Como o universo tornou nossa existência possível?

Das maiores escalas cósmicas até as menores subatômicas, as mesmas leis da física definem todo o Universo. Os blocos de construção dos quais a vida surgiu na Terra não eram algo com que o Universo nasceu, mas precisavam ser criados, astrofisicamente, em escalas de tempo cósmicas. (NASA/JENNY MOTTAR)



A história do Universo está para sempre impressa em nossos próprios corpos.


Podemos aprender muito sobre a história do Universo apenas olhando para cada um dos nossos próprios corpos. Um ser humano adulto totalmente crescido é um sistema incrivelmente complexo, composto de trilhões de células e em algum lugar na vizinhança de 1028 átomos: os blocos de construção de toda a matéria na Terra. A história científica do que é preciso para fazer um humano nos ensina muito sobre não apenas a evolução e a história da vida na Terra, mas também de todo o Universo.

Não foram apenas bilhões de anos de vida sobrevivendo, prosperando e preenchendo todos os nichos ecológicos possíveis em nosso planeta que nos trouxeram à existência, mas um Universo inteiro. A história de como nos tornamos requer todos os tipos de predecessores cósmicos, desde gerações anteriores de estrelas até as fusões de galáxias antigas até o próprio Big Bang. Mesmo a matéria escura desempenha um papel extremamente importante para permitir que os seres humanos existam neste Universo. Demorou 13,8 bilhões de anos para os humanos surgirem na Terra, e finalmente reconstruímos a história cósmica de como chegamos aqui.



A composição do corpo humano, por número atômico e por massa. Existem 56 elementos representados no corpo humano no nível de 0,1 miligrama ou mais, e a maioria deles tem uma função biológica conhecida. (ED UTHMAN, M.D., VIA HTTP://WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN/ (EU); USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS ZHAOCAROL (R))

Em um nível muito básico, podemos aprender o que é um ser humano simplesmente observando os minúsculos componentes – os átomos – que compõem nossos corpos. O oxigênio é o elemento mais abundante em nosso corpo, seguido pelo carbono, hidrogênio, nitrogênio e cálcio. Ao todo, existem pelo menos 56 elementos diferentes da tabela periódica que compõem pelo menos 0,1 miligrama de um humano típico, com elementos leves e pesados ​​desempenhando papéis importantes nas atividades biológicas do corpo.

Nos últimos 200.000 anos, mais ou menos, os seres humanos caminharam sobre esta Terra, com cada geração de humanos modernos descendendo da anterior. É assim que toda criatura viva funciona: é descendente de seu organismo pai (ou de vários pais), com o material genético transmitido – além de quaisquer mutações que ocorram – de pai para filho. Em uma seqüência ininterrupta de vida que remonta a mais de quatro bilhões de anos na Terra, é daí que todos os organismos existentes hoje vêm.



Uma classe fascinante de organismos conhecidos como sifonóforos é em si uma coleção de pequenos animais trabalhando juntos para formar um organismo colonial maior. Essas formas de vida atravessam a fronteira entre um organismo multicelular e um organismo colonial e provavelmente representam um estágio evolutivo intermediário no desenvolvimento de formas de vida multicelulares. (KEVIN RASKOFF, CAL STATE MONTEREY / CRISCO 1492 DA WIKIMEDIA COMMONS)

Todas as várias formas de vida que já existiram, no entanto, dependem dos mesmos ingredientes que os humanos: esses mesmos átomos e esses mesmos elementos. Todos eles exigem um lar estável onde possam se reunir em formas de vida que se reproduzam e se sustentem por bilhões de anos: um planeta rochoso como a Terra em torno de uma estrela relativamente estável como o nosso Sol. Não há garantia de que a evolução de algo como os seres humanos seja inevitável, mas para todos os planetas do Universo com condições semelhantes às da Terra, temos que reconhecer que isso pode ser possível.

A questão é, então, o que precisava acontecer no Universo para um planeta parecido com a Terra em torno de uma estrela parecida com o Sol com os ingredientes crus certos para que a vida surgisse? Você não pode simplesmente dizer que o Universo foi criado dessa maneira, porque não é assim que a ciência funciona. Na ciência, se você quer saber a resposta a uma pergunta sobre o Universo, você tem que interrogar o próprio Universo. A maneira como fazemos isso é formulando hipóteses, realizando experimentos, fazendo observações e tirando conclusões.

Felizmente, esse método é notavelmente bem-sucedido em fornecer as respostas que buscamos.



As abundâncias dos elementos no Universo hoje, conforme medido para o nosso Sistema Solar. Os 10 principais elementos do Universo, em ordem, são hidrogênio, hélio, oxigênio, carbono, nitrogênio, néon, magnésio, silício, ferro e enxofre. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS 28BYTES)

O primeiro ingrediente de que precisamos são os elementos necessários à vida: os vários átomos que compõem a tabela periódica. Quando olhamos a Terra e os outros corpos em nosso Sistema Solar em detalhes – incluindo meteoritos estrangeiros que caem na Terra – podemos determinar quais elementos estão presentes em quais proporções, e isso inclui todos os elementos necessários para a vida.

Até então estudando o Universo, incluindo:

  • estrelas grandes e massivas,
  • eventos de supernovas,
  • pequenas estrelas semelhantes ao Sol,
  • remanescentes estelares como anãs brancas e estrelas de nêutrons,
  • raios cósmicos,
  • e até o próprio Big Bang,

podemos determinar de onde vem a maioria de cada elemento. Para fazer um Universo que permita humanos, portanto, podemos concluir o que é necessário.

Os elementos da tabela periódica e sua origem estão detalhados nesta imagem acima. O lítio surge de uma mistura de três fontes, mas acontece que um canal em particular, as novas clássicas, é provavelmente responsável por praticamente todo (~ 80% +) do lítio existente. (NASA/CXC/SAO/K. DIVONA)

Talvez surpreendentemente, a resposta é todos esses . Só que você não pode obtê-los imediatamente.

Se nosso Universo começa com o Big Bang quente, os únicos elementos que são criados lá são hidrogênio, hélio e um pouquinho de lítio (elemento #3); nada mais. A razão é simples, mas restritiva: nos estágios iniciais e mais quentes, você tem muitos prótons e nêutrons em altas energias, mas também tem fótons suficientes – ou partículas de luz – que sempre que os prótons e nêutrons se unem, a luz entra. e os separa.

Somente quando o Universo se expande e esfria o suficiente, prótons e nêutrons podem se unir para formar elementos mais pesados, e isso leva tempo. Mas a essa altura, as coisas são tão menos densas e energéticas que a força elétrica que repele dois átomos de hélio é tão forte que as partículas não conseguem superá-la. Podemos fazer os elementos mais leves no Big Bang, mas não os mais pesados. Para esses, temos que esperar muito, muito tempo: para que as estrelas se formem.

A concepção de um artista de como o Universo pode ser ao formar estrelas pela primeira vez: estrelas feitas apenas de hidrogênio e hélio. À medida que brilham e se fundem, a radiação será emitida, tanto eletromagnética quanto gravitacional. Mas quando morrem, podem dar origem a uma segunda geração de estrelas, e essas são muito mais interessantes. (NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (SSC))

Leva dezenas ou mesmo centenas de milhões de anos para o Universo esfriar o suficiente e para a gravitação atrair matéria suficiente para locais individuais para desencadear a formação de estrelas pela primeira vez. Para que isso aconteça, o Universo precisa:

  1. nasceram com pequenas imperfeições, onde algumas regiões têm mais matéria do que outras,
  2. resfriado o suficiente para que átomos estáveis ​​possam se formar a partir dos núcleos atômicos ionizados e elétrons livres,
  3. atrair matéria suficiente para um lugar para que as nuvens de gás possam entrar em colapso para formar estrelas,
  4. e para que a matéria em colapso irradie energia suficiente para que a fusão nuclear possa começar a ocorrer no núcleo de uma estrela.

A primeira parte é uma das principais evidências da inflação cósmica; a segunda parte é de onde vem o fundo cósmico de micro-ondas que vemos; a terceira é o que leva todo esse tempo — dezenas a centenas de milhões de anos — para ocorrer; mas o quarto é um desafio.

Por quê?

Porque normalmente, a maneira como o gás esfria para formar estrelas envolve irradiar essa energia através de seus elementos pesados. Sem nenhum deles presente, a única maneira de se refrescar é irradiando gás hidrogênio, que é terrivelmente ineficiente. Como resultado, as primeiras estrelas do Universo, que os astrônomos chamam de estrelas da População III, eram muito diferentes das estrelas que formamos hoje.

Ilustração da galáxia distante CR7, que, em 2016, foi descoberta para abrigar a melhor candidata de sempre a uma população primitiva de estrelas formadas a partir do material direto do Big Bang. Mais tarde, descobriu-se que essas estrelas não são bem imaculadas; a busca por verdadeiras estrelas da População III (as primeiras estrelas de todas) continua. (M. KORMESSER / ESO)

Em média, o Universo forma algumas estrelas azuis grandes, pesadas e massivas sempre que novas estrelas são formadas, mas a nova estrela média é pequena: cerca de 40% da massa do Sol. Por causa da falta de elementos pesados, no entanto, a estrela média da População III deve ter cerca de 10 vezes a massa do Sol, o que significa que todas têm vida curta e provavelmente morrerão em uma explosão de supernova.

Isso é bom, em certo sentido, porque as supernovas não apenas criam uma grande fração de elementos pesados, mas também levam à formação de estrelas de nêutrons, que podem se fundir para produzir os elementos mais pesados ​​de todos: elementos como iodo, ouro , platina e tungstênio. Essas primeiras estrelas são importantes, e o fato de elas produzirem supernovas também é importante.

Mas também apresenta um desafio, porque esses aglomerados de estrelas iniciais têm apenas um pouco de matéria neles, enquanto as supernovas expelem material a velocidades incrivelmente ferozes. Se você executar a matemática e somar quanto material existe para formar as primeiras estrelas e compará-lo com a rapidez com que as supernovas ejetam o material, você se depara com um quebra-cabeça.

A mesma supernova é mostrada em dois painéis: à esquerda de 1985 e à direita de 2007/8, cerca de 22 anos depois. A última imagem não é apenas de maior resolução, mas fornece informações que nos dizem a rapidez com que o material da supernova é ejetado da região central. Sem gravitação suficiente nesta região do espaço, o material ejetado deixaria a galáxia inteiramente. (RAIO X (NASA/CXC/NCSU/S.REYNOLDS ET AL.); RÁDIO (NSF/NRAO/VLA/CAMBRIDGE/D.GREEN ET AL.); INFRAVERMELHO (2MASS/UMASS/IPAC-CALTECH/NASA/NSF) /CFA/E.BRESSERT))

O material ejetado é muito rápido para a quantidade de massa presente, o que significa que esses elementos pesados ​​devem ser ejetados esmagadoramente no meio intergaláctico.

Isso é ruim! Precisamos nos apegar a esse material para que ele possa participar das futuras gerações de formação de estrelas. Precisamos dele para ajudar a formar:

  • gerações subsequentes de estrelas, para que possamos obter estrelas de baixa massa,
  • planetas rochosos, para que possamos ter um mundo terrestre como a Terra, em vez de planetas dominados apenas por gás,
  • e vida, porque precisamos da química que esses elementos pesados ​​tornam possível.

A matéria normal baseada em átomos no Universo por si só não é suficiente para fazer isso. Todo o gás, poeira e buracos negros que existem simplesmente não nos fornecem força gravitacional suficiente para nos agarrarmos a esse material. Em um universo feito apenas de átomos, as estruturas mais massivas que vemos – estruturas como a que habitamos, a Via Láctea – seriam impossíveis. Para formá-los, precisamos de um ingrediente extra: a matéria escura.

Eventos violentos, como supernovas e fusões de estrelas de nêutrons, podem levar à expulsão de matéria normal em velocidades tremendas, como mostrado aqui (em vermelho) para a galáxia Messier 82. o meio intergaláctico, mas num Universo com matéria escura, permanece na galáxia, onde pode participar na formação de futuras gerações de estrelas. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Com a matéria escura, esses primeiros aglomerados de estrelas e proto-galáxias podem ter gravitação suficiente para se agarrar ao material ejetado de supernovas e outros cataclismos, enquanto atraem cada vez mais matéria para eles. Com o tempo, elementos pesados ​​suficientes são construídos para que estrelas mais evoluídas – com frações substanciais de elementos pesados ​​– possam começar a se formar. Essas estrelas têm menos massa e não apenas ajudam a produzir muitos dos elementos da nossa tabela periódica, mas também anãs brancas, que se fundem e explodem, levando à formação de átomos como carbono, nitrogênio e cálcio: elementos vitais para nossos corpos .

Eventualmente, depois de bilhões de anos, galáxias individuais como a Via Láctea serão ricas o suficiente nesses elementos pesados ​​que, quando novas estrelas se formarem, também serão capazes de formar planetas rochosos semelhantes à Terra ao seu redor. Pensa-se que, cerca de 9,2 bilhões de anos após o Big Bang, uma região de formação de estrelas em nossa Via Láctea criou uma grande variedade de estrelas, uma das quais se transformaria em nosso Sol. Seu disco protoplanetário acabaria formando quatro planetas rochosos internos, bem como um sistema de planetas gigantes gasosos externos. O terceiro planeta a partir desse Sol, a Terra, acabaria por formar vida e levar ao surgimento dos seres humanos.

Uma ilustração do jovem sistema solar Beta Pictoris, um tanto análogo ao nosso próprio Sistema Solar durante sua formação. Um disco protoplanetário se forma, levando a uma mistura de planetas rochosos e dominados por gás, desde que concentrações suficientes de elementos pesados ​​estejam presentes. (AVI M. MANDELL, NASA)

Nada disso era uma conclusão predestinada. Se rebobinarmos o relógio para a formação inicial do nosso Sistema Solar e adiantarmos o relógio um bilhão de vezes, é extraordinariamente improvável que os seres humanos surgissem sequer uma vez. Mas se rebobinarmos o relógio de volta aos estágios iniciais do quente Big Bang, um Universo cheio de estrelas, galáxias, planetas rochosos, estrelas semelhantes ao Sol e trilhões e trilhões de chances de vida seria quase inevitável.

A razão é simples: as leis e as matérias-primas do Universo são sempre as mesmas. Um Universo nascido com matéria normal produzirá os elementos leves; um Universo com imperfeições de densidade produzirá uma primeira geração de estrelas; um Universo com matéria escura se agarrará a esse material ejetado e formará estrelas com elementos pesados; um Universo com uma segunda geração de estrelas formará planetas rochosos e estrelas semelhantes ao Sol; e um Universo com planetas rochosos semelhantes à Terra permitirá que a vida exista, sobreviva e prospere por bilhões de anos. O resto pode ser tudo por acaso, mas foi isso que tornou nossa existência possível. Cabe a todos nós não desperdiçá-lo.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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