Começa Com Um Estrondo

Por que ninguém está desafiando seriamente o Big Bang?

Esta imagem representa a evolução do Universo, começando com o Big Bang. Apesar de quão contra-intuitiva é a imagem do Big Bang, e do número de tentativas científicas de encontrar alternativas viáveis e testáveis, o Big Bang continua sendo a única teoria moderna no contexto da Relatividade Geral para explicar nossas observações do Universo. (NASA/GSFC)

É pensamento de grupo? Ou há uma razão mais profunda?

Na primeira metade do século 20, mesmo após a descoberta do Universo em expansão, os físicos consideraram uma grande variedade de histórias de origem para o nosso Universo. Em meados da década de 1960, o fundo cósmico de micro-ondas – amplamente interpretado como o brilho remanescente previsto pelo Big Bang – foi descoberto. Enquanto muitos consideraram que a evidência decisiva a favor do Big Bang, outros cavaram em posições mais difíceis para fora do padrão. Cosmologias alternativas não apenas persistiram, elas cresceram em número e detalhes.

Há apenas 20 anos, o Big Bang foi uma das muitas ideias que os cientistas continuaram a entreter: a teoria do estado quase estacionário, a cosmologia do plasma e os redshifts quantizados permaneceram os pilares da literatura científica. Mas hoje, são em grande parte malucos e alguns contrários marginais que reúnem até o mais frágil dos desafios à posição de consenso: que o Universo começou com um Big Bang quente. O campo da cosmologia está sucumbindo ao pensamento de grupo, como seus detratores frequentemente afirmam, ou a falta de alternativas é justificada? Vamos mergulhar e descobrir.

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. (NASA / CXC / M. WEISS)

Se quisermos examinar qualquer teoria científica, a primeira coisa que precisamos fazer é entender o que a teoria supõe, o que ela prevê e comparar essas previsões com o que foi medido. A grande ideia do Big Bang surgiu quando os cientistas começaram a investigar as propriedades matemáticas da Relatividade Geral de Einstein: a teoria da gravidade que foi apresentada em 1915 para substituir a lei da gravitação universal de Newton. Ao contrário da gravidade newtoniana, a Relatividade Geral:

trouxe a gravidade em uma estrutura que era consistente com a velocidade da luz sendo o limite de velocidade cósmica,
foi capaz de explicar a órbita de Mercúrio e como seu periélio precessou ao longo dos séculos,
e previu novos efeitos como a curvatura da luz das estrelas, lentes gravitacionais, atrasos de tempo gravitacionais e desvios gravitacionais para o vermelho e para o azul.

No final de 1919, ficou claro que a Relatividade Geral teve sucesso onde a gravidade newtoniana não teve, e que suas consequências – de o espaço-tempo ser um tecido cuja curvatura era determinada pela matéria e energia – não podiam ser ignoradas. Essa é a primeira suposição: que a Relatividade Geral é nossa teoria da gravidade.

Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da Relatividade Geral de Einstein e parece estar alinhada com a visualização do “tecido do espaço dobrado”. (THE ILUSTRADO LONDRES NEWS, 1919)

A partir daí, as pessoas começaram a procurar, encontrar e trabalhar as consequências de várias soluções exatas na Relatividade Geral. Ao contrário da gravidade newtoniana, isso é incrivelmente difícil. Na gravidade newtoniana, se você puder descrever as posições e massas de cada objeto em seu universo em qualquer momento no tempo, poderá conhecer os efeitos da gravidade em todos os lugares e sempre. Mas na Relatividade Geral de Einstein, apenas alguns espaços-tempos são exatamente solucionáveis, e todos são casos relativamente simples. Por exemplo:

Podemos resolver um universo vazio: esse é o espaço Minkowski.
Podemos resolver um Universo com uma massa não rotativa e não carregada: a solução de Schwarzschild.
Podemos escrever as equações para um Universo contendo um objeto massivo e giratório: a solução de Kerr.
E podemos resolver as equações que governam o espaço-tempo para um universo uniformemente preenchido com matéria e radiação: obtemos as equações de Friedmann.

Esta última opção, como foi reconhecido quase imediatamente, poderia representar o nosso Universo. Se o nosso Universo é homogêneo (o mesmo em todos os locais) e isotrópico (o mesmo em todas as direções), mesmo em média, mesmo apenas na maior das escalas cósmicas, as equações de Friedmann nos dirão como o Universo evolui ao longo do tempo.

Os destinos esperados do Universo (três ilustrações principais) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia combinadas lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. Há um aparente problema de ajuste fino aqui, mas pode haver uma causa física subjacente. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Especificamente, deve evoluir e não pode ser estático: deve expandir ou contrair. Quando as galáxias foram identificadas como objetos fora da Via Láctea, e então observadas com maiores desvios para o vermelho em distâncias maiores, ficou claro que a imagem de um Universo em expansão, consistente com as equações de Friedmann (e, portanto, um Universo homogêneo e isotrópico) permaneceu válido. Uma – mas não a única – interpretação disso envolveu uma tremenda extrapolação: o Big Bang.

O que o Big Bang levantou a hipótese foi que o volume que os objetos dentro do nosso Universo ocupavam aumentou ao longo do tempo e, portanto, o Universo ficou menos denso com o passar do tempo, bem como mais frio, à medida que a luz dentro dele mudou para comprimentos de onda mais longos e temperaturas mais baixas.

Mas, além de extrapolar para frente, também podemos extrapolar para trás no tempo: para um estado mais quente e mais denso. Na verdade, não havia limite para isso, em princípio. Poderíamos voltar a temperaturas arbitrariamente altas e densidades arbitrariamente grandes e, se o Big Bang estivesse correto, o ato de expansão e resfriamento durante a evolução do cosmos levaria a três grandes previsões, além da expansão do Universo.

As galáxias comparáveis à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isso deve ser levado ao extremo e permanece válido desde que já vimos. As exceções, quando as encontramos, são intrigantes e raras. (NASA E ESA)

1.) Uma teia cósmica de estrutura em crescimento e evolução . Se voltarmos no tempo, devemos encontrar galáxias menores, menos massivas, cheias de estrelas mais jovens e menos evoluídas em sua forma. Com o tempo, eles gravitacionalmente crescem e se fundem, então os aglomerados de galáxias e uma grande teia cósmica devem ser mais ricos nos últimos tempos (e distâncias próximas) e mais esparsos nos primeiros tempos (e distâncias maiores). E, voltando no tempo, devemos ver eras em que não há aglomerados de galáxias, nem galáxias e, eventualmente, nem mesmo estrelas.

A formação da estrutura é um enorme sucesso para o Big Bang, com matéria escura e energia escura sendo ingredientes necessários, mas suficientes para que nossas observações correspondam perfeitamente às previsões do modelo. As galáxias crescem, evoluem, tornam-se mais ricas em elementos pesados e agrupam-se precisamente da forma que o Big Bang prevê. Mesmo com o advento dos modernos levantamentos de galáxias profundas, o acordo é espetacular.

De acordo com as observações originais de Penzias e Wilson, o plano galáctico emitiu algumas fontes astrofísicas de radiação (centro), mas acima e abaixo, tudo o que restava era um fundo quase perfeito e uniforme de radiação, consistente com o Big Bang e em desafio das alternativas. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

2.) Um brilho residual de radiação de baixa energia, omnidirecional . Se o Universo fosse mais quente, mais denso e mais uniforme no passado, eventualmente você chegaria a um ponto em que era tão quente e denso que nem mesmo átomos neutros poderiam se formar. No instante em que um elétron se ligasse a um núcleo atômico, um fóton suficientemente energético viria e reionizaria aquele átomo, impedindo a formação estável de átomos neutros. Somente quando o Universo se expandisse e esfriasse o suficiente esses fótons perderiam energia suficiente para que o Universo pudesse se tornar neutro, liberando aquela radiação que esticaria seu comprimento de onda à medida que o Universo se expandisse.

Essa liberação normalmente ocorre a uma temperatura de alguns milhares de Kelvin, o que significa que a temperatura desse fundo hoje deve estar apenas alguns graus acima do zero absoluto. Além disso, essa radiação deve ter o espectro de um corpo negro perfeito, com apenas pequenas imperfeições no nível de ~0,01% ou menos. Esse brilho remanescente - originalmente chamado de bola de fogo primitiva e hoje conhecido como fundo cósmico de micro-ondas - foi descoberto em meados da década de 1960, e foi verificado que é um corpo negro no espectro e tem imperfeições na casa de 1 parte em 30.000. nível.

De muitas maneiras, é a confirmação mais espetacular de uma teoria científica na história.

Começando com apenas prótons e nêutrons, o Universo acumula hélio-4 rapidamente, com pequenas mas calculáveis quantidades de deutério, hélio-3 e lítio-7 também. Essa cadeia de fusão nuclear que ocorre nos estágios iniciais do Big Bang explica a esmagadora maioria dos elementos leves, que existem mesmo antes de qualquer estrela se formar. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

3.) Um conjunto particular de proporções para os elementos leves, mesmo antes de qualquer estrela ser formada . Mesmo antes que os átomos neutros pudessem se formar, era quente e denso o suficiente para que o Universo nem pudesse formar núcleos atômicos. Apenas prótons e nêutrons livres poderiam existir, pois no instante em que se fundiram para criar deutério, outra partícula viria e os separaria. Somente após o resfriamento suficiente o deutério poderia se formar de forma estável, após o que se combinaria com outros prótons, nêutrons, deutérios e os elementos que se formaram posteriormente para produzir o que fosse possível.

Mas por causa da rapidez com que o Universo se expande e esfria, essas reações só podem ocorrer brevemente. Depois que a poeira assenta, o Universo se torna cerca de 75% de hidrogênio, 25% de hélio-4, 0,01% de cada hélio-3 e deutério e cerca de 0,0000001% de lítio-7. A ciência da Nucleossíntese do Big Bang - o processo pelo qual esses elementos são formados - agora é padrão para estudantes de pós-graduação e foi validada por observação para galáxias, quasares, nuvens de gás e também para o fundo cósmico de microondas.

De acordo com a hipótese da luz cansada, o número de fótons por segundo que recebemos de cada objeto cai proporcionalmente ao quadrado de sua distância, enquanto o número de objetos que vemos aumenta com o quadrado da distância. Isso leva a um conjunto previsto muito diferente de contagens de galáxias profundas em comparação com a visão do Big Bang do Universo em expansão. Os dados favorecem o Big Bang e refutam a hipótese da luz cansada. Mesmo considerando a evolução das galáxias, resulta em uma mudança no brilho da superfície que é mais fraca a grandes distâncias, consistente com o que vemos. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STIGMATELLA AURANTIACA)

A esmagadora concordância entre as previsões do Big Bang e essas observações – inclusive com cada vez mais detalhes – foi o que levou à sua ampla aceitação. As alternativas iniciais caíram no esquecimento como:

ideias não relativísticas, como o Universo Milne, falharam em explicar os testes subsequentemente verificados da Relatividade Geral, como os experimentos Pound-Rebka,
a ideia da cosmologia da luz cansada, onde o desvio para o vermelho era devido à perda de energia da luz à medida que viajava pelo espaço, foi desacreditada pela nitidez observada de galáxias distantes,
e a ideia da antiga Teoria do Estado Estacionário, que previa um brilho de fundo de baixa energia da luz estelar refletida, falhou em corresponder ao espectro observado do fundo cósmico de micro-ondas.

Ainda assim, novos desafios surgiram. Alguns, como o modelo de estado quase estacionário, adicionaram epiciclos proverbiais às encarnações anteriores de ideias contrárias, buscando nova física ou novos fenômenos para alinhar suas previsões teóricas com as observações agora robustas que contradiziam as previsões anteriores. Outros ainda buscaram alternativas enraizadas em teorias gravitacionais diferentes da Relatividade Geral; as que fizeram previsões testavelmente diferentes da teoria de Einstein foram todas descartadas.

Mas um tipo de alternativa levou mais tempo para ser descartada: aquelas enraizadas no ceticismo observacional.

Este histograma, de 2007, mostra o número de quasares descobertos (eixo y) em função do redshift (eixo x). Observe que os desvios para o vermelho desses objetos formam uma distribuição contínua e que não há evidência de quantização do desvio para o vermelho do quasar. Esses dados esmagadores prejudicam completamente um dos desafios mais sérios do Big Bang no final do século 20. (D. SCHNEIDER ET AL. (2007), ARXIV: 0704.0806)

Em particular, quando galáxias e quasares muito distantes começaram a ser descobertos, eles pareciam ter uma propriedade incomum: seus desvios para o vermelho pareciam vir em valores específicos que eram todos múltiplos uns dos outros. Isso sugeriu que os desvios para o vermelho poderiam ser quantizados e talvez tivessem uma origem não cosmológica. Geoffrey Burbidge, William Tifft e Halton Arp exploraram cosmologias alternativas que explicavam isso, mas pesquisas profundas em grandes áreas mostraram que os redshifts de galáxias e quasares não são quantizados, afinal. Embora algumas pessoas ainda sigam essas linhas, a evidência é esmagadoramente contra isso.

Além disso, experimentos de laboratório em plasmas mostraram que os efeitos eletromagnéticos podem facilmente dominar os gravitacionais. cosmologia do plasma — renomeado há algumas décadas como o universo elétrico – foi desenvolvido para concretizar ainda mais essa ideia. Infelizmente, suas previsões estavam em conflito absurdo com as observações: o Universo estava sempre se expandindo e nunca se contraindo (um componente necessário para as oscilações do plasma), a gravitação domina o Universo e é necessária para explicar os detalhes da teia cósmica e a natureza espetacularmente do corpo negro de o fundo cósmico de micro-ondas se combinou para descartar essa alternativa.

A luz real do Sol (curva amarela, esquerda) versus um corpo negro perfeito (em cinza), mostrando que o Sol é mais uma série de corpos negros devido à espessura de sua fotosfera; à direita está o corpo negro perfeito real do CMB medido pelo satélite COBE. Observe que as barras de erro à direita são surpreendentes 400 sigma. A concordância entre teoria e observação aqui é histórica, e o pico do espectro observado determina a temperatura restante da Microondas Cósmica de Fundo: 2,73 K. (WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R ))

Hoje, os únicos desafios sérios para a imagem padrão do Big Bang vêm na forma de complementos: Universos onde formas exóticas de matéria ou energia (incluindo matéria escura e energia escura) estão presentes, Universos que se afastam significativamente (mas dentro dos limites observacionais) ) de isotropia ou homogeneidade, Universos com uma teoria da gravidade diferente da Relatividade Geral (mas que não conflita com nenhum dos sucessos já observados da Relatividade Geral). Todas as alternativas modernas ainda possuem um estado inicial quente, denso, uniforme e em rápida expansão, que se expande, esfria e gravita para formar o Universo que vemos hoje.

Então, o que aconteceu nas últimas décadas, que todos os principais desafios para o Big Bang desapareceram? Dois grandes eventos: a coleta de grandes conjuntos de dados de alta qualidade, que validaram as principais previsões do Big Bang com uma precisão incrivelmente alta, e o fato de que os principais defensores das alternativas - uma vez que não se tornaram mais defensáveis por seus próprios méritos - conseguiram velho e morreu.

Se alguma alternativa cientificamente viável ao Big Bang surgisse, quase todo cosmólogo moderno a receberia completamente e a colocaria imediatamente à prova. O problema é que todas essas alternativas já estão descartadas pelas evidências em mãos. Até que surja uma ideia que atenda a esses critérios necessários, o Big Bang permanecerá sozinho como a única ideia compatível com o conjunto completo de dados que agora possuímos.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .