Como foram encontradas as evidências irrefutáveis do Big Bang
O que começou como um aborrecimento terminou como uma descoberta ganhadora do Prêmio Nobel sobre o Big Bang e a origem do Universo.
- Como uma ideia ultrajante – de que o Universo começou em algum ponto no passado distante – ganhou aceitação da comunidade científica?
- Há intriga e confusão generalizada em torno da estranha história da descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, os raios fósseis da infância do Universo.
- Devemos dar crédito onde o crédito é devido, especialmente a Ralph Alpher.
Este é o nono artigo de uma série sobre cosmologia moderna.
No final da década de 1940, o físico George Gamow, seu aluno de pós-graduação Ralph Alpher e o colaborador Robert Herman apresentaram uma teoria altamente especulativa. descrevendo os primeiros estágios da história cósmica . Esta foi a teoria do Big Bang, e é famosa agora como a pedra angular da cosmologia moderna. Há, no entanto, uma confusão substancial sobre quem propôs quais ideias nos muitos artigos publicados, juntos ou separadamente, pelo trio.
Em particular, a previsão da existência de raios fósseis é frequentemente atribuída a Gamow. Os raios fósseis são relíquias do período em que os primeiros átomos de hidrogênio se formaram e fornecem evidências irrefutáveis para apoiar a teoria do Big Bang. A existência deles foi de fato proposta em um artigo de Alpher e Herman, contra a oposição inicial de Gamow. O filho de Alpher, Victor Alpher, publicou um relato fascinante da história, que também é abordado no livro de Alpher e Herman, Gênese do Big Bang .
Informações básicas cósmicas
Em 1946, George Gamow publicou “ Universo em expansão e a origem dos elementos .” Neste artigo, ele criticou como as pessoas calcularam a abundância de todos os elementos químicos existentes, do hidrogênio ao urânio, que supostamente foram sintetizados no início do Universo. Gamow era um tanto prejudicado pelas medições incorretas de diversas variáveis que prevaleciam na época. Por exemplo, pensava-se que a meia-vida do nêutron era de uma hora, quando na verdade é de 10,3 minutos. Gamow também usou a física nuclear errada, voltando-se para algo chamado captura de nêutrons, que presumia que o Universo estava cheio de nêutrons.
Apesar dessas deficiências, Gamow conseguiu sugerir que mais trabalho deveria ser feito nesse tópico. Embora Alpher fosse aluno de doutorado de Gamow, ele e Herman publicaram um artigo na Natureza que apontou vários erros no trabalho de Gamow. Em seus agradecimentos, os escritores agradeceram a Gamow por pressioná-los a encontrar os erros em seu artigo original. Esse é um pedido bastante raro em física, então parabéns a Gamow. (O físico Michael Turner escreveu um conta muito legível de como a teoria errada do Universo primitivo tornou-se um triunfo da física moderna.)
Neste curtíssimo trabalho, Alpher e Herman sugerem que, após a formação dos núcleos dos elementos químicos, a radiação na forma de fótons deveria simplesmente esfriar com a expansão cósmica. Teria agora uma temperatura geral de 5 Kelvin – ou seja, 5° acima do zero absoluto. Isso é o que agora chamamos radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMBR), e são os raios fósseis resultantes do Big Bang.
Claro, não atribuímos mais o CMBR à época em que os núcleos foram forjados. Surgiu muito mais tarde, no tempo variando de segundos a centenas de milhares de anos após o Big Bang, quando os átomos de hidrogênio estavam se formando. Ainda assim, existe a sugestão de que essa radiação deve preencher o espaço, e Alpher e Herman, assim como Gamow, abordam o assunto em vários artigos até 1956, com os autores postulando temperaturas que variam de 6 a 50 Kelvin . Segundo Alpher, Gamow foi inicialmente contra a existência da CMBR. Mas ele o aceitou rapidamente e trabalhou para calcular suas propriedades.
Alpher resumiu sua tese em um artigo de 1948 de co-autoria de Gamow e do famoso físico nuclear Hans Bethe. O papel αβγ (alfa-beta-gama) mostrou como a formação de elementos químicos tinha que ser equilibrada com a taxa de expansão cósmica. A expansão rápida dificulta a formação de núcleos mais pesados, uma vez que prótons e nêutrons estão se afastando uns dos outros.
Seus resultados, ainda não muito corretos, mas outra melhoria, sustentavam que os elementos mais pesados decaíam rapidamente devido ao seu peso atômico (o número de prótons mais nêutrons no núcleo). Estes eram, portanto, dominados por elementos com núcleos mais leves, como o hélio, com apenas dois prótons e dois nêutrons em seu núcleo, e em menor grau o deutério, um isótopo do hidrogênio. Eles assumiram, erroneamente, que o estado inicial do Universo era uma espécie de sopa cósmica feita principalmente de nêutrons, que então decaíram em prótons. Sabemos agora que, de fato, cerca de um segundo após o Big Bang, aquela sopa compreendia prótons, nêutrons, fótons, elétrons, neutrinos e algumas outras coisas.
Um aborrecimento leva a um Prêmio Nobel
Os esforços de Alpher para estimular uma busca pelo CMBR não foram muito bem. Somente em 1964 um grupo da Universidade de Princeton liderado por Robert Dicke decidiu construir uma antena de rádio para procurar os fótons.
Enquanto isso, não muito longe de Princeton, Robert Wilson e Arno Penzias, da Bell Telephone Laboratories, estavam usando uma antena de rádio de 20 pés para estudar a radiação emitida por um remanescente de supernova localizado a cerca de 10.000 anos-luz da Terra. O sinal era muito fraco e suas medições exigiam precisão pontual. Para seu aborrecimento, uma espécie de silvo de fundo estava comprometendo suas medições. Eles verificaram e verificaram novamente seus equipamentos, mas não conseguiram rastrear a origem do chiado. Um casal de pombos que havia aninhado dentro da antena foi até removido, juntamente com os restos de suas funções corporais, chamados de substância dielétrica. No entanto, o assobio persistiu e, como Penzias e Wilson logo descobriram, era insensível para onde apontavam a antena. Veio de todas as direções no céu.
Penzias e Wilson fizeram o que os cientistas fazem quando estão com problemas: eles conversaram com colegas para ver se alguém tinha alguma ideia de por que isso estava acontecendo. Por fim, a trilha os levou à vizinha Princeton, onde Dicke e seu grupo ainda estavam trabalhando em sua antena. Jim Peebles, um jovem teórico que trabalhava com Dicke, havia redescoberto independentemente os argumentos para uma radiação de fundo de fótons, os remanescentes do Big Bang.
Tudo se encaixou agora. Penzias e Wilson descobriram os raios fósseis que sobraram do desacoplamento – um instantâneo do Universo quando ele tinha apenas 380.000 anos de idade. Por mais de 13 bilhões de anos, esses fótons viajam pelo espaço, prova viva do início quente do Universo, o grande triunfo do modelo do Big Bang.
Trabalhos de Penzias e Wilson e do grupo de Princeton apareceram lado a lado em uma edição do Jornal Astrofísico em 1965. Por sua descoberta, Penzias e Wilson ganharam o prêmio Nobel em 1979. Gamow, que morreu em 1968, deve ter sorrido quando finalmente viu seu trabalho justificado. (Na verdade, como era Gamow, ele provavelmente pulou para cima e para baixo ou saiu para um passeio selvagem de motocicleta.)
Nenhuma menção foi feita ao trabalho pioneiro de Alpher e Herman. Ainda assim, agora estava claro que o Universo era de fato uma fornalha muito quente que cozinhava os elementos químicos mais leves e deixava um fundo de fótons que permeava o espaço. Muitos físicos lamentaram não ter levado a sério as ideias de Lemaître, Gamow, Alpher e Herman muito antes de meados da década de 1960. Mas então, algumas ideias têm que ser marteladas antes que possam ser amplamente aceitas.
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