Tudo começou com um estrondo?

Crédito da imagem: NASA / CXC / M. Weiss.

Se soubéssemos tudo o que sabemos sobre matemática e física, mas nunca tivéssemos visto os céus, o que concluiríamos?

Ambas as soluções devem ser rejeitadas, e como estas são as únicas soluções estáticas das equações… a verdadeira solução representada na natureza deve ser uma solução dinâmica † -Willem de Sitter



Damos como certo o quão facilmente acessível nosso céu noturno é, até em nosso mundo moderno poluído pela luz. Os milhares de pontos de luz, o plano de nossa Via Láctea, os planetas e a Lua, e as nebulosas difusas, todos visíveis a olho nu, acendem nossa imaginação imediatamente.



Crédito da imagem: Dan & Cindy Duriscoe , FDSC , Lowell Obs ., NÃO .

Mas nem todo mundo é como o nosso. De fato, muitos mundos com atmosferas consideráveis ​​estão continuamente cobertos de nuvens, impedindo qualquer pessoa na superfície de ver o Universo além e impedindo qualquer pessoa de cima ver a superfície. (Pelo menos, na luz visível.) Isso é verdade para todos os gigantes gasosos em nosso Sistema Solar, nosso vizinho rochoso Vênus e até mesmo para a lua gigante de Saturno, Titã.



Crédito da imagem: NASA / Missão Cassini, via http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA06236.jpg .

Bem, e se esse fosse o nosso mundo? E se esse fosse o nosso céu? E se, em vez de milhares de anos olhando para as estrelas e o Universo além do nosso planeta, tivéssemos apenas um dossel opaco acima?

Crédito da imagem: Imagine the Universe da NASA, do Goddard Space Flight Center.



Ainda teríamos toda a ciência terrestre que conhecemos e amamos, incluindo toda a física de partículas. Poderíamos ter descoberto a rotação da Terra a partir de um pêndulo de Foucault, e poderíamos ter descoberto a Relatividade Geral a partir de experimentos envolvendo o desvio vermelho/azul da luz no campo gravitacional do nosso planeta.

Mas sem uma visão dos céus, não teríamos como saber sobre o Universo. Sim, dia e noite, assim como as estações, forneceriam uma pista sobre a existência do Sol. As medições terrestres podem mostrar a forma, o tamanho e a inclinação axial da Terra. E marés, eclipses e mudanças de luminância no céu noturno também podem fornecer evidências para a Lua. Mas e se pudéssemos olhar para o Universo além Nosso planeta pela primeira vez esta noite, mas com todo o complemento da tecnologia moderna?

Crédito da imagem: Miloslav Druckmuller (Brno U. of Tech.), Peter Aniol e Vojtech Rusin.



Sim, você notaria as estrelas imediatamente, e se você olhasse na direção do Sol, notaria que as estrelas mais próximas tiveram suas posições deslocadas à medida que o Sol se moveu em relação a elas, confirmando a Relatividade Geral como nossa teoria da gravidade. Cada uma dessas estrelas – assim como o nosso Sol – mostraria um espectro característico, um conjunto de linhas de absorção, dispostas sobre um amplo espectro de corpo negro representativo da temperatura dessa estrela. O espectro de linhas nos permitiria aprender imediatamente do que essas estrelas eram feitas.

Crédito da imagem: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF, via http://www.noao.edu/image_gallery/html/im0600.html .



Todas essas linhas correspondem a átomos em diferentes estados, e as mais grossas correspondem aos elementos hidrogênio e hélio, que estão presentes em bem maior abundância do que todos os outros elementos combinados. Se fôssemos muito sutis em nossas medições (e somos), perceberíamos que algumas dessas estrelas tiveram suas linhas espectrais todas deslocadas para o vermelho, enquanto outras as tiveram deslocadas para o azul. Isso se deve ao seu movimento: os objetos que se afastam de nós têm sua luz deslocada para o vermelho e os objetos que se aproximam de nós a deslocam para o azul. Isso acontece da mesma forma que uma sirene se movendo em sua direção soa mais aguda e uma sirene se afastando soa mais grave, através do Efeito Doppler !

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Georg Wiora ( dr Jorge ), baseado em originais de Harold T. Stokes e Ian Trestman, modificados por mim.

Também descobriríamos várias estrelas variáveis, ou estrelas cujo brilho intrínseco variava ao longo das escalas de tempo de horas, dias ou muitos meses. Haveria muitas classes diferentes de estrelas variáveis, com diferentes luminosidades (ou brilhos intrínsecos) e diferentes períodos de variação.

Mas o mais brilhante entre eles, as Cefeidas , exibiria uma correlação fantástica que poderia ter sido descoberta em poucas semanas: o mais brilhante são intrinsecamente, os mais tempo é preciso para eles pulsar!

Isso é tremendo, porque significa que se você medir quanto tempo é preciso uma dessas estrelas para sofrer uma variação, você sabe como é intrinsecamente brilhante.

Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / Carnegie.

E Portanto , uma vez que você mede a estrela variável aparente brilho, você pode saber imediatamente a que distância ele realmente está. Mas as estrelas em nossa própria galáxia não são a única coisa que você vê.

Você também notaria, entre as estrelas, muitos objetos nebulosos que entrariam em foco com o poder de um telescópio: objetos estendidos espirais e elípticos. Alguns deles seriam encontrados em relativo isolamento, enquanto outros seriam encontrados agrupados. Alguns parecem muito grandes e brilhantes, enquanto outros parecem minúsculos. E mesmo que suas formas fossem aparentes com a tecnologia moderna, sua natureza não seria tão imediatamente clara.

Crédito da imagem: Ken Crawford ( Rancho Del Sol Obs .).

A menos, é claro, que procuremos duas coisas que estão presentes em todas as que são mais brilhantes aos nossos olhos e ferramentas:

  1. Linhas espectrais, que nos permitiriam medir a rapidez com que cada objeto está se aproximando ou se afastando de nós, e
  2. Estrelas variáveis, que nos permitiriam saber – medindo seus períodos e brilho aparente – a que distância cada objeto realmente está.

E com base em essas duas coisas sozinho (embora nós poderia usar outros métodos , também), isso é o que encontraríamos.

Crédito da imagem: Projeto Chave do Telescópio Espacial Hubble (HSTKP), W. Freedman et al., 2001 .

Primeiro, descobriríamos que esses objetos eram galáxias individuais não tão diferente da nossa Via Láctea, com bilhões ou mesmo trilhões de estrelas compreendendo cada uma. E segundo, descobriríamos que o ainda mais longe as galáxias são, em média, as mais rápido eles parecem estar se afastando de nós!

Há uma série de explicações possíveis para isso, incluindo que:

  • A luz se cansa e perde energia quanto mais distante um objeto estiver,
  • O Universo começou a partir de uma explosão conosco quase perfeitamente no centro, e as galáxias se afastando mais rapidamente receberam mais energia da explosão,
  • O Universo é verdadeiramente estático, mas algumas constantes fundamentais estão mudando em conjunto para torná-lo parece essas galáxias estão recuando,
  • O Universo passa por fases oscilatórias de expansão e contração, e onde estamos está passando por uma fase de expansão agora, ou
  • O próprio tecido do Universo está se expandindo, e essas galáxias são desviadas para o vermelho devido às propriedades do espaço em expansão.

Algumas dessas opções são compatíveis com a Relatividade Geral e outras não, mas a última é particularmente interessante, porque — E se fosse verdade - permitiria um par de novas previsões que poderia ser testado imediatamente.

Crédito da imagem: Take 27 LTD / Science Photo Library.

Em um Universo em expansão, as coisas teriam sido mais próximas e mais densas no passado. Por causa de como a radiação funciona, a radiação no Universo também deve ser mais quente no passado. Por causa de como a gravitação funciona, a matéria deveria ter sido mais uniforme no passado, e mais desajeitado agora.

Para essa última parte, podemos apontar nossos telescópios para o Universo distante, bem como para o Universo próximo, e ver como o aglomerado de galáxias muda e se está alinhado com essa imagem ou não.

Crédito da imagem: Wen, Han e Liu (2012, ApJS, 199, 34) , através da http://zmtt.bao.ac.cn/galaxy_clusters/ .

E nossas observações está alinhado com o que você teoricamente preveria, dado esse cenário. Mas há outras previsões que acontecem também, graças ao fato de que o Universo era mais quente, mais uniforme e mais denso no passado. Devemos descobrir, voltando, que há uma era em que as coisas eram tão uniformes que não havia estrelas suficientes para ionizar todos os átomos neutros do Universo, tornando-o transparente à luz visível. Portanto, deve haver alguma distância além da qual não podemos ver em todos os comprimentos de onda, porque há poeira neutra bloqueando essa luz.

Essa previsão — de um Gunn-Petersen — significa que objetos distantes devem ter seus espectros de emissão cortar acima de um certo comprimento de onda, mais distante um objeto está.

Crédito da imagem: X. Fan et al, Astron.J.132:117-136, (2006), obtido através de Ned Wright.

E nós Veja , acima, em torno de um redshift de z = 6, significando que todas as linhas espectrais são deslocadas por um fator de 7 de seu quadro de repouso.

Mas se é assim que o Universo funciona, devemos ser capazes de ir ainda mais para trás , para um tempo antes das primeiras estrelas se formarem. Eventualmente, o Universo deve ter sido tão quente e tão denso que nem mesmo átomos neutros poderiam se formar! A razão para isso é a mesma razão que se você continuar a aquecer a matéria sólida, ela derrete em um líquido, o líquido ferve em um gás e o gás então ioniza em um plasma: muita energia impede que algo se ligue de forma estável!

Crédito da imagem: Instituto de Astronomia / Universidade Nacional Tsing Hua, via http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga2/ch28-03.htm .

Quando essa transição ocorrer – quando o Universo esfriar o suficiente para formar átomos neutros – a radiação que existia naquele momento deve finalmente estar livre para fluir desimpedida pelo Universo. Por causa de como a expansão funciona na Relatividade Geral, essa radiação remanescente da bola de fogo primitiva ainda deve estar por aí hoje, embora deva ser desviada para o vermelho para apenas alguns graus acima do zero absoluto.

Deve ser quase exatamente o mesmo em todas as direções e deve ter o espectro de um corpo negro perfeito. Se o procurarmos, adivinhe o que encontramos?

Crédito da imagem: COBE/FIRAS, retirada do Fermilab.

Cabe perfeitamente . E, finalmente, há mais uma previsão, voltando ainda mais longe. Se o Universo poderia ter sido quente e denso o suficiente para impedir a formação de átomos neutros, então deve ter sido quente o suficiente ainda antes para explodir qualquer núcleo atômico pesado que se formou!

Crédito da imagem: eu, modificado de Lawrence Berkeley Labs.

Então, se esse fosse o caso, esperaríamos que houvesse apenas prótons e nêutrons livres nos primeiros minutos, incapazes de formar algo mais pesado de forma estável. Quando o Universo finalmente esfriou abaixo de uma temperatura crítica, eles poderiam se fundir para formar deutério, hélio e um pouco de lítio, e devemos ser capazes de medir o gás intocado que sobrou deste evento hoje.

Crédito da imagem: NASA, WMAP Science Team e Gary Steigman.

E assim como você esperaria, nossas previsões e nossas observações partida . Na verdade detectamos este gás puro , bilhões de anos-luz de distância, e contém (e não contém) exatamente os elementos que esperamos. (Embora, para ser justo, provavelmente levaria muitos anos para encontrá-lo se começássemos a procurar hoje.)

Existem muitas outras previsões desse cenário que foram apoiadas pela observação, mas essas evidências são mais do que suficientes. Você vê, isso é o que é o Big Bang ! É esse conjunto de condições iniciais - um Universo quente, denso, uniforme, cheio de matéria e radiação - que se expande e esfria com a Relatividade Geral como nossa teoria da gravidade, que dá origem a todos esses fenômenos e muito mais, incluindo o sofisticado estrutura que vemos hoje.

Crédito da imagem: ESA/Hubble, NASA e H. Ebeling.

Explicar todo dos detalhes, como os padrões de agrupamento, as flutuações no fundo de micro-ondas, lentes gravitacionais e a maneira como a taxa de expansão evolui ao longo do tempo, você também precisa de algumas coisas adicionais: matéria escura, energia escura e inflação cósmica. Tudo bem , porque o Big Bang não é o fim de conhecimento, é simplesmente a única estrutura preditiva e autoconsistente que é consistente com todas essas observações!

Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Felid (STScI).

Mesmo que nunca tivéssemos visto os céus antes, e olhássemos para cima pela primeira vez esta noite, seríamos capazes de deduzir tudo isso em poucas semanas, se soubéssemos onde procurar e tivéssemos as ferramentas certas à nossa disposição. . Para o melhor de nosso conhecimento, sim , tudo começou com um estrondo, e agora você sabe Por quê essa é a melhor conclusão que o Universo tem a oferecer sobre suas origens!


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