• Começa com um estrondo

O Big Bang não significa mais o que costumava ser

À medida que adquirimos novos conhecimentos, nossa imagem científica de como o Universo funciona deve evoluir. Esta é uma característica do Big Bang, não um bug.

Principais conclusões

• A ideia de que o Universo teve um começo, ou um 'dia sem ontem', como era originalmente conhecido, remonta a Georges Lemaître em 1927.
• Embora ainda seja uma posição defensável afirmar que o Universo provavelmente teve um começo, esse estágio de nossa história cósmica tem muito pouco a ver com o 'Big Bang quente' que descreve nosso Universo inicial.
• Embora muitos leigos (e mesmo uma minoria de profissionais) ainda se apeguem à ideia de que o Big Bang significa 'o começo de tudo', essa definição está décadas desatualizada. Aqui está como ser pego.

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Se há uma característica inerente à ciência, é que nossa compreensão de como o Universo funciona está sempre aberta à revisão diante de novas evidências. Sempre que nossa imagem predominante da realidade – incluindo as regras pelas quais ela atua, o conteúdo físico de um sistema e como ele evoluiu de suas condições iniciais até o presente – é desafiada por novos dados experimentais ou observacionais, devemos abrir nossas mentes para mudanças. nossa imagem conceitual do cosmos. Isso aconteceu muitas vezes desde o início do século 20, e as palavras que usamos para descrever nosso Universo mudaram de significado à medida que nossa compreensão evoluiu.

No entanto, há sempre aqueles que se apegam às velhas definições, como prescritivistas linguísticos , que se recusam a reconhecer que essas mudanças ocorreram. Mas, ao contrário da evolução da linguagem coloquial, que é amplamente arbitrária, a evolução dos termos científicos deve refletir nossa compreensão atual da realidade. Sempre que falamos sobre a origem do nosso Universo, o termo “Big Bang” vem à mente, mas nossa compreensão de nossas origens cósmicas evoluiu tremendamente desde que a ideia de que nosso Universo teve uma origem, cientificamente, foi apresentada pela primeira vez. Veja como resolver a confusão e atualizar você sobre o que o Big Bang significava originalmente versus o que significa hoje.

Fred Hoyle era um regular nos programas de rádio da BBC nas décadas de 1940 e 1950, e uma das figuras mais influentes no campo da nucleossíntese estelar. Seu papel como o detrator mais vocal do Big Bang, mesmo depois que as evidências críticas que o apoiam foram descobertas, é um de seus legados mais duradouros.

A primeira vez que a frase “o Big Bang” foi pronunciada foi mais de 20 anos depois que a ideia foi descrita pela primeira vez. Na verdade, o próprio termo vem de um dos maiores detratores da teoria: Fred Hoyle, que era um defensor ferrenho da ideia rival de uma cosmologia do estado estacionário. Em 1949, ele apareceu na rádio BBC e defendeu o que chamou de princípio cosmológico perfeito: a noção de que o Universo era homogêneo tanto no espaço e tempo , significando que qualquer observador não apenas em qualquer lugar, mas a qualquer momento perceberia que o Universo está no mesmo estado cósmico. Ele passou a ridicularizar a noção oposta como uma “hipótese de que toda a matéria do universo foi criada em um Big Bang em um determinado momento no passado remoto”, que ele então chamou de “irracional” e afirmou estar “fora da ciência”.

Mas a ideia, em sua forma original, não era simplesmente que toda a matéria do Universo foi criada em um momento no passado finito. Essa noção, ridicularizada por Hoyle, já havia evoluído de seu significado original. Originalmente, a ideia era que o Universo em si , não apenas a matéria dentro dele, emergiu de um estado de não-ser no passado finito. E essa ideia, por mais louca que pareça, foi uma consequência inevitável, mas difícil de aceitar, da nova teoria da gravidade apresentada por Einstein em 1915: a Relatividade Geral.

Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvadas por uma quantidade específica. Na Relatividade Geral, tratamos o espaço e o tempo como contínuos, mas todas as formas de energia, incluindo, mas não se limitando à massa, contribuem para a curvatura do espaço-tempo. Quanto mais profundo você está em um campo gravitacional, mais severamente todas as três dimensões do seu espaço são curvadas, e mais severos se tornam os fenômenos de dilatação do tempo e desvio gravitacional para o vermelho.

Quando Einstein elaborou pela primeira vez a teoria geral da relatividade, nossa concepção de gravidade mudou para sempre da noção predominante de gravidade newtoniana. Sob as leis de Newton, a forma como a gravitação funcionava era que toda e qualquer massa no Universo exercesse uma força uma sobre a outra, instantaneamente através do espaço, em proporção direta ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Mas depois de sua descoberta da relatividade especial, Einstein e muitos outros rapidamente reconheceram que não havia uma definição universalmente aplicável do que era “distância” ou mesmo o que “instantaneamente” significava em relação a dois locais diferentes.

Com a introdução da relatividade einsteiniana – a noção de que observadores em diferentes quadros de referência teriam suas próprias perspectivas únicas e igualmente válidas sobre quais eram as distâncias entre os objetos e como a passagem do tempo funcionava – foi quase imediato que os conceitos anteriormente absolutos de “espaço” e “tempo” foram tecidos juntos em um único tecido: o espaço-tempo. Todos os objetos no Universo se moviam através desse tecido, e a tarefa de uma nova teoria da gravidade seria explicar como não apenas as massas, mas todas as formas de energia moldaram esse tecido que sustentava o próprio Universo.

Se você começar com uma configuração de massa fixa e estacionária, e não houver forças ou efeitos não gravitacionais presentes (ou todos eles são desprezíveis em comparação com a gravidade), essa massa sempre inevitavelmente colapsará em um buraco negro. É uma das principais razões pelas quais um Universo estático e não em expansão é inconsistente com a Relatividade Geral de Einstein.

Embora as leis que governavam como a gravitação funcionava em nosso Universo tenham sido apresentadas em 1915, as informações críticas sobre como nosso Universo estava estruturado ainda não haviam chegado. que estavam localizados bem fora da Via Láctea, a maioria dos astrônomos na época pensava que a Via Láctea representava toda a extensão do Universo. Einstein ficou do lado dessa última visão e – pensando que o Universo era estático e eterno – acrescentou um tipo especial de fator de mentira em suas equações: uma constante cosmológica.

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Embora fosse matematicamente permissível fazer essa adição, a razão pela qual Einstein fez isso foi porque, sem uma, as leis da Relatividade Geral garantiriam que um Universo uniformemente distribuído com matéria (que o nosso parecia ser) seria instável contra a gravidade. colapso. Na verdade, era muito fácil demonstrar que qualquer distribuição inicialmente uniforme de matéria imóvel, independentemente da forma ou tamanho, inevitavelmente entraria em colapso em um estado singular sob sua própria atração gravitacional. Ao introduzir esse termo extra de uma constante cosmológica, Einstein poderia ajustá-la de modo que equilibrasse a atração interna da gravidade, empurrando o Universo para fora com uma ação igual e oposta.

O gráfico original de Edwin Hubble de distâncias de galáxias versus redshift (esquerda), estabelecendo o Universo em expansão, versus uma contraparte mais moderna de aproximadamente 70 anos depois (direita). De acordo com a observação e a teoria, o Universo está se expandindo, e a inclinação da linha que relaciona a distância à velocidade de recessão é uma constante.

Dois desenvolvimentos – um teórico e outro observacional – mudariam rapidamente essa história inicial que Einstein e outros haviam contado a si mesmos.

1. Em 1922, Alexander Friedmann elaborou, por completo, as equações que governavam um Universo que era isotropicamente (o mesmo em todas as direções) e homogeneamente (o mesmo em todas as localidades) preenchido com qualquer tipo de matéria, radiação ou outra forma de energia. Ele descobriu que tal Universo nunca permaneceria estático, nem mesmo na presença de uma constante cosmológica, e que deveria expandir ou contrair, dependendo das especificidades de suas condições iniciais.
2. Em 1923, Edwin Hubble tornou-se o primeiro a determinar que as nebulosas espirais em nossos céus não estavam contidas na Via Láctea, mas estavam localizadas muitas vezes mais longe do que qualquer um dos objetos que compunham nossa galáxia. As espirais e elípticas encontradas em todo o Universo eram, de fato, seus próprios “Universos-ilha”, agora conhecidos como galáxias, e que além disso – como já havia sido observado por Vesto Slipher – a grande maioria deles parecia estar se afastando de nós. em velocidades notavelmente rápidas.

Em 1927, Georges Lemaître se tornou a primeira pessoa a juntar essas informações, reconhecendo que o Universo hoje está se expandindo e que, se as coisas estão ficando mais distantes e menos densas hoje, então elas devem estar mais próximas e mais densas no passado. Extrapolando isso de volta à sua conclusão lógica, ele deduziu que o Universo deve ter se expandido até seu estado atual a partir de um único ponto de origem, que ele chamou de “ovo cósmico” ou “átomo primitivo”.

Esta imagem mostra o padre católico e cosmólogo teórico Georges Lemaître na Universidade Católica de Leuven, ca. 1933. Lemaître foi um dos primeiros a conceituar o Big Bang como a origem do nosso Universo no âmbito da Relatividade Geral, embora ele próprio não tenha usado esse nome.

Essa era a noção original do que se transformaria na teoria moderna do Big Bang: a ideia de que o Universo teve um começo, ou um “dia sem ontem”. No entanto, não foi geralmente aceito por algum tempo. Lemaître originalmente enviou suas ideias para Einstein, que infame rejeitou o trabalho de Lemaître respondendo: “Seus cálculos estão corretos, mas sua física é abominável”.

Apesar da resistência às suas ideias, no entanto, Lemaître seria justificado por mais observações do Universo. Muitas outras galáxias teriam suas distâncias e desvios para o vermelho medidos, levando à conclusão esmagadora de que o Universo estava e ainda está se expandindo, igual e uniformemente em todas as direções em grandes escalas cósmicas. Na década de 1930, admitiu Einstein, referindo-se à sua introdução da constante cosmológica na tentativa de manter o Universo estático como seu “maior erro”.

No entanto, o próximo grande desenvolvimento na formulação do que conhecemos como o Big Bang não viria até a década de 1940, quando George Gamow – talvez não tão coincidentemente, um orientando de Alexander Friedmann – apareceu. Em um notável salto à frente, ele reconheceu que o Universo não estava apenas cheio de matéria, mas também de radiação, e que a radiação evoluiu de maneira um pouco diferente da matéria em um Universo em expansão. Isso teria pouca importância hoje, mas nos estágios iniciais do Universo, importava tremendamente.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura, e também a energia do campo durante a inflação, é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Observe que os quanta individuais de radiação não são destruídos, mas simplesmente diluídos e desviados para o vermelho para energias progressivamente mais baixas, estendendo-se para comprimentos de onda mais longos e energias mais baixas à medida que o espaço se expande.

A matéria, Gamow percebeu, era composta de partículas e, à medida que o Universo se expandia e o volume que essas partículas ocupavam aumentava, a densidade do número de partículas de matéria cairia em proporção direta ao crescimento do volume.

Mas a radiação, embora também composta por um número fixo de partículas na forma de fótons, tinha uma propriedade adicional: a energia inerente a cada fóton é determinada pelo comprimento de onda do fóton. À medida que o Universo se expande, o comprimento de onda de cada fóton aumenta pela expansão, o que significa que a quantidade de energia presente na forma de radiação diminui mais rapidamente do que a quantidade de energia presente na forma de matéria no Universo em expansão.

Mas no passado, quando o Universo era menor, o oposto teria sido verdadeiro. Se extrapolarmos para trás no tempo, o Universo estaria em um estado mais quente, mais denso e mais dominado pela radiação. Gamow aproveitou esse fato para fazer três grandes previsões genéricas sobre o jovem Universo.

1. Em algum momento, a radiação do Universo estava quente o suficiente para que cada átomo neutro fosse ionizado por um quantum de radiação, e esse banho de radiação remanescente ainda persistisse hoje em apenas alguns graus acima do zero absoluto.
2. Em algum ponto ainda anterior, teria sido muito quente para formar núcleos atômicos estáveis, e assim um estágio inicial de fusão nuclear deveria ter ocorrido, onde uma mistura inicial de prótons e nêutrons deveria ter se fundido para criar um conjunto inicial. de núcleos atômicos: uma abundância de elementos que antecede a formação de átomos.
3. E, finalmente, isso significa que haveria algum ponto na história do Universo, após a formação dos átomos, em que a gravitação reuniu essa matéria em aglomerados, levando à formação de estrelas e galáxias pela primeira vez.

Diagrama esquemático da história do Universo, destacando a reionização. Antes que as estrelas ou galáxias se formassem, o Universo estava cheio de átomos neutros, bloqueadores de luz, que se formaram quando o Universo tinha ~ 380.000 anos. A maior parte do Universo não se torna reionizada até 550 milhões de anos depois, com algumas regiões alcançando a reionização completa mais cedo e outras mais tarde. As primeiras grandes ondas de reionização começam a acontecer por volta de 200 milhões de anos, enquanto algumas estrelas afortunadas podem se formar apenas 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang. Com as ferramentas certas, como o JWST, esperamos revelar as primeiras galáxias de todas.

Esses três pontos principais, juntamente com a expansão já observada do Universo, formam o que conhecemos hoje como os quatro pilares do Big Bang. Embora ainda se estivesse livre para extrapolar o Universo de volta a um estado arbitrariamente pequeno e denso - até mesmo para uma singularidade, se você for ousado o suficiente para fazê-lo - essa não era mais a parte da teoria do Big Bang que tinha qualquer poder preditivo para isto. Em vez disso, foi o surgimento do Universo de um estado quente e denso que levou às nossas previsões concretas sobre o Universo.

Ao longo das décadas de 1960 e 1970, bem como desde então, uma combinação de avanços observacionais e teóricos demonstrou inequivocamente o sucesso do Big Bang em descrever nosso Universo e prever suas propriedades.

• A descoberta do fundo cósmico de micro-ondas e a subsequente medição de sua temperatura e a natureza do corpo negro de seu espectro eliminaram teorias alternativas como o modelo de estado estacionário.
• As abundâncias medidas dos elementos leves em todo o Universo confirmaram as previsões da nucleossíntese do Big Bang, ao mesmo tempo em que demonstraram a necessidade de fusão nas estrelas para fornecer os elementos pesados ​​em nosso cosmos.
• E quanto mais longe olhamos no espaço, as galáxias e populações estelares menos crescidas e evoluídas parecem ser, enquanto as estruturas de maior escala, como grupos e aglomerados de galáxias, são menos ricas e abundantes quanto mais para trás olhamos.

O Big Bang, conforme verificado por nossas observações, descreve com precisão e precisão o surgimento do nosso Universo, como o vemos, de um estágio inicial quente, denso e quase perfeitamente uniforme.

Mas e o “começo dos tempos”? E quanto à ideia original de uma singularidade e de um estado arbitrariamente quente e denso do qual o próprio espaço e tempo poderiam ter emergido?

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. No entanto, o Big Bang não foi uma explosão, e a expansão cósmica é muito diferente dessa ideia.

Essa é uma conversa diferente, hoje, do que era na década de 1970 e antes. Naquela época, sabíamos que poderíamos extrapolar o Big Bang quente de volta no tempo: de volta à primeira fração de segundo da história do Universo observável. Entre o que pudemos aprender com os colisores de partículas e o que pudemos observar nas profundezas do espaço, tivemos muitas evidências de que essa imagem descrevia com precisão nosso Universo.

Mas nos primeiros tempos absolutos, essa imagem se desfaz. Houve uma nova ideia – proposta e desenvolvida na década de 1980 – conhecida como inflação cosmológica, que fez uma série de previsões que contrastavam com aquelas que surgiram da ideia de uma singularidade no início do Big Bang quente. Em particular, a inflação previu:

• Uma curvatura para o Universo indistinguível de plana, ao nível entre 99,99% e 99,9999%; comparativamente, um Universo singularmente quente não fez nenhuma previsão.
• Temperaturas e propriedades iguais para o Universo mesmo em regiões causalmente desconectadas; um Universo com um início singular não fez tal previsão.
• Um Universo desprovido de relíquias exóticas de alta energia como monopolos magnéticos; um Universo arbitrariamente quente os possuiria.
• Um Universo semeado com flutuações de pequena magnitude que eram quase, mas não perfeitamente, invariantes em escala; um Universo não inflacionário produz flutuações de grande magnitude que entram em conflito com as observações.
• Um Universo onde 100% das flutuações são adiabáticas e 0% são isocurvaturas; um Universo não inflacionário não tem preferência.
• Um Universo com flutuações em escalas maiores que o horizonte cósmico; um Universo originado unicamente de um Big Bang quente não pode tê-los.
• E um Universo que atingiu uma temperatura máxima finita bem abaixo da escala de Planck; ao contrário de um cuja temperatura máxima atingiu todo o caminho até essa escala de energia.

Os três primeiros foram pós-dicções da inflação; as quatro últimas eram previsões que ainda não haviam sido observadas quando foram feitas. Em todas essas contas, o quadro inflacionário teve sucesso de maneiras que o Big Bang quente, sem inflação, não teve.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. Novas previsões como essas são essenciais para demonstrar a validade de um mecanismo de ajuste fino proposto e para testar (e potencialmente descartar) alternativas.

Durante a inflação, o Universo deve ter sido desprovido de matéria e radiação e, em vez disso, continha algum tipo de energia – seja inerente ao espaço ou como parte de um campo – que não se diluiu à medida que o Universo se expandia. Isso significa que a expansão inflacionária, ao contrário da matéria e radiação, não seguiu uma lei de potência que leva de volta a uma singularidade, mas é de caráter exponencial. Um dos aspectos fascinantes sobre isso é que algo que aumenta exponencialmente, mesmo se você extrapolar para tempos arbitrariamente primitivos, até mesmo para um tempo em que t → -∞, nunca atinge um início singular.

Agora, há muitas razões para acreditar que o estado inflacionário não foi eterno no passado, que pode ter havido um estado pré-inflacionário que deu origem à inflação, e que, qualquer que fosse esse estado pré-inflacionário, talvez tenha tido um começo. Existem teoremas que foram comprovados e lacunas descobertas para esses teoremas, alguns dos quais foram fechados e alguns dos quais permanecem abertos, e esta continua sendo uma área de pesquisa ativa e excitante.

As linhas azuis e vermelhas representam um cenário “tradicional” do Big Bang, onde tudo começa no tempo t=0, incluindo o próprio espaço-tempo. Mas em um cenário inflacionário (amarelo), nunca alcançamos uma singularidade, onde o espaço vai para um estado singular; em vez disso, ele só pode ficar arbitrariamente pequeno no passado, enquanto o tempo continua a retroceder para sempre. Apenas a última minúscula fração de segundo, desde o fim da inflação, se imprime em nosso Universo observável hoje.

Mas uma coisa é certa.

Se houve um começo singular e definitivo para toda a existência ou não, não tem mais nada a ver com o Big Bang quente que descreve nosso Universo a partir do momento em que:

• acabou a inflação,
• ocorreu o quente Big Bang,
• o Universo ficou cheio de matéria e radiação e muito mais,
• e começou a se expandir, esfriar e gravitar,

acabando por chegar aos dias de hoje. Ainda há uma minoria de astrônomos, astrofísicos e cosmólogos que usam “o Big Bang” para se referir a esse início e surgimento teórico do tempo-e-espaço, mas não apenas isso não é mais uma conclusão precipitada, mas também não tem nada a ver com o Big Bang quente que deu origem ao nosso Universo. A definição original do Big Bang agora mudou, assim como nossa compreensão do Universo mudou. Se você ainda está atrasado, tudo bem; o melhor momento para recuperar o atraso é sempre agora.

Leitura adicional recomendada:

• Pergunte a Ethan: Nós sabemos por que o Big Bang realmente aconteceu? (evidência para inflação cósmica)
• Surpresa: o Big Bang não é mais o começo do universo (por que uma “singularidade” não é mais necessariamente um dado)

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