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Pergunte a Ethan: A evidência crítica para o Big Bang foi descoberta por acidente?

Uma história visual do Universo em expansão inclui o estado quente e denso conhecido como Big Bang e o crescimento e formação da estrutura subsequente. O conjunto completo de dados, incluindo as observações dos elementos de luz e do fundo cósmico de micro-ondas, deixa apenas o Big Bang como uma explicação válida para tudo o que vemos. À medida que o Universo se expande, ele também esfria, permitindo a formação de íons, átomos neutros e, eventualmente, moléculas, nuvens de gás, estrelas e, finalmente, galáxias. (NASA / CXC / M. WEISS)

Na ciência, os avanços nem sempre começam com um momento ‘eureka’. Às vezes, a verdadeira história é absolutamente inacreditável.

Quando se trata da história de origem do nosso Universo, muitas ideias concorrentes prosperaram. Os cientistas consideraram uma infinidade de possibilidades diferentes, todas compatíveis com o conjunto completo de dados e as leis da natureza, pelo menos como eram conhecidas na época. No entanto, à medida que nossas medições e observações do cosmos melhoraram, essas possibilidades foram postas à prova, com a maioria delas caindo. Na década de 1960, restavam apenas algumas possibilidades, quando algo realmente espetacular ocorreu: a arma fumegante do Big Bang foi descoberta. Mas foi um acidente completo? Isso é o que Patrick Pallagi quer saber , Perguntando:

O fundo cósmico de micro-ondas é uma evidência marcante da origem do universo no Big Bang. Como é que esta descoberta é rotulada como acidental?

Às vezes, as melhores descobertas são aquelas que você não espera. Às vezes, você até pega os cientistas procurando o que encontrou acidentalmente.

Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. O mais distante que podemos ver no tempo é de 13,8 bilhões de anos: nossa estimativa para a idade do Universo. É a extrapolação de volta aos primeiros tempos que levou à ideia do Big Bang. Embora tudo o que observamos seja consistente com a estrutura do Big Bang, não é algo que possa ser comprovado. (NASA / STSCI / A. FELID)

A ideia do Big Bang surgiu na década de 1920, quando os cientistas começaram a trabalhar as consequências de um Universo governado pela Relatividade Geral. Em um Universo que tinha aproximadamente a mesma quantidade de matéria e/ou energia em todos os locais e sem direção preferencial, surgiram várias soluções teóricas. O Universo não poderia ser estacionário e imutável, mas precisava estar se expandindo ou se contraindo, e poderia ser espacialmente plano, fechado ou aberto.

Assim como, matematicamente, a raiz quadrada de 4 poderia ser +2 ou -2, as equações de campo da Relatividade Geral sozinhas não poderiam determinar do que o Universo era feito, qual era sua curvatura ou como era o próprio tecido do espaço. evoluindo com o tempo. Um enorme avanço observacional, liderado pelas medições de estrelas individuais de Edwin Hubble no que agora sabemos serem galáxias distantes, abriu o caminho para o Universo em expansão.

Observados pela primeira vez por Vesto Slipher em 1917, alguns dos objetos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de átomos, íons ou moléculas particulares, mas com um deslocamento sistemático para o extremo vermelho ou azul do espectro de luz. Quando combinados com as medições de distância do Hubble, esses dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será o desvio para o vermelho da luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Mas do lado teórico, Georges Lemaître já havia elaborado uma solução notável para o Universo em expansão: uma que começou com o que ele chamou de átomo primitivo, que se tornou o germe de uma ideia que se desenvolveria no Big Bang.

Se o tecido do Universo está se expandindo hoje e afastando galáxias distantes e soltas umas das outras – da mesma forma que uma bola de massa de pão com passas ao longo dela fermenta e faz com que as passas se espalhem umas das outras – então isso deveria significar o O universo está ficando mais esparso e com menos energia à medida que o tempo passa. As densidades caem e os comprimentos de onda dos fótons se estendem em um Universo em expansão. Mas o que foi mais notável sobre este cenário é que significa que o inverso também é verdadeiro: se olharmos para trás no tempo, o Universo deveria ter sido mais denso e mais alto em energia.

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

No momento em que a década de 1940 chegou, as ideias de Lemaître – embora nada tenha demonstrado que elas estavam incorretas – não conseguiram ganhar força. No entanto, George Gamow ficou extremamente curioso sobre eles e iniciou um programa de pesquisa dedicado ao desenvolvimento dessas ideias. Em particular, ele observou que se o Universo estivesse se expandindo enquanto gravitava e esfriava, o passado teria parecido muito diferente do presente.

Se você voltasse cedo o suficiente, chegaria a um momento em que estrelas e galáxias ainda não haviam se formado, já que a matéria precisa de tempo para que a gravitação se agrupe e agrupe. Em algum momento ainda antes, os fótons devem ter sido quentes o suficiente para impedir a formação de átomos neutros, ionizando-os mais rapidamente do que elétrons e núcleos podem formar átomos estáveis. E mesmo antes disso, os fótons provavelmente eram quentes o suficiente para explodir até núcleos atômicos, criando um mar de prótons e nêutrons.

À medida que o Universo esfria, formam-se núcleos atômicos, seguidos por átomos neutros à medida que esfria ainda mais. Todos esses átomos (praticamente) são hidrogênio ou hélio, e o processo que lhes permite formar átomos neutros de forma estável leva centenas de milhares de anos para ser concluído. (E. SIEGEL)

Essas quatro previsões teóricas:

1. um Universo em expansão,
2. onde estrelas e galáxias e estrutura só se formaram e cresceram ao longo do tempo,
3. onde houve um momento de transição entre o Universo ser um plasma ionizado e cheio de átomos neutros,
4. e onde o estágio inicial quente e denso levou a uma época antes das estrelas onde ocorreu a fusão nuclear,

tornaram-se os quatro pilares do arcabouço teórico do Big Bang.

Claro, o Big Bang não foi o único jogo na cidade; havia alternativas que faziam previsões diferentes. O Universo em estado estacionário, por exemplo, sustentou que o Universo estava preenchido com um campo de criação de matéria que constantemente criava novas partículas à medida que se expandia, e que os elementos que vemos eram feitos em estrelas. No entanto, essa ideia de uma transição entre uma fase de plasma e uma fase de átomo neutro provaria ser o diferencial entre o Big Bang e todas as alternativas restantes.

No universo quente e primitivo, antes da formação de átomos neutros, os fótons se espalham de elétrons (e, em menor grau, de prótons) a uma taxa muito alta, transferindo momento quando o fazem. Depois que os átomos neutros se formam, devido ao resfriamento do Universo abaixo de um certo limiar crítico, os fótons simplesmente viajam em linha reta, afetados apenas no comprimento de onda pela expansão do espaço. (AMANDA YOHO)

Gamow reconheceu que, se o Universo estivesse cheio de matéria e radiação, a expansão do espaço esticaria essa radiação para comprimentos de onda cada vez mais longos – e, portanto, energias e temperaturas mais baixas – ao longo do tempo. Se quisermos extrapolar para uma época em que o Universo era quente o suficiente para ionizar átomos neutros, teríamos que voltar para onde a temperatura média era de milhares de graus.

Sem problemas, obviamente, pensou Gamow. A chave seria então estimar o quanto o Universo havia se expandido desde aquela época até os dias atuais. Enquanto Gamow e seus alunos e colaboradores de pesquisa fizeram o seu melhor, eles só chegaram a uma gama de valores possíveis para como essa radiação deveria ser hoje. Uma vez que o Universo se torne neutro, esses fótons devem apenas fluir em linha reta, esticados pelo Universo em expansão, até chegarem aos nossos olhos a apenas alguns graus acima do zero absoluto.

Depois que os átomos do Universo se tornam neutros, não apenas os fótons param de se espalhar, tudo o que eles fazem é o desvio para o vermelho sujeito ao espaço-tempo em expansão em que existem, diluindo à medida que o Universo se expande enquanto perde energia à medida que seu comprimento de onda continua a mudar para o vermelho. Embora possamos inventar uma definição de energia que a mantenha conservada, isso é artificial e não robusto. A energia não é conservada em um Universo em expansão. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Com o poder da retrospectiva, é surpreendente perceber a oportunidade perdida. Em 1949, o engenheiro eletricista Joseph Weber foi contratado como professor e ordenado pela Universidade para obter um Ph.D. em algo . Ele se aproximou de Gamow, apresentando-se dizendo: Sou engenheiro de micro-ondas com experiência considerável. Você pode sugerir um problema de doutorado?

Gamow simplesmente disse que não.

O que é realmente uma pena, porque depois de bilhões de anos de evolução cósmica e o Universo se expandindo, a porção de micro-ondas do espectro é exatamente onde esta radiação remanescente do Big Bang – o CMB de hoje (fundo de micro-ondas cósmico) e bola de fogo primitiva do passado — deve permanecer hoje. O experimento certo de micro-ondas o teria revelado; em vez de, Weber passou a construir detectores de ondas gravitacionais primitivos .

Joseph Weber com seu detector de ondas gravitacionais de estágio inicial, conhecido como barra de Weber. Engenheiro elétrico especializado em micro-ondas, a dispensa de Weber por Gamow foi uma enorme oportunidade perdida para descobrir o CMB. (COLEÇÕES ESPECIAIS E ARQUIVOS UNIVERSITÁRIOS, BIBLIOTECAS DA UNIVERSIDADE DE MARYLAND)

Mais tempo se passou e, na década de 1960, uma equipe de pesquisadores de Princeton – incluindo Bob Dicke, Jim Peebles, David Wilkinson e Peter Roll – começou a planejar uma missão para detectar essa radiação remanescente. As estimativas de temperatura ficaram muito melhores, e o desenvolvimento de um detector (um radiômetro de espessura ) que poderia encontrar essa radiação por meio de uma missão de balão, juntamente com o trabalho teórico de Peebles, tornou isso uma possibilidade iminente.

No entanto, a cerca de 30 milhas de distância, dois cientistas (Arno Penzias e Bob Wilson) que trabalhavam em comunicações via satélite para a Bell Labs (uma subsidiária da AT&T) usavam um equipamento totalmente novo: o Antena de chifre de Holmdel . Era gigante, ultrassensível e projetado para receber sinais da Terra. No entanto, havia um problema: não importa para onde no céu eles apontassem sua antena, havia esse irritante fundo de ruído do qual eles simplesmente não conseguiam se livrar.

Arno Penzias e Bob Wilson no local da antena em Holmdel, Nova Jersey, onde o fundo cósmico de micro-ondas foi identificado pela primeira vez. Embora muitas fontes possam produzir fundos de radiação de baixa energia, as propriedades do CMB confirmam sua origem cósmica. (COLEÇÃO FÍSICA HOJE/AIP/SPL)

Eles tentaram de tudo. Tentaram desligar e ligar novamente. Eles tentaram apontá-lo para o Sol e depois para longe dele. Usavam durante o dia. Eles usavam à noite. Eles apontaram para o plano da Via Láctea. Eles até descobriram pombos empoleirados no chifre, resultando em uma cena em que limpavam os ninhos e limpavam todos os excrementos dos pássaros. Ainda assim, aquele sinal de fundo permaneceu constante e onipresente em todo o céu.

Foi somente depois de ligar e compartilhar sua perplexidade que um cientista visitante – que por acaso era o árbitro de um artigo recente de Peebles – sugeriu que esse poderia ser o sinal há muito procurado pelo CMB. Penzias e Wilson ligaram para o grupo de Dicke e, após uma breve conversa, perceberam o que haviam descoberto. A voz de Dicke ecoou pelos corredores de Princeton, anunciando garotos, fomos pegos! Completamente por acidente, a arma fumegante do Big Bang acabara de ser descoberta.

A previsão única do modelo do Big Bang é que haveria um brilho remanescente de radiação permeando todo o Universo em todas as direções. A radiação estaria apenas alguns graus acima do zero absoluto, teria a mesma magnitude em todos os lugares e obedeceria a um espectro de corpo negro perfeito. Essas previsões foram confirmadas espetacularmente bem, eliminando alternativas como a teoria do estado estacionário da viabilidade. (NASA / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER / COBE (PRINCIPAL); PRINCETON GROUP, 1966 (INSET))

Ao longo dos anos e décadas subsequentes, as evidências do Big Bang se fortaleceram em quantidades extraordinárias, com estrutura em grande escala, abundância de elementos de luz primordiais e as propriedades específicas e flutuações de temperatura na CMB, todas concordantes.

Mas em 1964, foi um acidente fortuito que resultou na descoberta do brilho remanescente do Big Bang pela primeira vez. Os cientistas que involuntariamente descobriram continuaram ganhar o Prêmio Nobel de Física por sua descoberta, com Jim Peebles apenas recebendo o seu devido 41 anos depois. Ainda assim, essa descoberta verdadeiramente acidental só ocorreu por causa da insistência de Penzias e Wilson em rastrear a fonte daquele ruído omnidirecional inesperado. Há um velho ditado que diz que o ruído de um astrônomo são os dados de outro astrônomo. Ao examinar cuidadosamente cada sinal inexplicável, mesmo aqueles que você nunca antecipou, às vezes você pode até fazer uma descoberta que revoluciona o Universo.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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