Como foi quando o Big Bang começou?
Há um grande conjunto de evidências científicas que apoiam a imagem do Universo em expansão e do Big Bang. Toda a massa-energia do Universo foi liberada em um evento com duração inferior a 10^-30 segundos; a coisa mais energética que já ocorreu na história do nosso Universo. (NASA/GSFC)
13,8 bilhões de anos atrás, nosso Universo como o conhecemos veio à existência. Aqui está como era.
Olhando para o nosso Universo hoje, não apenas vemos uma enorme variedade de estrelas e galáxias próximas e distantes, mas também vemos uma relação curiosa: quanto mais distante uma galáxia distante, mais rápido ela parece se afastar de nós. Em termos cósmicos, o Universo está se expandindo, com todas as galáxias e aglomerados de galáxias ficando mais distantes uns dos outros ao longo do tempo. No passado, portanto, o Universo era mais quente, mais denso e tudo nele estava mais próximo.
Se extrapolarmos o máximo possível, chegaremos a um tempo antes da formação das primeiras galáxias; antes das primeiras estrelas acenderem; antes que átomos neutros ou núcleos atômicos ou mesmo matéria estável pudessem existir. O primeiro momento em que podemos descrever nosso Universo como quente, denso e uniformemente cheio de coisas é conhecido como Big Bang. Aqui está como começou.
Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. Quanto mais cedo você for, mais quente e denso, além de menos evoluído, o Universo se torna. Os primeiros sinais podem até, potencialmente, nos dizer sobre o que aconteceu antes dos momentos do Big Bang quente. (NASA / STScI / A. Campo (STScI))
Alguns de vocês vão ler essa última frase e ficar confusos. Você pode perguntar, o Big Bang não é o nascimento do tempo e do espaço? Certo; foi assim que foi originalmente concebido. Pegue algo que está se expandindo e de um certo tamanho e idade hoje, e você pode voltar a um tempo em que era arbitrariamente pequeno e denso. Quando você chegar a um único ponto, criará uma singularidade: o nascimento do espaço e do tempo.
Apenas, há uma tonelada de evidências que apontam para uma origem não singular do nosso Universo . Nunca alcançamos essas temperaturas arbitrariamente altas; há um corte. Em vez disso, nosso Universo é melhor descrito por um período inflacionário que ocorreu antes do Big Bang, e o Big Bang é o rescaldo do que ocorreu no final da inflação . Vamos percorrer o que parecia.
Uma ilustração do Universo primitivo como consistindo de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas e importantes nas menores escalas. Durante a inflação, essas flutuações se estendem por todas as escalas do Universo, atingindo valores arbitrariamente maiores ao longo do tempo. (NASA/CXC/M.Weiss)
Durante a inflação, o Universo está completamente vazio. Não há partículas, não importa, não há fótons; apenas o próprio espaço vazio. Esse espaço vazio tem uma enorme quantidade de energia, com a quantidade exata de energia flutuando levemente ao longo do tempo. Essas flutuações são estendidas para escalas maiores, enquanto novas flutuações de pequena escala são criadas em cima disso. ( Descrevemos como era o Universo durante a inflação anteriormente.)
Isso continua enquanto a inflação continuar. Mas a inflação acabará aleatoriamente, e não em todos os locais ao mesmo tempo. De fato, se você vivesse em um Universo inflado, provavelmente experimentaria uma região próxima onde a inflação chegou ao fim, enquanto o espaço entre você e ela se expandia exponencialmente. Por um breve instante, você veria o que acontece no início de um Big Bang antes que essa região desaparecesse de vista.
Em um Universo inflando, o espaço em forma de grade que você visualizaria tem pequenas flutuações quânticas sobrepostas, mas é uniforme e não descrito, simplesmente expandindo exponencialmente. Quando a inflação terminar, deve haver uma breve “janela” para um novo Universo onde ocorre o Big Bang quente. (Usuário do Pixabay JohnsonMartin)
Em uma região inicialmente relativamente pequena, talvez não maior que uma bola de futebol, mas talvez muito maior, a energia inerente ao espaço é convertida em matéria e radiação. O processo de conversão é relativamente rápido, levando aproximadamente 10^-33 segundos, mas não instantâneo. À medida que a energia ligada ao próprio espaço é convertida em partículas, antipartículas, fótons e muito mais, a temperatura começa a subir rapidamente.
Como a quantidade de energia convertida é tão grande, tudo estará se movendo perto da velocidade da luz. Todos eles se comportarão como radiação, não importa se as partículas são sem massa ou massivas. Este processo de conversão é conhecido como reaquecimento , e significa quando a inflação chega ao fim e o estágio conhecido como Big Bang quente começa.
A analogia de uma bola deslizando sobre uma superfície alta é quando a inflação persiste, enquanto a estrutura desmoronando e liberando energia representa a conversão de energia em partículas. (E. Siegel)
Em termos de velocidade de expansão, você testemunhará uma tremenda mudança. Em um universo inflacionário, o espaço se expande exponencialmente, com regiões mais distantes acelerando à medida que o tempo passa. Mas quando a inflação termina, o Universo se reaquece e o Big Bang quente começa, regiões mais distantes se afastarão de você mais lentamente com o passar do tempo. De uma perspectiva externa, a parte do Universo onde a inflação termina vê a taxa de expansão cair, enquanto as regiões infladas ao seu redor não veem essa queda.
Colisões de partículas de alta energia podem criar pares de matéria-antimatéria ou fótons, enquanto pares de matéria-antimatéria se aniquilam para produzir fótons também. Imediatamente após o término da inflação, o Universo é preenchido com partículas, antipartículas e fótons, que interagem, aniquilam, produzem novas partículas, tudo à medida que o Universo se expande e esfria. (Laboratório Nacional de Brookhaven / RHIC)
Em termos de probabilidade, é extremamente provável que, da perspectiva de qualquer região do espaço inflado em que você esteja antes do Big Bang, você verá a inflação terminar em regiões próximas muitas vezes. Esses locais onde a inflação termina rapidamente se enchem de matéria, antimatéria e radiação, e se expandem mais lentamente do que as regiões ainda infladas.
Essas regiões se expandirão para longe de todos os outros locais onde a inflação ainda continua exponencialmente, o que significa que desaparecerão muito rapidamente. No quadro inflacionário padrão, por causa dessa mudança na taxa de expansão, praticamente não há chance de que dois Universos, onde ocorrem Big Bangs quentes separados, colidam ou interajam.
Uma ilustração de universos múltiplos e independentes, causalmente desconectados um do outro em um oceano cósmico em constante expansão, é uma representação da ideia do Multiverso. Em uma região onde o Big Bang começa e a inflação termina, a taxa de expansão cairá, enquanto a inflação continua entre duas dessas regiões, separando-as para sempre. (Ozytive / Domínio público)
Finalmente, a região onde vamos morar tem sorte cósmica, e a inflação chega ao fim para nós. A energia que era inerente ao próprio espaço é convertida em uma energia quente, densa e quase mar uniforme de partículas. As únicas imperfeições e os únicos desvios da uniformidade correspondem às flutuações quânticas que existiam (e se estendiam pelo Universo) durante a inflação. As flutuações positivas correspondem a regiões inicialmente superdensas, enquanto as flutuações negativas são convertidas em regiões inicialmente subdensas.
As regiões superdensa, média e subdensa que existiam quando o Universo tinha apenas 380.000 anos agora correspondem a pontos frios, médios e quentes na CMB. (E. Siegel / Além da Galáxia)
Não podemos observar essas flutuações de densidade, hoje, como eram quando o Universo passou pela primeira vez pelo quente Big Bang. Não há assinaturas visuais que possamos acessar desde o início; o primeiro que acessamos vem de 380.000 anos depois, depois de terem passado por inúmeras interações. Mesmo assim, podemos extrapolar quais eram as flutuações iniciais de densidade e encontrar algo extremamente consistente com a história da inflação cósmica. As flutuações de temperatura que estão impressas na primeira imagem do Universo – o fundo cósmico em micro-ondas – nos dão a confirmação de como o Big Bang começou.
A previsão final da inflação cósmica é a existência de ondas gravitacionais primordiais. É a única das previsões da inflação a não ser verificada pela observação... ainda. (National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por E. Siegel)
O que pode ser observável para nós, no entanto, são as ondas gravitacionais que sobraram do fim da inflação e do início do Big Bang quente. As ondas gravitacionais que a inflação gera se movem à velocidade da luz em todas as direções, mas, ao contrário das assinaturas visuais, nenhuma interação pode retardá-las. Eles chegarão continuamente, de todas as direções, passando por nossos corpos e nossos detectores. Tudo o que precisamos fazer, se quisermos entender como nosso Universo começou, é encontrar uma maneira de observar essas ondas direta ou indiretamente. Embora muitas ideias e experimentos sejam abundantes, nenhum retornou uma detecção bem-sucedida até agora.
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. (E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB)
Uma vez que a inflação chega ao fim, e toda a energia que era inerente ao próprio espaço é convertida em partículas, antipartículas, fótons, etc., tudo o que o Universo pode fazer é expandir e esfriar. Tudo se choca um com o outro, às vezes criando novos pares de partículas/antipartículas, às vezes aniquilando pares de volta em fótons ou outras partículas, mas sempre perdendo energia à medida que o Universo se expande.
O Universo nunca atinge temperaturas ou densidades infinitamente altas, mas ainda atinge energias que talvez sejam um trilhão de vezes maiores do que qualquer coisa que o LHC possa produzir. As minúsculas superdensidades e subdensidades das sementes eventualmente crescerão na teia cósmica de estrelas e galáxias que existem hoje. 13,8 bilhões de anos atrás, o Universo como o conhecemos teve seu início. O resto é nossa história cósmica.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . 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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