Afinal, que tamanho tinha o universo no começo do Big Bang?

Talvez você já tenha ouvido dizer que o Big Bang começou com uma singularidade, isto é, um ponto de tamanho infinitesimal com densidade que tende ao infinito. Colocado dessa forma, esse conceito pode ser um tanto vago, mas significa que em uma singularidade a matemática deixa de “funcionar”. Entretanto, pode ser que o universo não estava em uma situação tão extrema quando ocorreu o Big Bang.

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Encontrando a singularidade

Para entender melhor o problema de alguns astrofísicos com a singularidade, é preciso antes compreender como os pesquisadores concluíram que o universo já teve um tamanho minúsculo. Até os tempos de Edwin Hubble, o modelo cosmológico era estacionário, ou seja, considerava-se que o universo era estático. Em 1929, no entanto, Hubble verificou que o universo estava em expansão, ideia que chocou os cientistas da época.

Então, Georges Lemaître, um padre e físico, sugeriu que se a expansão do universo pudesse ser projetada de volta no tempo, ele ficaria menor. Quanto mais tempo no passado, menor o universo, até que em algum momento toda a massa do universo estaria concentrada em um único ponto, um "átomo primitivo". Claro, a ideia não foi aceita de imediato, pois consenso era o de que a matéria é eterna.

Foi só em 1948 que George Gamow, um defensor da proposta de Lemaître, publicou um artigo com Ralph Alpher e Robert Herman descrevendo a nucleosíntese primordial, ou seja, o período de 10 segundos a 20 minutos após o início do universo. Fred Hoyle, que defendia outra hipótese, ironizou, dizendo "essa ideia big bang" para se referir à teoria dos “rivais” durante uma transmissão de rádio da BBC. O termo “pegou” e o Big Bang foi convencendo a comunidade científica gradualmente.

Felizmente, em 1965 foi descoberta radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, da sigla em inglês), uma radiação eletromagnética prevista pelo trio Gamov, Alpher e Herman, (os mesmos da nucleosíntese primordial). Trata-se de um “fóssil” da luz, resultante de uma época em que o universo era quente e denso, 380 mil anos após o Big Bang. No ano seguinte, Stephen Hawking entregou sua tese de doutorado comprovando a ideia de universo estacionário é insustentável diante as observações — trabalho que tornou o jovem físico uma celebridade.

Hawking também defendia a ideia da singularidade, algo que outros físicos teóricos mostraram ser possível através das equações da Relatividade Geral de Einstein. Porém, curiosamente, a relatividade não consegue explicar a singularidade, por isso é comum que cientistas usem expressões como “a física deixa de fazer sentido” ao se referirem a este ponto de densidade infinita. Mesmo assim, muitas teorias em física tem singularidades matemáticas de um tipo ou outro.

Podemos dizer que, geralmente, o surgimento de uma singularidade em uma teoria matemática significa alguma lacuna, alguma peça faltando. Por isso elas são importantes — a existência delas supõe uma falha nas predições da relatividade geral. Tanto a descrição do espaço-tempo como da matéria feita pela teoria da relatividade não podem ser corretas próximo de uma singularidade, por isso muitos cientistas tentam encontrar a teoria que falta para explicar essas incoerências.

Tá, mas e o Big Bang?

Voltando ao raciocínio de Lemaître, se retrocedermos no tempo, o universo em expansão que conhecemos se torna um universo que encolhe. E se extrapolarmos esse “flashback”, chegaremos ao momento em que tudo estava concentrado em um único ponto. Isso é possível graças ao conhecimento atual sobre o universo — por exemplo, o cosmos é isotrópico, isto é, tem em média as mesmas propriedades em todas as direções que olhamos.

Além disso, ele é homogêneo, o que significa que, possui em média as mesmas propriedades em todos os locais que pudemos ir. Em outras palavras, o universo é o mesmo em termos de matéria e energia, em todos os lugares e em todas as direções que olharmos. Por isso podemos considerar um universo que deve se expandir ou se contrair. Se você puder determinar o que está no universo, poderá usar equações conhecidas que dirão tudo sobre as propriedades do cosmos no passado e no futuro.

Essas predições incluem o tamanho do universo observável, a taxa de expansão do cosmos e a quantidade de energia em cada componente (radiação, matéria normal, matéria escura, neutrinos, energia escura, etc.) do universo — tudo isso pode ser calculado em qualquer ponto do passado ou futuro. Por fim, outro elemento importante para essas predições é a radiação cósmica de fundo, que nos fala sobre o estado do universo logo após o Big Bang.

Se o universo sempre estivesse cheio de matéria ou radiação, poderíamos voltar no tempo até alcançar um único ponto de densidade infinita, temperatura infinita, de espaço de tamanho infinitesimalmente pequeno, em um instante no tempo que correspondia a “zero”. Não haveria limite para o quanto você poderia retroceder em suas equações. Mas se o universo emergisse de um estado como este, haveria consequências observáveis.

Uma das evidências que mostram um início sem singularidade está na própria radiação cósmica de fundo, na forma de flutuações de temperatura. Se tudo tivesse começado em um ponto de temperatura infinita, essas flutuações teriam sido tão grandes quanto a proporção da energia máxima alcançada pela escala de Planck — algo em torno de 10¹⁹ GeV. Mas os astrônomos observam flutuações muito menores do que isso — aproximadamente 10¹⁵.

Isso nos leva a um limite para o quão longe podemos extrapolar nossa viagem ao passado, e este limite diz que deve ter havido uma fase que precedeu e configurou o Big Bang. Essa fase encontrou uma explicação no início da década de 1980, com a hipótese da inflação cósmica. De acordo com essa ideia, o universo já foi dominado por uma grande quantidade de energia (semelhante à energia escura, mas muito maior em magnitude) que fez com que o universo se expandisse a uma taxa exponencial.

Então, o universo ficou frio e vazio, exceto para a energia inerente ao campo inflacionário. Em seguida, após se expandir assim por um longo período de tempo indeterminado, o campo inflacionário decaiu, convertendo quase toda a sua energia em matéria e radiação. Se é assim, considerando que o Big Bang quente ocorreu há 13,8 bilhões de anos, qual era o tamanho do universo observável no início de tudo?

Hoje, por causa da expansão, o universo tem 46,1 bilhões de anos-luz de raio, em todas as direções, a partir de nosso ponto de vista. Como vemos no gráfico acima, quando a matéria começou a dominar a radiação, o universo tinha cerca de 10.000 anos e cerca de 10 milhões de anos-luz de raio. Quando o cosmos tinha apenas cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro, aproximadamente o tamanho da Via Láctea, ele tinha apenas cerca de 3 anos de idade.

Esses marcos são muito úteis, pois temos agora mais informações para retroceder até o ponto “zero”. Quando o universo tinha cerca de 1 ano de idade, era menor do que a Via Láctea atual e estava incrivelmente quente: cerca de 2 milhões de K, quase o suficiente para iniciar a fusão nuclear. Quando tinha apenas 1 segundo de idade, o universo era muito quente para a fusão nuclear ocorrer e media apenas cerca de 10 anos-luz.

Em apenas um trilionésimo de segundo após o nascimento do universo, ele media apenas o tamanho da órbita da Terra em torno do Sol e a taxa de expansão era de 10 29 vezes maior do que é hoje. Porém, existe um limite para o quanto podemos voltar no tempo, pois antes de existir o espaço, também não havia tempo. E aqui entra a segunda evidência importante contra a singularidade: se a temperatura antes desse trilionésimo de segundo fosse alta o suficiente para nos permitir supor a singularidade, haveria ondas gravitacionais impressas na polarização da radiação cósmica de fundo.

Com as medições de hoje da radiação cósmica de fundo, os físicos podem dizer que o universo não ficou mais quente, na época mais quente do Big Bang, do que cerca de 10¹⁵ GeV, em termos de energia. Isso implica em um limite mínimo de tamanho. Para um tempo de 10⁻³⁵ segundos, temos uma escala de aproximadamente 1,5 metro. Em outras palavras, se podemos atribuir um “tamanho” para o universo em seu estágio mais primordial, não poderia ser menor que um ser humano de baixa estatura.

Essa pode não ser uma resposta definitiva, já que há pouco mais de uma década os astrônomos podiam dizer que o universo começou com o tamanho aproximado de uma bola de futebol. Isso ocorreu porque as medições da radiação ainda não eram precisas o bastante. De qualquer forma, por mais interessante que pareça imaginar uma singularidade de densidade infinita, há um limite imposto pelas observações dos astrônomos. E, em muitos casos na astronomia, os limites são as informações mais importantes que se pode obter sobre qualquer coisa no universo.

Fonte: Starts With a Bang