Big Bang está errado? Saiba como cientistas tentam resolver problemas da teoria

Por Daniele Cavalcante | 13 de Outubro de 2020 às 09h42
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O Big Bang é o início de tudo? Talvez essa seja uma das perguntas mais desafiadoras da ciência. Por mais que esta seja a teoria mais aceita pelos cosmólogos em geral, existem alguns mistérios que o Big Bang não consegue responder, e isso levou muitos cientistas a criarem outras propostas — não para eliminar o Big Bang, mas para complementá-lo, sugerindo que ele na verdade foi uma etapa da transição para o cosmos que conhecemos hoje.

Antes de prosseguirmos nas propostas de novos modelos de cosmologia, é preciso ressaltar que o Big Bang ainda é sustentado por evidências científicas, observações e pesquisas que o comprovam. As medições atuais apontam que ele ocorreu há aproximadamente 13,3 ou 13,9 bilhões de anos, com uma pequena margem de erro devido à precisão de cada instrumento e dos métodos utilizados. Por exemplo, o telescópio Atacama Cosmology fornece dados que apontam para 13,8 bilhões de anos, e esse número é bem aceito atualmente.

Entre as evidências que sustentam a teoria do Big Bang podemos citar a Lei de Hubble, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a abundância de elementos primordiais, a evolução e distribuição galáctica e as nuvens de gás primordiais. Calma, vamos explicar alguns itens dessa lista logo mais, até porque os problemas que o Big Bang não consegue explicar estão relacionados justamente a algumas dessas evidências.

Problemas do Big Bang

Melhoramentos sucessivos das observações das anisotropias (ou flutuações) da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (Imagem: Reprodução/NASA)

Alguns dos problemas que vieram com a teoria do Big Bang já foram resolvidos, mas essas respostas acabaram trazendo novas questões. Estas, por sua vez, também puderam ser respondidas, mas com um porém: foi preciso criar um novo modelo cosmológico: a inflação cósmica. E é sobre ele que falaremos logo adiante.

Um dos problemas com o Big Bang é a incompreensão do porque o universo tem mais matéria do que antimatéria. A teoria supõe que quando o universo era jovem e muito quente, estava em equilíbrio, com números iguais de bárion e antibarions. Porém, observações mais recentes sugerem que o universo é feito quase inteiramente de matéria, e a cosmologia convencional não consegue explicar isso.

Voltando no tempo

O universo está em constante expansão. Essa foi a principal descoberta do astrônomo Edwin Hubble, que mostrou como as galáxias e demais estruturas estão se afastando umas das outras, cada vez mais rápido. Isso é comprovado pela quantidade de luz de um objeto distante que se desvia para o vermelho proporcionalmente à distância até aquele objeto.

Desviar a luz para o vermelho significa que a onda fica mais comprida, como a própria luz estivesse esticando (desvio para o azul indica o contrário, já que a onda da luz azul é proporcionalmente mais curta que a onda da luz vermelha). Quando maior o desvio para o vermelho de um objeto, para mais longe ele está indo. É assim que astrônomos sabem quando um objeto está bilhões de anos luz mais distantes de nós hoje do que quando o universo ainda era jovem.

O Universo está expandindo e estendendo a luz para comprimentos de onda mais longos hoje, ficando com energias e temperaturas mais baixas, significa que se retrocedermos no tempo veremos o universo se comprimento até tornar-se compacto, denso e quente. A própria gravidade das muitas estruturas e objetos ajudam a tornar tudo mais denso, maior e mais massivo. Tente visualizar essa viagem ao passado, será importante para entender melhor o Big Bang e seus problemas.

Se voltarmos ainda mais, as galáxias se tornam menores, mais densas, mais numerosas e feitas de estrelas mais jovens e mais azuis. Rebobine ainda mais a nossa gravação em vídeo imaginária da evolução cósmica e testemunharemos o tempo em que ainda não havia nenhuma estrela. Depois, estará quente o suficiente para que a luz dividisse átomos e nêutrons, criando o plasma ionizado que mencionamos antes ao falar da origem da CMB.

Se chegarmos perto do frame inicial deste vídeo, que representa o “Momento Zero” do cosmos, entraremos em um reino onde as energias estão além dos limites da física conhecida. Em algum momento aqui, algo criou a matéria escura e criou mais matéria do que antimatéria. Algo deve ter acontecido, em algum ponto, para que o universo existisse. No primeiro frame da nossa fita de vídeo, está a singularidade, o ponto inicial de onde tudo surgiu, um estado tão denso e quente que as leis da física não são mais úteis.

Para entender melhor a singularidade, imagine que todos os lugares do universo já existiam. O lugar que ocupamos agora, inclusive. Bem como o lugar que uma galáxia a bilhões de anos luz de distância também já existia. A diferença naquela época é que tudo isso estava muitíssimo espremido em um pontículo menor que infinitesimal. E esse pontículo era tão denso que se expandiu e continua se expandindo até hoje. Nenhum lugar novo foi criado — apenas expandiu, como um balão que está sempre sendo preenchido com ar, mas nunca estoura (nem mesmo o Big Bang pode ser descrito como uma explosão, mas sim como uma mega expansão).

Mas será que esse ponto inicial foi mesmo “inicial”? Alguns acham que não.

O problema do Horizonte

Esta imagem da radiação cósmica de fundo mostra diferenças na temperatura, mas não se engane pelos tons vermelhos e azuis. As diferenças são muitíssimo pequenas (Imagem: Reprodução/NASA/ WMAP Science Team)

Outro problema está relacionado com o Fundo Cósmico de Micro-ondas (ou CMB, na sigla inglês), uma radiação fraca, porém detectável, encontrada em todo e qualquer lugar do universo para onde conseguimos olhar com nossos telescópios atuais. Essa radiação remonta ao momento em que o universo tornou-se transparente, ou seja, época em que o hidrogênio neutro se tornou estável. Antes disto, o universo era um mar de plasma de fóton-bário quente e denso, onde os fótons eram rapidamente dispersos. Quando os fótons (a partícula da luz) encontram um meio de percorrerem livremente um caminho longo, o cosmos ficou transparente.

Daí veio o CMB, que é um sinal omnidirecional que tem sido fundamental em todos os modelos cosmológicos porque fornece informações sobre como era o universo primitivo. Mas ele carrega em si um problema, conhecido como Problema do Horizonte. É que o CMB é exatamente o mesmo em qualquer canto do universo para onde apontarmos nossas lentes telescópicas, e isso não pode ser explicado pelos modelos clássicos como o Big Bang. A radiação é exatamente a mesma, com a mesma temperatura, em regiões que nunca poderiam ter interagido entre si, em nenhum momento da história do cosmos.

Não é irônico como uma evidência que sustenta o Big Bang também traga problemas que a teoria padrão não pode resolver?

Problema do monopolo

O problema do monopolo magnético foi levantado no final dos anos 1970, e questionou o Big Bang porque esse evento teria causado alguns defeitos topológicos no espaço. Esses defeitos se manifestariam como monopolos magnéticos — uma partícula elementar hipotética que se comportaria como um ímã de um único polo.

De acordo com uma teoria chamada Teoria da Grande Unificação, estes objetos deveriam ter sido produzidos no universo quente inicial, e isso resultaria em uma densidade muito maior do que foi anotado em observações. Pois é, não foram encontrados monopolos, e o motivo deles não existirem foi considerado uma incógnita.

Inflação cósmica

Uma representação do espaço-tempo do Big Bang (o início é à esquerda), e o desenvolvimento do universo. Perceba como a inflação está logo no início de tudo acontecer (Imagem: Reprodução/Nasa)

Toda aquela viagem no tempo extrapolada na qual tentamos descrever em retrocesso a formação do universo se baseia em uma noção de que realmente podemos retroceder e entender todos os processos até a singularidade. Isso trouxe explicações interessantes, mas também criou os quebra-cabeças mencionados acima: o problema do horizonte, o problema do monopolo, entre outros que nem mencionamos como o problema da planicidade. É que na ideia clássica, não poderia haver expansão o suficiente para que essas coisas sejam possíveis.

Para responder esses problemas, alguns cientistas concluíram que era necessário um novo modelo cosmológico. A ideia da inflação cósmica veio então no início da década de 1980, com Alan Guth afirmando que no início o universo passou por uma fase de crescimento exponencial. Ele não queria apenas aceitar que “as coisas são assim e pronto”, a física exige que as peças se encaixem.

Foi o nascimento de uma nova abordagem, um novo mecanismo físico, que não descartava as ideias comprovadas do Big Bang, que tanto ajudou a ciência a entender a origem do cosmos. Melhor ainda, o novo modelo ainda fazia novas previsões sobre fenômenos que poderíamos observar, diferindo do Big Bang convencional.

Assim, em vez de retroceder o vídeo do Big Bang até alcançar a singularidade, a inflação basicamente propõe um corte: você pode voltar a uma certa temperatura e densidade altas em alguma etapa do Big Bang, mas não mais que isso. Isso porque na Era Inflacionária, o cosmos teria se expandido exponencialmente a uma taxa constante e imutável, absurdamente rápido, dentro de um intervalo de tempo ridiculamente curto — estamos falando de uma fração muito ínfima de um segundo.

Quando essa inflação inicial termina, toda a energia que havia intrínseca ao espaço é convertida em matéria e radiação, e aí temos os eventos descritos na gravação de vídeo imaginária do Big Bang. Em outras palavras, houve um estado de expansão com uma taxa muitíssimo maior que a taxa de expansão atual. Esse estado não só veio antes da expansão do Big Bang, como também configurou tudo o que veio depois. A ideia de fato resolve os enigmas do Big Bang, e parece bastante confortável para os cientistas.

A inflação parecia desde o surgimento da teoria uma ideia revolucionária, pois oferece uma maneira de resolver o problema da homogeneidade do universo, propondo um período de expansão tão intensa e rápida que quase tudo acabou indo parar incrivelmente longe. Assim, entendemos como as regiões distantes do universo estiveram um dia tão próximas que ainda hoje compartilham propriedades como a mesma temperatura.

Mas a verdade? A verdade é que ninguém sabe ao certo.

Controvérsias

Esta linha do tempo do universo inflacionário mostra como a inflação veio logo antes dos eventos que deixaram a marca da radiação de fundo (Imagem: Reprodução/Roen Kelly/BICEP2 Collaboration)

Longe de ser um consenso entre os cientistas, a hipótese da inflação cósmica ainda é debatida, e até mesmo rejeitada por uma parcela dos pesquisadores. Roger Penrose, professor emérito de matemática na Universidade de Oxford, no Reino Unido, é um deles. Vencedor do Prêmio Nobel de Física em 2020 por seus estudos sobre buracos negros, Penrose afirma: "Sempre considerei a inflação uma teoria muito artificial”. Ele afirma que “a principal razão pela qual essa teoria não morreu ao nascer” é que foi a única ideia que podia explicar o Problema do Horizonte.

Mas também há deficiências na ideia da inflação cósmica. Por exemplo, não há uma explicação para o mecanismo que desencadeou essa expansão inflacionária tão violenta, nem uma explicação que possa ser testada sobre como isso poderia acontecer. Na ciência, demonstrações são fundamentais, e por isso cada hipótese é colocada à prova nas simulações dos supercomputadores.

Defensores da inflação já propuseram que partículas teóricas formaram algo chamado "campo de inflação", responsável por impulsionar a expansão hiperacelerada. Esse campo teria se decomposto depois nas partículas que vemos ao nosso redor hoje, por isso não podemos encontrar vestígios dele. Outros cientistas chamam essa ideia de “ajuste” para uma hipótese cheia de lacunas e não parecem convencidos.

Até mesmo Paul Steinhardt, um dos arquitetos originais da teoria inflacionária, parece cansado da falta de capacidade de testabilidade das previsões que a hipótese traz. "A teoria é completamente inconclusiva", disse ele em certa ocasião. O problema talvez tenha a ver com a própria noção de que houve um começo no espaço e no tempo, uma noção que veio com a teoria do Big Bang e a sua singularidade. Pode ser que este ponto inicial é somente um ponto de virada.

Gráfico que representa o momento em que os fótons dispersaram dos elétrons e, mais tarde, com o resfriamento do universo, viajaram em linha reta, afetados apenas no comprimento de onda pela expansão do espaço (Imagem: Reprodução/Amanda Yoho)

Muitos cientistas hoje defendem a ideia de que essa imagem de um universo quente, compacto e denso, que começou a se expandir e esfriar 13,8 bilhões de anos atrás, não teria sido o começo do espaço-tempo, mas sim a transição de uma fase anterior. O que havia nessa fase anterior? Bem, como de praxe, uma resposta sempre nos leva a novas perguntas. Talvez antes do Big Bang um universo anterior ao nosso estava se contraindo até atingir a singularidade. Quem sabe? Talvez a perseguição da origem de tudo ainda esteja longe, muito longe de acabar.

Outras ideias não tão populares

Penrose é um grande defensor da ideia de que houve um outro universo antes do nosso. Para ele, antes do Big Bang, havia outro cosmos, que expandiu, e depois retraiu até voltar à singularidade. Bem, essa ideia não é exclusivamente dele, mas o físico vencedor do Nobel acabou se tornando um dos mais proeminentes defensores dessa hipótese.

Para muitos, a ideia pode parecer meio maluca. Como assim, um outro universo antes do nosso? Mas para os que não aceitam a proposta do universo inflacionário, o universo anterior é uma maneira interessante de explicar os problemas do Big Bang. “O Big Bang não foi o começo. Havia algo antes do Big Bang e esse algo é o que teremos em nosso futuro”, disse ele ao comentar sobre sua premiação nesta semana.

Segundo Penrose, nosso próprio universo também retrairá em um processo conhecido como Big Crunch. Ele também afirma que há evidências de que houve um universo antes do nosso, algo conhecido como Radiação Howking (apelidos em homenagem ao Físico Stepheng Hawking), que têm cerca de oito vezes o diâmetro da Lua.

De acordo com os cientistas, a hipotética Radiação Hawking seria emitida pelos buracos negros que, por sua vez, perderiam um pouco de massa devido a este fenômeno. Dessa forma, os buracos negros poderiam evaporar por completo — mas seria necessário muito, muito tempo para que isso acontecesse, possivelmente um tempo maior que a própria idade do nosso universo. Penrose, entretando, acredita que buracos negros "mortos" de universos anteriores são observáveis ​​agora. “Eu afirmo que há observação da radiação Hawking”, disse.

Ele continuou dizendo que “nosso Big Bang começou com algo que era o futuro remoto de uma era anterior e teria buracos negros semelhantes evaporando, e eles iriam produzir esses pontos no céu, que eu chamo de Pontos de Hawking. Estamos vendo eles. Esses pontos têm cerca de oito vezes o diâmetro da Lua e são regiões ligeiramente aquecidas. Existem evidências bastante boas para pelo menos seis desses pontos”.

Penrose, em 1989 (Imagem: Reprodução/Corbin O'grady/Science Photo Library)

A ideia é controversa, e embora Penrose já tenha publicado um artigo sobre isso, sua fala nesta semana acalorou a discussão entre os astrofísicos. Um deles é Ethan Siegel, defensor da Inflação Cósmica. Para ele, Penrose, apesar de ter merecido receber o Prêmio Nobel por um trabalho sobre buracos negros, foi irresponsável ao defender tão fervorosamente uma hipótese sobre a qual não há meios de se observar nenhum fenômeno. “Os dados são totalmente opostos ao que ele afirma”, disse Siegel.

Siegel fez duras críticas a Penrose, dizendo que “as previsões que ele fez são refutadas pelos dados, e suas afirmações de ver esses efeitos só são reproduzíveis se alguém analisar os dados de uma forma cientificamente inadequada e ilegítima. Centenas de cientistas apontaram isso para Penrose — repetidamente e consistentemente por um período de mais de 10 anos — que continua a ignorar o campo e ir em frente com suas contendas”.

Em seu texto no Starts With A Bang, Siegel não apenas criticou Penrose, mas mostrou com detalhes alguns motivos que apontam para a Inflação como a teoria mais provável como um complemento para o Big Bang, contrariando a ideia da Cosmologia Cíclica Conformada (ou CCC), defendida por Penrose. “A maior diferença preditiva é que o CCC praticamente exige que uma impressão de ‘o Universo antes do Big Bang’ apareça tanto na estrutura em grande escala do universo quanto no fundo cósmico de micro-ondas”, explica Siegel. Como você já deve ter imaginado, essa impressão do universo anterior não é vista no fundo cósmico.

Siegel continua duro na crítica, afirmando que “embora devamos elogiar a criatividade de Penrose e celebrar seu trabalho inovador e digno do Nobel, devemos nos proteger contra o desejo de divinizar qualquer grande cientista, ou o trabalho que eles realizam que não é suportado pelos dados”. Ele conclui que Penrose “parece ter se apaixonado tanto por suas próprias ideias que não olha mais para a realidade para testá-las com responsabilidade”.

Mas será que a Inflação Cósmica é tão infalível assim? Como vimos antes, há alguns bons argumentos para não se apegar a ela com tanto afinco — por isso mesmo há tanto debate sobre o assunto. Mas por enquanto, ela parece funcionar bem ao responder os mistérios que haviam antes dela, e boa parte dos físicos estão satisfeitos com a ideia da inflação. E está tudo bem assim, ao menos até alguma teoria mais concreta, com menos lacunas, e que seja mais observável, apareça.

Fonte: Starts With A Bang (1, 2), Scientific American, Telegraph

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