Uma cronologia do Universo

Para melhor compreender a história do Universo convém ter presente as observações que se seguem.

1) Expansão igual a arrefecimento

O universo, como qualquer corpo, ao expandir-se, vai arrefecendo, ou seja, vai diminuindo a temperatura. Energia e temperatura resultam dos choques entre os átomos. Sendo constante a energia total do Universo, um aumento de volume implica uma diminuição  dos choques e, consequentemente um abaixamento da energia por unidade de volume.
Portanto, o que é conveniente reter é que, como o Universo está em expansão, está também a arrefecer.

2) Matéria e Antimatéria

Sabe-se que há uma relação íntima entre energia e massa traduzida pela célebre equação de Einstein, E = mc², uma equação que significa, entre outras coisas, que a energia e a massa se podem converter uma na outra. Desde que haja energia suficiente, ela pode “materializar-se” em partículas, sempre aos pares: uma partícula e uma antipartícula. Por exemplo, se for de 2 GeV (o eV é uma unidade de medida da energia), ela pode criar um protão e a sua antipartícula, o antiprotão, porque cada um deles equivale à energia de 1 GeV. Mas se a energia, melhor, se a densidade média de energia for 1 MeV, já não é possível “materializar” 1 protão e 1 antiprotão, mas “apenas” 1 electrão (0,5 MeV) e a sua antipartícula, o positrão (0,5 MeV). Portanto, quanto maior for a energia disponível, mais pesadas são as partículas formadas (ver esquema abaixo lado esquerdo). 

Por outro lado, quando se encontram, cada partícula e a respectiva antipartícula “aniquilam-se”, transformando-se em energia. No caso do electrão e do positrão, ao chocarem, aniquilam-se, “desaparecem", e em seu lugar fica disponível uma energia de 1 MeV, igual à soma das massas do electrão e do antielectrão. A energia libertada, neste caso, toma a forma de dois fotões de 0,5 MeV cada um (ver esquema abaixo lado direito).

Lado esquerdo: um fotão (1 MeV) pode materializar-se em duas partículas: o electrão e o anti-electrão (positrão).

Lado direito: um electrão e um positrão ao chocarem aniquilam-se, originando dois fotões em sentidos opostos.

É preciso compreender bem isto, porque estas reacções – materialização / aniquilação – estão a ocorrer constantemente no Universo até que deixe de haver energia suficiente para formar partículas. Quanto maior for a energia, maior é a massa das partículas que se podem materializar, algumas delas bem exóticas e que só devem ter existido no ambiente extremamente energético dos primeiros momentos do Universo. Quando a energia baixar de 1 MeV já não há mais materialização de partículas, embora as que existem sempre que se encontram com a sua antipartícula continuem a aniquilar-se até desaparecerem todas.

À medida que a expansão avança, a temperatura vai baixando e, portanto, a densidade de energia vai diminuindo, deixando de ser possível a materialização das partículas cuja massa corresponde a energias mais elevadas. E aqui coloca-se uma questão. Por que é que hoje quase não existe nenhuma antimatéria? Deve ter havido um mecanismo que permitiu o aparecimento de um pouco mais de matéria, pois, caso contrário, a matéria e a antimatéria ter-se-iam aniquilado totalmente. Não haveria nem matéria nem antimatéria e não estaríamos aqui.

3) Nomes estranhos

A história que se segue está repleta de partículas como nomes estranhos – hadrões, bariões, mesões, leptões, quarks – que são as diferentes partículas da matéria e também outros nomes – gluões, bosões, gravitões – que são partículas mediadoras das quatro forças fundamentais que governam as relações entre as partículas da matéria. Deixo aqui apenas a referência para que não se preocupem. Diria que todas estas partículas fazem parte coerente do chamado “Modelo Padrão” da matéria, que explica a existência da matéria e das forças que a governam. Não valerá a pena dizer muito mais. Quando um destes palavrões aparecer já sabem que se trata de partículas de matéria mais pesadas (quando a temperatura é mais elevada) ou mais leves (quando a temperatura é mais baixa) ou de partículas mediadoras das forças que ligam a matéria.

Modelo Padrão de Partículas elementares

Na coluna da esquerda temos os quarks (u e d) e o electrão e o neutrino (leptões); estas quatro partículas da primeira coluna formam toda a matéria “normal” (as segunda e terceira colunas têm mais quatro quarks que são instáveis).

Na coluna da direita temos as “partículas” mediadoras das forças que ligam os constituintes da matéria: o fotão (γ), para a força electromagnética; o gluão, para a força forte e os bosões Z e W, para a força fraca; falta apenas o gravitão, para a força da gravidade.

Isolado do lado direito está o famoso bosão de Higgs, suporte de todo o Modelo.

Feitas estas recomendações, vamos a ver se a história do Universo que se segue fica compreensível. Espero que as notas não tenham baralhado muito, especialmente a nota 3). Mas se baralharam é simples: ignore-a e procure acompanhar a história.

É altura de contar a história do Universo tal como hoje se supõe ter acontecido, a partir do Big Bang. Há várias histórias conforme se toma como grelha de leitura as partículas dominantes ou as forças de interacção. Na imagem abaixo está uma dessas propostas.

Cronologia do Universo

Contudo eu irei apresentar outra ligeiramente diferente. A vantagem é perceber que por uma ou outra forma são sempre os mesmos acontecimentos que são referidos. Portanto, segue-se um relato que pretende ser cientificamente correcto. Mais tarde, num próximo post, farei uma narração mais antropomórfica, mas talvez mais inteligível. Pelo menos, assim espero!

  

ANTES DO BIG BANG

Gamow acusa S.to Agostinho de ter dito que “nesse tempo” Deus criava o inferno para para lá mandar os que se ocupavam destes problemas.

À entrada do quinto círculo do Inferno acumulam-se, no rio Estige, os condenados pelo pecado da ira
                

O tom irónico diz bem com Gamow. Só com um pequeno pormenor: não é verdade. O que realmente diz S.to Agostinho é: “Eis a minha resposta àquele que pergunta: «Que fazia Deus antes de criar o céu e a terra?» Não lhe responderei nos mesmos termos com que alguém, segundo se narra, respondeu, iludindo com graça, a dificuldade do problema: «Preparava – disse – a geena (o inferno) para aqueles que perscrutam estes profundos mistérios!» Uma coisa é ver a solução do problema e outra é rir-se dela. Não darei essa resposta. Gosto mais de responder: não sei – quando de facto não sei – do que apresentar essa solução, dando motivo a que se escarneça do que propôs a dificuldade e se louve aquele que respondeu sofisticamente” (Confissões, livro XI, 12).

Nada se sabe, como é natural, sobre um tempo tão fora das actuais teorias físicas.

Era de Planck: t < 10^-43 s depois do Big Bang

Não sabemos nada do que aconteceu nesta era. Diz-se que tudo eram flutuações e convulsões quânticas, mas não se sabe. As flutuações aleatórias de energia são tão grandes que não podem ser explicadas. Como a energia e a massa são equivalentes (da Teoria da Relatividade: E = mc²), as flutuações enormes de energia causam mudanças aleatórias no espaço-tempo. Mas talvez nem sequer faça sentido falar de qualquer coisa, nem em intervalos menores de tempo, pois não há instrumentos matemáticos para fundamentar um modelo ou uma teoria. A actual física não é aplicável e torna-se necessária uma outra teoria que acasale a física quântica (que explica o infinitamente pequeno) com a teoria da relatividade (que se aplica o mundo macroscópico), o que não tem sido possível até agora.

Nesse sentido há várias teorias a incubar, ditas de gravitação quântica, tais como a teoria das cordas, que apresenta como partícula mais elementar não um ponto mas uma corda e trabalha em espaços com 10 ou mais coordenadas, ou a teoria quântica de laços, que tem como “partícula elementar” um laço do espaço-tempo.

As quatro forças ou interacções fundamentais estão todas unificadas numa só.

Tempo de Planck: t = 10^-43 s

Este tempo foi determinado utilizando as três constantes: c (velocidade da luz), da Teoria da Relatividade; G (constante de gravitação universal), da Física Clássica e h (constante de Planck), da Mecânica Quântica. Jogando com as várias grandezas é possível obter este valor:

t_Pl = (Gh/c⁵)^1/2

Para quem quiser ter o gozo de calcular o tempo de Planck, aqui deixo os valores das constantes:

G = 6,674 x 10^-11 m³ kg^-1 s^-2

h = 6,626 x 10^-34 m² kg s^-1

c = 3 x 10⁸ m s^-1

Eu fiz as contas e deu certo!!!

Ao juntar representantes das três teorias, este ponto marca o instante para trás do qual elas deixam de ter validade. Por isso nada se sabe do que se passa para trás do tempo de Planck.

Era da Grande Unificação (GUT): 10^-43 s < t < 10^-36 s

Esta era começa com a força da gravidade a separar-se das outras três que se mantêm unificadas, satisfazendo às teorias da grande unificação (GUT). Assim temos duas forças a controlar o Universo: a gravidade e a força das GUT.

Forças Fundamentais: Gravidade, Forte, Fraca e Electromagnética

Era Electrofraca: 10^-36 < t < 10^-12 s

Embora o nevoeiro conceptual comece a clarear, estamos num terreno bastante instável, a partir do qual se podem inferir algumas conjecturas. O universo estava muito quente (10³² K). O espaço estaria cheio de um gás efervescente de gravitões e de bosões  portadores da força GUT. Não deveria haver ainda uma distinção clara entre quarks e leptões, sendo provável que cada uma destas partículas fosse um híbrido das duas. 

Três acontecimentos são de destacar nesta era.

a) Separação da força forte

A era da GUT termina quando a energia ambiente é tal que a força forte se consegue desenvencilhar das outras que continuam associadas formando a chamada força electrofraca.

b) Inflação

Quando o Universo tinha 10^-35 s (T = 10²⁹ K) deve ter ocorrido a Inflação (10^-35 a 10^-32 s), momento em que o Universo sofreu um dramática expansão da ordem de muitas dezenas. As forças GUT destrançaram-se, dividiram-se em força forte e força electrofraca. Quando a força forte “congelou” (como os cristais de gelo na água) devido ao abaixamento da temperatura, houve a libertação da enorme quantidade de energia, que alimentou a inflação.

Inflação. Este fenómeno foi introduzido para resolver alguns problemas a que o Big Bang clássico não dava resposta.

Pouco depois da Inflação, o calor libertado produziu uma energia que permitiu o aparecimento de partículas e antipartículas. No final da era, houve um novo “congelamento”, uma nova mudança de fase que fez com que a força electrofraca se dividisse na força fraca e na electromagnética. As quatro forças estão finalmente autónomas. Com esta autonomização, os quarks e os leptões adquiriram a sua individualidade.

 c) Bariogénese

No final desta era há, sem se saber por que razão, ligeiramente mais protões do que antiprotões: 1 parte por 1 milhar de milhão (1/10⁹). É deste excesso que resulta toda a matéria que forma o Universo. A palavra significa "génese de bariões", neste caso protões.

Era dos Quarks: 10^-12 < t < 10^-6 s

A partir de 10^-10 s, a temperatura caiu o suficiente para que os quarks se associassem para formar hadrões (conjunto de três quarks) e mesões (conjunto quark-antiquark). Os fotões estão continuamente a criar pares de partículas-antipartículas, que ao encontrarem-se se aniquilam originando fotões de altas energias, os raios-gama. Os bariões instáveis acabam por decair nos dois bariões mais leves e estáveis, os nossos conhecidos protão e neutrão.

Por outro lado, a temperaturas do Universo atingiu valores que já não permitiam que os hadrões e anti-hadrões fossem materializados e depois aniquilados. Assim, esta fúria assassina e criativa continuou até o Universo arrefecer de modo a que os fotões já não têm energia suficiente para criar mais pares de partículas e antipartículas.

O universo apresentava-se então como um caldo muito quente conhecido por plasma quark-gluão, uma salada de quarks, leptões, fotões (partícula mediadora da força electromagnética), bosões W e Z (partículas mediadoras da força fraca) e os gluões (partículas mediadoras da força forte). Sabemos que existiram estas “espécies” pois os aceleradores de partículas recriaram já estas condições no laboratório, provando a ocorrência destes componentes.

Plasma Quark-gluão realizada no laboratório

Fonte: Les Dossiers de la Recherche 23, p. 32-33

1 – Dois núcleos de Ouro foram atirados a elevadas velocidades um contra o outro. Parecem achatados por causa dos efeitos relativísticos decorrentes das velocidades elevadas.

2 – Os núcleos interpenetram-se, desorganizando-se.

3 – Uma parte da sua energia dá origem ao aparecimento de partículas, libertando muito calor.

4 – Quarks e gluões são libertados formando um plasma quark-gluão.

5 e 6 – À medida que o meio arrefece, os quarks dissociam-se dando origem a milhares de partículas.

No final desta era, houve um novo “congelamento”, uma nova mudança de fase que fez com que a força electrofraca se dividisse na força fraca e na elctromagnética. As quatro forças estão finalmente autónomas. Com esta autonomização, os quarks e os leptões adquiriram a sua individualidade.

Era Hadrónica: 10^-6 < t < 1 s

A matéria consistia em alguns protões e neutrões nadando num mar de leptões. Cessou a aniquilação e materialização dos mesões. Deu-se um desacoplamento dos neutrinos que, ao deixarem de estar associados aos electões, seguiram finalmente o seu caminho em liberdade. Esta “Radiação de Neutrinos de Fundo” , embora diferente, segue um esquema análogo ao da Radiação Cosmológica de Fundo. Esta radiação ainda não foi detectada não só porque o seu espectro é pouco intenso, mas também porque os neutrinos praticamente não interagem com a matéria.

Era Leptónica: 1 < t < 10 s

A esmagadora maioria dos hadrões e anti-hadrões aniquilou-se mutuamente deixando o Universo cheio de leptões, particularmente os mais leves, que podiam ser criados pela energia ambiente. Contudo, o seu reinado foi curto pois aos 10 s, também os leptões e antileptões se aniquilaram e já não havia energia suficiente para os criar.

Um pequeno excesso de electrões salvou-se daquele massacre, passeando-se por entre os neutrões e protões e um mar de radaição.

Era da Radiação (ou dos Fotões):  10 s  < t < 380 000 anos

Com a maior parte das partículas aniquiladas, o Universo tornou-se um mar de radiação, onde os fotões predominavam largamente.

Acontece um fenómeno curioso: é que os fotões, apesar da sua esmagadora maioria, não conseguiam libertar-se da suas interacções com os electrões. Chocavam continuamente com eles, deslocando-se de um modo aleatório ao sabor das colisões. Assim sendo, apesar da radiação inundar tudo, não era possível seguir os raios de luzes por estes se embrulharem no meio dessa radiação. Daí que o Universo se apresentasse totalmente opaco, pois os fotões não tinham trajectórias lineares. Imagine-se em dia de forte nevoeiro, as luzes dos automóveis não conseguem iluminar mais de meia dúzia de metros: é que os fotões de luz são “aprisionadas” pelas gotículas do nevoeiro e obrigados a seguir trajectórias erráticas. Assim aconteceu nesses tempos afastados do Universo. 

Também nesta era podemos destacar alguns fenómenos

  

a) Nucleossíntese Cosmológica: 3 < t < 15 minutos

A partir dos 3 minutos, os protões e neutrõe começaram a associar-se, mas a energia ainda era muito elevada, cortando as ligações mútuas, deixando-os de novo isolados. Essencialmente o Universo é um enorme reactor de fusão (nuclear) contínua. Contudo, a temperatura baixou de tal modo que já não havia energia suficiente para romper as ligações protão-neutrão. Assim surgiram os primeiros núcleos atómicos, por adição de protões e neutrões num mecanismo chamado nucleossíntese cosmológica. A matéria começava a dar os primeiros passos para se tornar dona da situação.

Quando esta era termina, está definida a composição química do Universo.

  

b) Era da Recombinação: 10 000 < t < 380 000 anos

Durante este tempo, os protões e os neutrões formam os núcleos atómicos. E, pouco a pouco, os electrões vão-se associando a eles para formar átomos, ficando alguns livres de tal modo que nem os átomos acabam por se formar nem os fotões aprisionam definitivamente os electrões.  Inicialmente tratou-se de um bailado dos electrões ora interagindo com os fotões ora associando-se aos núcleos.

Apesar de se situar a Recombinação à volta dos 380 000 anos, este gráfico mostra a sua complexidade: Logo aos 18 mil anos, o Hélio captura um dos seus dois electrões. Por volta dos 100 mil anos acontece a captura pelo Hélio do seu segundo electrão. E só  entre os 250 e 380 mil anos é que o Hidrogénio captura o  seu único electrão..Este escalonamento no tempo ocorre porque a energia que prende os electrões aos núcleos é variável e portanto não acontecem todos ao mesmo tempo. 

No final, o arrefecimento, diminuindo a energia dos fotões, vê surgir os átomos, pois os electrões livres associam-se definitivamente aos núcleos. É neste momento, com a temperatura a 3000 K, que tem origem a radiação cosmológica de fundo. Com a libertação dos fotões, o Universo deixa de ser opaco e torna-se transparente. Os fotões passam a a deslocar-se em linha recta, sendo assim possível seguir a sua trajectória.

Era da Matéria: t > 380 000 anos

a) Era das Trevas: 380 000 anos < t < 800 Manos

Apesar de transparente, o Universo torna-se escuro, mergulhando numa era das trevas porque não há corpos brilhantes, pois as galáxias ainda não se formaram; os átomos andam perdidos no espaço escuro e frio.

É nesta era que se formaram os primeiros buracos negros que vão jogar um papel importante no aparecimento das galáxias. A geração de energia por eles causada vai dissociar os electrões dos átomos. É o tempo da reionização. A matéria neutra volta a estar ionizada.

Evolução Universo destacando a era das Trevas e a da Reionização

E, embora não se saiba ainda bem como, também a matéria escura deve ter tido uma importância crucial.

Uma questão importante é saber quais foram as primeiras estruturas que se formaram depois da era dos átomos: as estrelas ou as galáxias.

b) Formação das Estruturas: t > 800 Manos

Pouco a pouco o Universo vai-se enchendo de galáxias e estrelas e o “céu” torna-se brilhante e luminoso. A evolução continua com o aparecimento das estrelas de várias gerações e de galáxias que evoluem como berçários de estrelas.

Galáxia HFLS 3

Uma das galáxias mais antigas: teria o Universo pouco mais de 800 Manos (z = 6,34). O mais espectacular é ser um dos maiores berçários ou maternidades do Universo.

c) Aceleração da Expansão: t = 9 Ganos

Recentemente observou-se um fenómeno inesperado. Por volta dos 9 Ganos, a expansão do Universo começou a acelerar. As causas não são conhecidas. Mas fala-se de uma misteriosa energia escura de gravidade negativa (repele em vez de atrair) que actua por um processo que terá a ver com a “antiga” enorme explosão de energia que foi a Inflação, ocorrida nos primeiros momentos do Universo.

Aceleração da Expansão do Universo