo, estamos razoavelmente certo que o universo teve um começo.
Em segundo lugar, as galáxias parecem estar se afastando de nós a velocidades proporcionais às suas distâncias. Isso é chamado de “Lei de Hubble”, em homenagem a Edwin Hubble (1889-1953), que descobriu esse fenômeno em 1929. Esta observação apoia a expansão do universo e sugere que o universo já foi compactado.
Em terceiro lugar, se o universo foi inicialmente muito, muito quente como o Big Bang sugere, devemos ser capazes de encontrar algum resquício desse calor. Em 1965, radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson descobriram um 2.725 graus Kelvin (-454,765 graus Fahrenheit, -270,425 graus Celsius) a radiação cósmica de fundo (CMB), que permeia o universo observável. Isto é pensado para ser o remanescente que os cientistas estavam procurando. Penzias e Wilson compartilhado no Prêmio Nobel de Física 1978 pela descoberta.
Finalmente, a abundância do “elementos leves” hidrogênio e hélio encontrado no universo observável são pensados para suportar o modelo do Big Bang das origens.

Big Bang – O ovo cósmico

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Em 1781, o astrônomo britânico autodidata Sir William Frederick Herschel descobriu o planeta Urano, o primeiro a ser descoberto desde os tempos pré históricos. Depois de mais de vinte anos de observação sistemática com os telescópios existentes, Herschel catalogou 2500 conglomerados de estrelas na galáxia da Via Láctea.

Nas décadas iniciais do século XX, com base no trabalho de Harlow Shapley e Robert J. Trumpler, chegamos à compreensão atual da Via Láctea. À medida que os astrônomos continuavam a mapear o céu, come çaram a perceber a incrível vastidão na qual vivemos, e também se deram conta da infinidade do universo em que vivemos. Só nesta galáxia existem cerca de 300 bilhões de estrelas. Além das estrelas e planetas existem no universo enormes nuvens de hidrogênio e poeira que os astrônomos ainda estão trabalhando em detectar e medir.

No ano de 1612, o astrônomo alemão Simon Marius, redescobriu uma área pálida no espaço remoto.

Ela passou a ser chamada de Nebulosa de Andrômeda: acreditava – se ser uma nuvem luminosa de gases e poeira na galáxia da Via Láctea.

O astrônomo Edwiun Powell Hubble, foi o pioneiro nos estudos sobre Andrômeda. Depois de se formar em matemática e astronomia em 1910 na Universidade de São Paulo, obteve Ph.D. em astronomia na Universidade de Chicago em 1917. Mais tarde foi trabalhar no Observatório Mount Wilson, na California, onde foi possível enxergar um vasto número de estrelas individuais de Andrômeda, que é o mais distante objeto visível a olho nú. Isto provou que a Nebulosa não consistia apenas de gases poeira e novas. Hubble descobriu ainda milhares de outras nebulosas que também eram galáxias.

Nos fins do século XIX, astrônomos e físicos começaram a desenvolver um método para determinar o movimento de aproximação ou afastamento das estrelas e outros corpos celestes com relação à Terra, conforme a luz percebida aqui na Terra. Embora a luz seja feita de fótons e o som de vibração do ar, ambos assemelham – se no aspecto de se apresentarem em comprimento de onda que podem ser metidos. Uma mudança na onda luminosa em direção ao vermelh ocorre porque a estrela está se afastando do observador na Terra.

Com essa informação de mudança do aspecto luminoso, Edwin Hubble fez sua Segunda descoberta da astronomia no século XX. Em 1927, combinando os estudos anteriores sobre o aspecto luminoso, Hubble descobriu que a mudança para o vermelho das galáxias em recessão aumenta proporcionalmente à distância com relação Terra. Em outras palavras, o universo está se expandindo e com as estrelas mais distantes se movendo mais rápido. O ritmo da expansão é representado pelo cálculo que é denominado constante de Hubble. Segundo os cálculos atuais as galáxias estão se expandindo a uma velocidade de aproximadamente 16 à 32 quilômetros por segundo para cada milhão de anos – luz de distância da Terra.

Se imaginarmos e calcularmos mateaticamente a expansão em sentido contrário todas as galáxias encontrariam se uem um único ponto, considerado o principio do universo. A maioria dos estudiosos concorda que o tempo zero ocorreu cerca de 15 bilhões de anos.

Em 1927, depois de tomar conhecimento sobre a teoria da expansão do universo, Georges Edward Lemaitre apresentou a teoria que hoje é generalizadamente aceita pelos astrônomos e especialistas. Ele afirma que no tempo zero o universo era somente uma massa minúscula que ele denominou de “ovo cósmico” ou “super átomo”, nada mais existia, o ovo cósmico estava sujeito a própria atração gravitacional, contraindo e comprimindo – se cada vez mais, em algum momento com uma temperatura elevadíssima e o volume mínimo ocorreu uma grande explosão. Lemaitre afirmou que a recessão das galáxias é prova visível dessa explosão.

Essa teoria foi aperfeiçoada por George Gamow e publicada em 1948 em um artigo entitulado: “A origem dos elementos químicos.”, no qual Gamow utilizou pela primeira vez o termo Big Bang. Esta teoria hoje, de tão aceita é chamada de teoria padrão.

Embora o Big Bang Ter ocorrido há cerca de 15 bilhões de anos, foram precisos vários bilhões de anos só para que as galáxias adquirissem sua atual configuração no universo. Ainda não há consenso se o universo ira continuar de expandindo indefinidamente.

O ovo cósmico se formou predominantemente átomos de hidrogênio, seguido pelo segundo átomo mais simples, o hélio. Esses dois elementos representam cerca de 99% do universo. Trilhões vezes trilhões vezes trilhões de interações de átomos de hidrogênio, átomos de hélio e outras partículas elementares ocorreram para formar elementos diferentes do hidrogênio e do hélio – contudo, esses outros elenmentos químicos que ocorrem naturalmente perfazem menos de 1% de todo o universo.

No princípio, a terra era extremamente quente e não tinha atmosfera. Formou – se então a primeira atmosfera primitiva, que continha sulfeto de hidrogênio e outros gases de material derretido. Onze bilhões de anos depois do Big – Bang, a sopa primordial da Terra deu origem as primeiras moléculas orgânicas. Em 1992, quando astrônomos encontraram uma estrela com dois planetas a 1300 anos – luz da Terra, foi o primeiro sistema como o sistema solar descoberto.

As especulações sobre a vida em outras partes do universo deram uma guinada em 1996, a NASA anunciou a descoberta de moléculas orgânicas fossilizadas e possíveis células em um meteorito de Marte.

Devido alguns elementos químicos contidos neste meteorito alguns biólogos afirmas ser esta uma prova inequívoca de que existia água na superfície de Marte, mais ou menos na época que a Terra começou a se formar.

Devido a quantidade de estrelas e a essas evidências nos levam a crer que a existência de vida em nosso planeta possa não ser exclusiva. Entre a tecnologia em desenvolvimento, os astrônomos estão prevendo o surgimento de uma nova era na astronomia, a Segunda vinda de Colombo, na qual encontraremos novos mundos.

Big Bang – Modelo

Big Bang
Big Bang – Ilustração

Em 1917 o astrônomo neerlandês Willen de Sitter desenvolveu um modelo não estático do Universo. Em 1922 o modelo do Universo em expansão foi adotado pelo matemático e meteorologista russo Alexander Friedmann (1888-1925).

Em 1927 o sacerdote belga Georges-Henri Édouard Lemaître (1894-1966) introduziu a idéia do “núcleo primordial”; ele sugeriu que há um certo número de bilhões de anos toda a matéria do Universo estava agrupada num único lugar e formava uma estrutura denominada átomo primordial, posteriormente rebatizado como “ovo cósmico”. A teoria propõe que as galáxias são fragmentos da explosão desse núcleo, resultando na conseqüente expansão do Universo. Esse foi o começo da “Teoria da Grande Explosão (Big Bang)” que tenta explicar a origem do Cosmos.

Com o passar do tempo a teoria começou a tomar forma quando em 1929 as linhas espectrais da luz das galáxias observadas no observatório de Monte Palomar por Milton La Salle Humason começaram a revelar um afastamento progressivo para as galáxias mais distantes, com características de uma dilatação universal.

Traduzida em números esta descoberta permitiu ao astrônomo Edwin Hubble encaixar uma progressão aritmética que mais tarde foi chamada de Constante de Hubble. Até hoje essa proporção aritmética é a “régua” cósmica indispensável aos cálculos dos cosmólogos do mundo inteiro. Hubble anunciou que as galáxias distantes, que estão além do Grupo Local, afastam-se com velocidades proporcionais às suas distâncias, isto é, quanto mais distante a galáxia, maior sua velocidade de afastamento. Isso constituiu a primeira evidência para a expansão do Universo, já predita por Alexander Friedmann, e Georges Lemaître.

As estrelas ou corpos celestes da foto abaixo são os mais distantes, logo os mais antigos já observados pelos humanos. A coloração avermelhada é devida ao efeito Doppler. Quando um corpo se afasta, mais sua imagem puxa para o vermelho, e quando se aproxima, ao contrário é para o azul. Apesar da descoberta da expansão do Universo, muitos pesquisadores acreditavam na Teoria do Estado Estacionário, isto é, que o Universo era similar em todas as direções e imutável no tempo, com produção contínua de matéria para contrabalançar a expansão observada, mantendo a densidade média constante. Esta teoria foi proposta por Herman Bondi (1919-), Thomas Gold (1920-) e Fred Hoyle (1915-2001). Em 1950 Fred Hoyle sugeriu pejorativamente o nome “Big Bang” para o evento de início do Universo, quando se iniciou a expansão. O nome pegou…

A teoria do Big-Bang foi modificada em 1948 pelo cientista russo, naturalizado norte-americano, George Gamow (1904-1968).

Entendendo o desvio para o vermelho:

Big Bang

Big Bang
A luz das estrelas que estão vindo em nossa direção assumem um tom azulado, a luz das estrelas
que estão se afastando de nós assumem um tom avermelhado

O Big Bang teria acontecido, de acordo com vários cálculos, entre 13 e 20 bilhões de anos atrás. O “Universo”, muito antes da formação das galáxias, era menor que o núcleo de um átomo.

Os postulados do Big Bang, também conhecido como “modelo da grande explosão térmica”, levam a acreditar que nos primeiros momentos após a Grande Explosão, o Universo passou por um rápido crescimento ou expansão, que teria se processado em camadas. Um exemplo ilustrativo seria que a matéria comprimida num volume hipotético do tamanho do núcleo de um átomo expandiria para cerca de 2 mil vezes o tamanho do Sol. A primeira camada da expansão é denominada “Inflação Cósmica”, no interior da qual emergiu um Universo formado por energia radiante e partículas elementares, como quarks e antiquarks.

Após essa súbita inflação cósmica, o Universo era ainda bilhões de vezes mais quente que o núcleo atual do Sol; somente depois, à medida que prosseguia sua expansão, o Universo foi esfriando. Tal resfriamento foi uma condição necessária para dar início aos processos de interação das partículas e a radiação.

Big Bang
Teoria do Big Bang

Como antes do Big-Bang o Universo era uma singularidade*, presume-se que o tempo então não existia, pois se objetos massivos tendem a retardar o tempo, logo quando se tem matéria infinita em espaço nulo a singularidade é tal que o tempo pára. Todo o Universo, tudo o que existe está contido nos limites desta bolha da “Inflação Cósmica”, e não haveria sequer sentido em falar do que está fora dela, pois nosso espaço e tempo se restringem a ela.

A partir da explosão, o Universo começou a se expandir, arrastando consigo o espaço e o tempo.

Não se consegue imaginar a existência de um universo antes do Big Bang, e se não existia nada antes, o que fez o desequilíbrio da singularidade que acabou criando um Universo caótico e em mutação?

Voltando-se no tempo e espaço, chega-se que desde o começo, o Universo se expande de acordo com leis bastante regulares. É portanto razoável que estas se mantenham durante e antes da grande explosão.

(*) singularidade gravitacional = é um ponto do espaço-tempo na qual a massa e a curvatura do espaço-tempo de um corpo são infinitas, como ocorre com os Buracos-Negros.

Antes de o Universo alcançar a idade de um décimo de milésimo de segundo (0,001 s), os quarks começaram a formar prótons e nêutrons, que são as partículas constituintes do núcleo dos átomos.

Big Bang
Para se ter uma idéia das dimensões de um átomo basta dizer que na pequena quantidade de tinta que constitui o ponto final desta frase estão contidos cerca de 3 bilhões de átomos.
Se ampliássemos o núcleo de um átomo 100 trilhões de vezes, ele teria o tamanho aproximado de uma azeitona.
Agora, se colocássemos esse átomo no centro do estádio do Maracanã, os életrons orbitariam provavelmente depois das arquibancadas

Após 1/1000 (um milésimo) de segundo da Grande Explosão, a matéria e anti-matéria se combinaram, aniquilando-se e liberando certa quantidade de energia em forma de luz. Se a simetria fosse perfeita, ele teria se transformado numa bolha de luz. Mas, existia 1 parte em 1 bilhão a mais de matéria do nosso tipo, como prótons, nêutrons e elétrons. O átomo de hidrogênio é formado por um próton e um elétron, de modo que esse é o elemento químico mais antigo que existe.

O mesmo ocorreu com os pares elétron-pósitron, que se aniquilaram, cedendo espaço a outras partículas elementares: os neutrinos.

Pode se observar que, daquela fase, sobrou muito mais matéria que antimatéria, pois tudo o que se pode ver atualmente no Universo é formado por matéria, enquanto a antimatéria está praticamente ausente.

Antes de completar um segundo de idade o Universo era uma massa turbilhonante das partículas mais elementares. Era também mais denso do que o ferro e tão opaco que nenhuma luz poderia penetrá-lo.

Mas, à medida que se expandiu, a temperatura da radiação baixou. Um segundo após a explosão, a temperatura do Universo seria de 20 bilhões de graus, enquanto que, 10 segundos depois, a temperatura teria caído para cerca de 500 milhões de graus. Nesse tempo, o Universo teria contido sobretudo fótons, elétrons e neutrinos (partículas extremamente leves que só são afetadas pela força fraca e pela gravidade) e as suas antipartículas, juntamente com alguns prótons e nêutrons. mas também partículas de nomes menos conhecidos, tais como mésons, bósons, neutrinos e outras, algumas das quais subsistem durante breves instantes em condições muito especiais, criadas no interior de aparelhos conhecidos como aceleradores de partículas (Tais aceleradores podem simular as condições existentes no Universo primitivo). Nesse período inicial, o Universo continha apenas partículas materiais e energia em forma de radiações eletromagnéticas (tais como raios-X, luz e ondas de rádio). Dessa forma, à medida que o Universo se expande, sua temperatura estaria diminuindo.

À medida que o Universo continuou a expandir-se e a temperatura a baixar, a razão à qual os pares de elétrons/positrons (matéria/antimatéria) foram sendo produzidos em colisões deve ter descido abaixo daquela a que eram destruídos pela aniquilação. Portanto, a maior parte dos elétrons e positrons ter-se-iam destruído uns aos outros produzindo mais fótons e deixando apenas um remanescente de elétrons.

Cerca de cem segundos após o Big Bang, a temperatura deve ter baixado para mil milhões de graus, que é a temperatura no interior das estrelas mais quentes. A esta temperatura, os prótons e os nêutrons já não teriam energia suficiente para escapar à ação da força nuclear forte e teriam começado a combinar-se uns com os outros para produzir os núcleos de átomos de deutério (hidrogênio pesado), que contêm um próton e um nêutron. As altas temperaturas provocaram a fusão nuclear entre prótons, de modo que ao fim de 3 minutos 10% da matéria foi transformada no segundo elemento da tabela periódica, o hélio. Os núcleos do deutério ter-se-iam combinado com mais prótons e nêutrons para formar núcleos de hélio, que contêm dois prótons e dois nêutrons, além de pequenas quantidades de dois elementos mais pesados, o lítio e o berílio. Pode imaginar-se que no modelo quente do Big Bang cerca de um quarto dos prótons e dos nêutrons teria se convertido em núcleos de hélio, juntamente com uma pequena quantidade de hidrogênio pesado e outros elementos. Os nêutrons que restaram decairiam em prótons, que são os núcleos dos átomos de hidrogênio.

Alguns minutos após o Big Bang, a temperatura teria baixado para cerca de mil vezes a temperatura no centro do Sol; temperaturas tão elevadas como estas são alcançadas em explosões de bombas H.

Presume-se que este processo de produção de hélio e dos outros elementos durou um milhão de anos aproximadamente, iniciando a era da formação atômica, onde os núcleos começaram a se transformar nos primeiros átomos. Enquanto o Universo se expande, a radiação contida e a matéria se esfriam.

Até 380 mil anos de vida, O Universo não experimentou mudanças significativas: ele era uma bola de plasma luminosa e opaca. A pressão da luz dissolvia as aglutinações de matéria, impedindo a formação dos astros. Transformação mais importante ocorreu quando o Universo, no processo de expansão, esfriou-se até alcançar a temperatura de 3.300ºC (a temperatura da superfície do Sol é de 5.500ºC). Nesse momento, os elétrons se uniram aos núcleos de hidrogênio e hélio, produzindo os primeiros átomos. Ao atingir cerca de 3 mil graus, os átomos se recombinam, e a matéria fica neutra. O Universo fica transparente e o céu escuro. Livre da pressão da luz, a matéria colapsa formando astros.

Acredita-se que em aproximadamente 500 mil anos o universo foi-se resfriando gradualmente, as partículas elementares se fundiram. Pequenas alterações da gravidade permitiu que se iniciasse a atração da matéria recém formada (os gases hidrogênio e hélio). As partículas começaram a se unir e gravitar mutuamente; estes gases formaram imensos bolsões de gás, as massas de gás iniciaram uma lenta e contínua compressão em espiral, esta aumentou o campo gravitacional em torno de si em turbilhão.

Os gases começaram a se comprimir cada vez mais, esta compressão acelerou a atração gravitacional numa “espiral inflacionária” atraindo cada vez mais matéria e a comprimindo novamente, fazendo-a cair sobre si mesma. Acredita-se que assim se iniciou a formação de galáxias, de estrelas e de planetas.

Dissipou-se a névoa cósmica e o Universo tornou-se pela primeira vez transparente à luz. Nos milhões de anos seguintes, a matéria começou a se condensar por força da ação da gravidade.

As observações indicam ainda que as primeiras estrelas se formaram 400 milhões de anos depois do Big Bang. A explosão dessas estrelas (supernovas do tipo II) enchem o Universo com Oxigênio e um pouco de elementos químicos mais pesados, como carbono, oxigênio, silício e ferro e espalhados ao meio em explosões de supernovas. Este material ejetado é depois concentrado em outras estrelas, em planetas, e possivelmente em corpos de seres humanos, em alguns destes planetas! Somente milhões de anos depois as galáxias começam a se formar. Na Via Láctea, as estrelas mais antigas se localizam no halo.

A elevada abundância de Oxigênio e Hidrogênio e a alta reatividade desses elementos produz vastas quantidades de água (H2O), uma das substâncias mais abundantes do Universo. Depois do halo, forma-se o bojo da galáxia e só muito depois o disco, contendo os braços espirais.

Podemos dizer que praticamente todos os astros: galáxias, estrelas e seus planetas nasceram nos primeiros 2 bilhões de anos de vida do Universo.

A população de estrelas menores começou a morrer cerca de 1 bilhão de anos mais tarde. As que estão em sistemas duplos explodem em forma de supernovas tipo Ia, gerando elementos químicos mais pesados, como o Ferro. Mais 1 bilhão de anos e a morte de estrelas pouco mais massivas que o Sol semeiam carbono, Nitrogênio e Oxigênio. Em galáxias com maior taxa de formação estelar, como as elípticas, o enriquecimento químico ocorre mais depressa. Há cerca de 11 bilhões de anos, a composição química do Universo poderia ter permitido o surgimento da vida. Pouca coisa mudou desde essa época até a formação do sistema solar há cerca de 4,56 bilhões de anos.

NASCIMENTO DAS GALÁXIAS

Uma indicação direta de que a Galáxia atingiu composição solar há tanto tempo pode ser vista pelas moléculas interestelares. As nuvens interestelares têm densidade menor que o melhor vácuo de laboratório na Terra. Mesmo assim, elas têm moléculas tão complexas como açucares, bases nitrogenadas até o fulereno (60 átomos de carbono). O curioso é que a quase totalidade se baseia no carbono e não no silício ou outros elementos de valência química semelhante à do carbono.

A probabilidade de colisão entre dois átomos nesse ambiente é tão baixa que essas moléculas precisam de bilhões de anos para serem formadas. O reinado da química, entretanto, não se localiza nas nuvens interestelares, mas nos planetas. A densidade é um bilhão de bilhão de vezes maior que no meio interestelar.

Além disso, a proximidade destes corpos de uma estrela (no nosso caso, o Sol) fornece energia: a cada aumento de 10o C, a taxa das reações químicas dobra. Desse modo, um átomo num planeta encontra-se com mais átomos em um dia que no meio interestelar em milhões de anos. Nesse aspecto, nosso planeta não deixa nada a desejar para a formação de vida. Além disso, está dentro da zona de habitabilidade de uma estrela (Sol) que se mantêm estável ao longo de 10 bilhões de anos.

Entre 1 e 2 bilhões de anos após o Big Bang, protogaláxias deram origem as estrelas e estas evoluíram para gigantes vermelhas e supernovas semeando a galáxia com a matéria-prima para posteriores nascimentos de estrelas.

Com as primeiras Supernovas, a formação de elementos atômicos mais pesados – como carbono e ferro – plantou as sementes para o surgimento do Sistema Solar e da vida aqui na Terra. E, depois disso, durante o milhão de anos seguinte, mais ou menos, o Universo deve ter continuado a expandir-se, sem acontecer nada de especial.

Fonte: www.big-bang-theory.com/www.space.com/br.geocities.com/www.ime.usp.br

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