• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Quando começamos a contar a idade do Universo?

O Universo tem 13,8 bilhões de anos, remontando ao quente Big Bang. Mas isso foi realmente o começo, e essa é realmente a sua idade?

Principais conclusões

• Se contarmos desde o início do Big Bang quente, aprendemos que o Universo tem 13,8 bilhões de anos, com apenas um grau de incerteza muito pequeno (~ 1%).
• Mas o que nos dá o direito de chamar o início do Big Bang quente de 'o começo', particularmente se agora podemos afirmar com confiança que um período de inflação cósmica o precedeu?
• A realidade é que temos que fazer escolhas, e o início do quente Big Bang é uma das primeiras coisas sobre as quais podemos ter certeza. Aqui está o que a 'idade do Universo' realmente significa.

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De acordo com a teoria do Big Bang quente, o Universo teve um começo. Originalmente conhecido como “um dia sem ontem”, esta é uma das informações mais controversas e filosoficamente alucinantes que aceitamos como parte da história científica do nosso Universo. Muitos detratores irão rejeitá-lo por estar muito alinhado com certos textos religiosos, enquanto outros - talvez com mais razão - observam que no contexto moderno da inflação cósmica, o Big Bang quente ocorreu apenas como resultado de uma época anterior.

E, no entanto, se você perguntar a qualquer cosmólogo ou astrofísico que seja bem versado na história científica de nossos primórdios “quantos anos tem o nosso Universo?” você sempre obtém a mesma resposta: 13,8 bilhões de anos. Por que isso acontece e quando começamos a contar? Isso é o que Denis Gaudet quer saber, escrevendo para perguntar:

“Por que você começa contar a idade do universo após 380.000 anos decorridos após o big bang?”

O tempo “380.000 anos após o Big Bang” é de particular interesse, mas muito poucas pessoas marcam isso como o começo do Universo; é o começo de algo importante, no entanto. Aqui está o que podemos dizer, verdadeiramente, sobre a idade do nosso Universo.

O aglomerado globular Messier 69 é altamente incomum por ser incrivelmente antigo, com indícios de que se formou em apenas 5% da idade atual do Universo (cerca de 13 bilhões de anos atrás), mas também por ter um teor de metal muito alto, com 22% da metalicidade de nosso Sol. As estrelas mais brilhantes estão na fase de gigante vermelha, acabando de esgotar seu combustível principal, enquanto algumas estrelas azuis são o resultado de fusões: retardatárias azuis.

A primeira coisa que você precisa entender é que existem duas maneiras diferentes de medir a idade do Universo desde o início do quente Big Bang.

1. Podemos encontrar “a coisa mais antiga que sabemos como medir sua idade” e concluir que o Universo deve ter pelo menos essa idade.
2. Podemos usar o que sabemos sobre a teoria que governa o Universo, a Relatividade Geral, bem como nosso conhecimento do que o Universo é feito e quão rápido ele está se expandindo hoje para calcular quanto tempo se passou desde o início do Big Bang quente .

O primeiro método não é exatamente uma medida de quantos anos o Universo tem, mas sim uma verificação de sanidade: o Universo não pode ser mais velho do que as coisas nele, então quando encontramos coisas nele e medimos suas idades, concluímos que o Universo deve ter pelo menos essa idade.

Como a cosmologia e a astrofísica cresceram a partir das ciências muito mais antigas da astronomia e da física, não deveria ser surpresa que uma das coisas em que nos tornamos muito bons em saber as idades são estrelas e grandes populações de estrelas. Veja como isso funciona.

Os ciclos de vida das estrelas podem ser entendidos no contexto do diagrama cor/magnitude mostrado aqui. À medida que a população de estrelas envelhece, elas “desligam” o diagrama, permitindo-nos datar a idade do aglomerado em questão. Os aglomerados estelares globulares mais antigos, como o aglomerado mais antigo mostrado à direita, têm uma idade de pelo menos 13,2 bilhões de anos.

Sempre e onde quer que as estrelas nasçam, o que ocorre sempre que as nuvens de gás colapsam suficientemente sob sua própria gravidade, elas vêm em uma ampla variedade de tamanhos, cores, temperaturas e massas. São as estrelas maiores, mais azuis e massivas que contêm as maiores quantidades de combustível nuclear, mas talvez paradoxalmente, essas estrelas são na verdade as de vida mais curta de todas. A razão é simples: no núcleo de qualquer estrela, onde ocorre a fusão nuclear, ela só ocorre onde as temperaturas excedem 4 milhões de K, e quanto maior a temperatura, maior a taxa de fusão.

Portanto, as estrelas mais massivas podem ter mais combustível disponível no início, mas isso significa que elas brilham intensamente à medida que queimam seu combustível rapidamente. Em particular, as regiões mais quentes do núcleo esgotarão seu combustível mais rapidamente, levando as estrelas mais massivas a morrer mais rapidamente. O melhor método que temos para medir “quantos anos tem uma coleção de estrelas?” é examinar aglomerados globulares, que formam estrelas isoladas, muitas vezes de uma só vez, e depois nunca mais. Observando as estrelas mais frias e fracas que restam (e a falta de estrelas mais quentes, azuis, brilhantes e massivas), podemos afirmar com confiança que o Universo deve ter pelo menos ~ 12,5-13,0 bilhões de anos.

Medir no tempo e na distância (à esquerda de “hoje”) pode informar como o Universo irá evoluir e acelerar/desacelerar no futuro. Ao vincular a taxa de expansão aos conteúdos de matéria e energia do Universo e medir a taxa de expansão, podemos chegar a uma estimativa da quantidade de tempo que se passou desde o início do Big Bang quente.

Da mesma forma, podemos pegar as leis conhecidas da física, como a Relatividade Geral, e aplicá-las ao Universo em expansão. Isso resulta em um conjunto de equações - as equações de Friedmann — que relacionam como o Universo se expandiu ao longo de sua história com a rapidez com que se expande hoje e também as várias formas de energia que estão presentes dentro dele. Quando pegamos o melhor conjunto de dados disponíveis, incluindo o fundo cósmico de micro-ondas (CMB), que é feito da luz que sobrou do Big Bang, e de todos os dados de agrupamento em larga escala que coletamos, obtemos uma resposta direta que nos revela nossa história cósmica.

Descobrimos que o Universo é feito de:

• 68% de energia escura,
• 27% de matéria escura,
• 4,9% de matéria normal,
• 0,1% de neutrinos,
• 0,01% de fótons,

e não uma quantidade apreciável de qualquer outra coisa. Também descobrimos que ele está se expandindo a uma taxa de 67 km/s/Mpc, o que — quando combinamos todas essas informações — revela um Universo com 13,8 bilhões de anos, se extrapolarmos até o instante do Big Bang . Caso encerrado?

Este gráfico mostra quais valores da constante de Hubble (esquerda, eixo y) melhor se ajustam aos dados da radiação cósmica de fundo de ACT, ACT + WMAP e Planck. Observe que uma constante de Hubble mais alta é admissível, mas apenas à custa de ter um Universo com mais energia escura e menos matéria escura.

Não inteiramente. Existem três objeções que você pode fazer, cada uma com vários graus de validade.

Objeção nº 1: E a tensão de Hubble, ou o fato de diferentes métodos de medição fornecerem um valor para a taxa de expansão de 74 km/s/Mpc, ou 9% maior que o valor citado?

É verdade: se medirmos uma impressão do Universo primitivo, como a distância entre os diferentes “picos” máximos de densidade no Universo em expansão, obtemos o valor anterior de 67 km/s/Mpc com os constituintes do Universo mencionados acima de. Mas e se esse método não estiver correto, ou não for universalmente correto, e os métodos mais recentes que usamos, como a escada de distância cósmica, que dá 74 km/s/Mpc, estiverem corretos?

Você pode pensar que isso implicaria um Universo mais jovem, já que “expansão mais rápida” significa que leva menos tempo para traçar o Universo de volta a uma condição em que toda a matéria e energia foram reduzidas a um único ponto.

Mas acontece que existem degenerações entre vários parâmetros em termos de “o que compõe o Universo” e “quão rápido o Universo está se expandindo”, o que significa que se a taxa de expansão for 9% maior, isso nos obriga a aumentar ligeiramente a quantidade de a energia escura em alguns por cento, à custa da matéria escura, que diminui aproximadamente na mesma quantidade. A “idade do Universo” pode mudar um pouco, talvez até 13,6 bilhões de anos, mas isso não é muito. O parâmetro “idade” é amplamente invariante a essas mudanças.

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 leves e da radiação cósmica de fundo, deixa apenas o Big Bang como uma explicação válida para tudo o que vemos. A previsão de um neutrino cósmico de fundo foi uma das últimas grandes previsões não confirmadas do Big Bang e agora foi validada por meio de dois métodos independentes, embora indiretos.

Objeção nº 2: Devemos começar a contar a partir de 380.000 anos, onde foi emitido o CMB que observamos, ou algum outro marco, em vez de um “t=0” nominal correspondente ao momento do Big Bang?

Essa é uma consideração interessante, porque só faz sentido extrapolar até onde seus dados permitem que você tenha certeza de que a extrapolação é válida. No entanto, há duas razões pelas quais eu não voltaria apenas para o CMB.

1. Temos dois conjuntos de sinais que remontam mais longe: a abundância dos elementos leves criados a partir da nucleossíntese do Big Bang, que ocorre quando apenas 3-4 minutos se passaram desde o Big Bang quente, e os sinais do fundo cósmico de neutrinos que imprimem eles mesmos no CMB e na estrutura em larga escala do Universo, que foram criados e congelados quando apenas ~ 1 segundo se passou desde o quente Big Bang.
2. Quando contamos bilhões de anos - você sabe, 13,8 bilhões de anos - a incerteza está no último dígito: o '8' em 13,8 bilhões. Se você errar 380.000 anos, ou alguns minutos ou segundos, você não notará; isso não é significativo em comparação com o número de 13,8 bilhões.

É verdade que existem muitos marcos que podemos alcançar extrapolando no tempo: os primeiros aglomerados de galáxias, as primeiras galáxias, as primeiras estrelas, os primeiros átomos neutros, os primeiros núcleos atômicos estáveis, os primeiros prótons e nêutrons, o primeiro partículas massivas, etc., mas se formos o mais cedo possível, sabemos - com três algarismos significativos, pelo menos - que '13,8 bilhões de anos atrás' foi quando o quente Big Bang começou.

A partir de um estado pré-existente, a inflação prevê que uma série de universos serão gerados à medida que a inflação continuar, cada um sendo completamente desconectado um do outro, separado por mais espaço inflável. Uma dessas “bolhas”, onde acabou a inflação, deu origem ao nosso Universo há cerca de 13,8 mil milhões de anos, com uma densidade de entropia muito baixa, mas sem nunca violar a 2ª lei da termodinâmica.

Objeção nº 3: Ok, mas o Universo não verdade comece com o quente Big Bang; a inflação cósmica a precedeu. Então, por que não começar no início da inflação?

Agora você está falando a minha língua. Este também me deixa confuso, porque sei que voltar 13,8 bilhões de anos para o Big Bang quente não nos leva de volta ao verdadeiro começo. Em vez disso, nos leva de volta a uma suposição que costumávamos pensar que poderia ser válida, mas que temos certeza de que não é mais: que você poderia extrapolar nosso Universo em expansão e resfriamento de volta, usando os componentes do Universo que temos hoje. , para um estado onde tínhamos:

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• temperaturas arbitrariamente altas,
• densidades arbitrariamente altas,
• e onde nosso universo de 92 bilhões de anos-luz de diâmetro, hoje, foi todo contraído em um único ponto.

Essa ideia, de que o início do Big Bang quente corresponde a uma singularidade, já foi considerada um dado adquirido talvez desde a década de 1920, quando o Big Bang foi concebido pela primeira vez, até a década de 1970. Mas na década de 1970, começamos a notar algumas propriedades peculiares que não pareciam se alinhar com a noção de extrapolar o Big Bang quente para aqueles estados arbitrariamente quentes, densos, energéticos e pequenos.

Se essas três regiões diferentes do espaço nunca tiveram tempo de se termalizar, compartilhar informações ou transmitir sinais umas às outras, por que todas têm a mesma temperatura? Este é um dos problemas com as condições iniciais do Big Bang; como todas essas regiões poderiam obter a mesma temperatura, a menos que começassem dessa maneira, de alguma forma?

Por exemplo, vimos que o Universo era espacialmente plano: onde era como se a taxa de expansão e a quantidade total de matéria e energia no Universo estivessem perfeitamente equilibradas, até o átomo. Isso certamente é possível dentro do paradigma do Big Bang, mas não é de forma alguma previsto. Também vimos que o Universo tinha as mesmas propriedades – incluindo temperaturas e densidades – em regiões que não poderiam ter se comunicado ou trocado informações umas com as outras desde o início do quente Big Bang. E, por outro lado, não vimos quaisquer restos de relíquias de alta energia, como os tipos que poderíamos esperar se o Universo chegasse a atingir esses estados ultraquentes.

Uma possibilidade que surgiu foi que o Universo, antes do quente Big Bang, foi precedido por um período de expansão exponencial que se instalou e deu origem às condições que observamos. O Universo seria plano porque a inflação o esticou tanto que seria indistinguível do plano, independentemente do que era antes. Seria a mesma temperatura em todas as direções porque essas regiões agora díspares já se sobrepuseram, mas a inflação as separou. E não haveria relíquias de alta energia porque o Universo nunca atingiu essas temperaturas arbitrariamente altas, mas apenas reaqueceu, após o fim da inflação, a uma temperatura finita que ficou abaixo da escala de Planck.

Se o Universo inflou, então o que percebemos como nosso Universo visível hoje surgiu de um estado passado que estava causalmente conectado à mesma pequena região inicial. A inflação esticou essa região para dar ao nosso Universo as mesmas propriedades em todos os lugares (topo), fez sua geometria parecer indistinguível do plano (meio) e removeu quaisquer relíquias pré-existentes inflando-as (parte inferior). Enquanto o Universo nunca voltar a aquecer a temperaturas altas o suficiente para produzir monopolos magnéticos novamente, estaremos a salvo de superfechamento.

O que diferenciava a inflação de outras especulações, no entanto, era sua capacidade de fazer previsões diferentes das do Big Bang quente se não houvesse inflação. Muitas dessas previsões foram confirmadas por observações posteriores, incluindo:

• a previsão de um espectro quase invariante em escala de flutuações de densidade, com uma ligeira inclinação para ele,
• onde todas as flutuações seriam adiabáticas, e não isocurvaturas, na natureza,
• incluindo a existência de flutuações em escalas maiores que o horizonte cósmico definido pela velocidade da luz,
• e onde o Universo atingiu uma temperatura máxima, indicada pela CMB, bem abaixo da escala de Planck.

Todas essas previsões foram posteriormente confirmadas, sugerindo que houve um período de expansão exponencial antes do início do Big Bang quente.

Mas quanto tempo durou esse período e o que veio antes dele?

Para a primeira questão de quanto tempo durou, é uma questão em que temos apenas um limite inferior, mas não há limite superior definido pelos dados. A inflação deve ter resultado no Universo “dobrando” de tamanho pelo menos algumas centenas de vezes, mas se cada “dobrar” leva apenas algo como 10 ^-35 segundos, então isso apenas nos diz que o Universo deve ter sofrido inflação por pelo menos ~10 ^-32 segundos. Poderia ter durado nanossegundos, segundos, anos, trilhões de anos, googols de anos, ou até mais antes de terminar e dar origem ao quente Big Bang.

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 chegamos a uma singularidade, onde o espaço passa a 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 fração minúscula de segundo, desde o fim da inflação, se imprime em nosso Universo observável hoje.

Mas a resposta também é: “provavelmente não durou um tempo infinito”, quando se trata de inflação. Embora possa haver brechas que nos permitam evitar uma singularidade inicial, existem alguns teoremas muito convincentes que sugerem fortemente que a inflação surgiu de um estado pré-inflacionário que pode ter sido singular. Não se sabe qual foi o mecanismo físico que o iniciou, ou se nossas leis da física atualmente compreendidas se aplicam a esses primeiros tempos.

Mas uma coisa é certa: quando falamos sobre a “idade do Universo”, estamos falando sobre a “idade do Universo que podemos observar”, que inclui o Universo voltando ao início do quente Big Bang e a minúscula fração de segundo durante a qual os momentos finais da inflação deixaram uma marca em nosso Universo. Quase certamente houve mais inflação antes da peça final que deixou sinais observáveis ​​para nós vermos, e quase certamente havia algo mais antes do início da inflação, mas quanto tempo duraram, como eram e o que os levou a começar não são perguntas que a ciência respondeu. O Universo que observamos tem 13,8 bilhões de anos, mas o que veio antes dele (e por quanto tempo) ainda está firmemente no campo da especulação.

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