Perspectivas contemporâneas

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"O Princípio da Incerteza"

Quanto mais precisa for a medida de uma grandeza
forçosamente mais imprecisa será a medida
da grandeza correspondente pois a
própria determinação muda a sua posição

(Jorge Sousa Braga, A Matéria Escura e outros poemas, (poesia inédita portuguesa, 173), Assírio & Alvim, Março de 2020)

"Recueillez une poignée de l’humus de votre potager ou du sable d'une plage. Vous êtes-vous déjà interrogé sur l'origine de ce que votre main resserre? Avez-vous déjà réalisé que la composition chimique de cette matière dépend en grande partie d'étoiles disparues, qui brillèrent dans notre galaxie, il y a près d'une dizaine de milliards d'années?"

(Jean-René Roy, L'Astronomie et son Histoire, Presses de l'Université du Québec/Masson, 1982, p.14))

o universo - modelo prevalecente | obstáculos | as componentes escuras e a teoria inflacionária | tipologias | a "teoria de tudo", etc. | o futuro

Como resumiu Ronaldo Rogério de Freitas Mourão, Universo, em sentido lato, é o conjunto de matéria e de energia existente no espaço. Sua conceituação tem variado em extensão, forma e propriedade ao longo da história da humanidade, de acordo com o seu estágio científico e cultural. Assim, tal conceito tem traduzido, ao longo dos séculos, a expressão de um antropomorfismo que, aos poucos, se transfere para uma concepção cada vez mais abstracta (Da Terra às Galáxias: Uma Introdução à Astrofísica (3ª ed.), Vozes, 1982, p.293)

Até aos anos de 1860 a Astronomia era posicional. O seu múnus era a determinação precisa dos movimentos dos corpos celestes do Sistema Solar e reduzi-los minuciosamente segundo a Lei da Gravitação Universal de Newton. Segundo William Whewell (o polímata do séc. XIX que cunhou o termo "cientista") e outros autores coevos, esta  excelsa ciência havia já alcançado um elevado grau de refinamento e precisão. Poucos desenvolvimentos impactantes se poderiam esperar. Mas como Jean-Pierre Verdet referiu, em 1900 ainda desconhecíamos tudo acerca do interior do Sol e da origem da sua energia. Foi somente em 1908 que o Holandês Jacobus Kapteyn conseguiu obter uma avaliação correcta da espessura local da Via Láctea  (Kapteyn J. C. (1909) Astrophysical Journal 29, 46 e 30, 284). Entretanto, permanecia a incerteza quanto ao seu diâmetro e quanto à localização do Sistema Solar no seu seio. (Une Histoire de l'Astronomie, Éditions du Seuil, 1990).

A Astronomia "legítima" transformou-se em Astrofísica. O termo é creditado a Johann Carl Friedrich Zöllner, escrevendo em 1865. Os esforços para mapear os espectros dos objectos celestes permitiram alcançar um novo entendimento do Universo, com novos e abismais desafios e complexidades. Assistiu-se a uma "refundação" da própria Astronomia. Segundo Robert W. Smith, não se tratou de uma transformação. Iniciou-se um percurso novo, diferente, enquanto Astrofísica. (Astronomy in the Time of Pannekoek and Pannekoek as an Astronomer of his Times, in: C. Tai, B. van der Steen, & J. van Dongen (eds), Anton Pannekoek: Ways of Viewing Science and Society. Amsterdam University Press, 2019, pp.110 et seq.)

Praticamente toda a informação que temos acerca dos objectos celestes é conseguida analizando a energia que estes irradiam: ondas rádio, calor, luz, raios-X e gamma (γ). Tudo tipos de radiação electomagnética, energia que se propaga no espaço sob a forma de onda. Um aspecto interessante é que em encontramos coerência. Como Allan Chapman refere: elementos químicos, leis físicas, luz, ondas rádio, radiação atómica, tudo se relaciona de modo elegante. Por exemplo, as linhas “D” de sódio no espectro tanto podem ser activadas apontando um espectroscópio na direcção ao Sol como queimando uma pitada de sal comum (cloreto de sódio) numa chama.

Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), instalado nas planícies de San Agustín, Novo México. Os radiotelescópios utilizam antenas direccionais de alto ganho, perscrutando zonas do espectro electromagnético para além da janela do visível. Ferramentas de Inestimável valor, permitiram, por exemplo, conhecer a estrutura da nossa galáxia e, noutra escala, inferir a do próprio Universo. Em radioastronomia, e uma vez que não temos um órgão sensível às ondas rádio, o sinal deve ser amplificado, de algum modo "traduzido" e gravado para que o possamos interpretar (enquanto algo audível ou visualizável). Mais recentemente, satélites e sondas permitem, a partir do exterior, detectar radiação em comprimentos de onda outrora inacessíveis, porque bloqueados pela Atmosfera

Para compreender a radiação, é conveniente colocar temporariamente de lado a noção ondulatória da luz ou de outro tipo de energia irradiante e considerar uma corrente de corpúsculos ou parcelas de energia essencialmente sem massa. Um destes é o chamado 'fotão' ou 'quantum' e o estudo da interacção dos fotões com a matéria é uma parte da Teoria Quântica, proposta por Max Planck (1858-1947) no início do século XX. Cada fotão difere de outro apenas na sua energia; todos se movimentam à mesma velocidade (a mesma das ondas electromagnéticas no vácuo). Uma regra fundamental enunciada por Planck é a de que a energia de um fotão é proporcional à sua frequência, sendo esta última aqui definida como pela equação E=hf (onde "E" é a energia do fotão, "f" a sua frequência e "h" a chamada Constante de Planck).

O Espectro Electromagnético. A atmosfera absorve toda a radiação excepto a luz visível (na estreita "janela do visível") e radiação na "janela" das ondas rádio;  ambas com fundo branco no esquema. (Moore, P., The Picture History of Astronomy (3rd Revised ed.), Grosset & Dunlap, 1967, p.207)

A nossa atmosfera absorve os comprimentos de onda perniciosos como os ultra-violeta, os raios-X e a radiação gama, ou o nosso planeta tornar-se-ía um mundo estéril, sem vida. Todavia, enviando para o espaço satélites e observatórios para detectar estas radiações, podemos aprender mais acerca da explosão das estrelas, das galáxias e dos buracos negros.

A influência invisível do campo magnético terrestre (gerado pelo movimento do núcleo exterior líquido do planeta) estende-se para o espaço circundante. Defende-nos do vento de partículas energéticas emanadas do Sol. Algumas destas partículas são reencaminhadas para as bandas de radiação da chamada "cintura de Van Allen" (representada a laranja) que envolve o planeta, Trata-se de uma zona de partículas electricamente carregadas, a maior parte delas originadas pelo vento solar, capturadas e mantidas em torno do planeta pela magnetosfera. A Terra possui duas dessas cinturas, sendo outras eventualmente geradas temporariamente. A sua existência  foi confirmada em 1958, principalmente a partir das experiências efectuadas pelos satélites Explorer 1 e Explorer 3 (Henbest, N., The Mysterious Universe, Marshall Cavendish Books, 1985 (1981), p.67) .

Com esta inovadora antena (Bell Labs Crawford Hill Laboratory, Holmdel, New Jersey), Arno Penzias e Robert Wilson detectaram em 1964 acidentalmente uma radiação micro-ondas que reconheceram como a Radiação Cósmica de Fundo, o "eco" da expansão, i.e. do Big Bang, validando assim esta teoria que vinha sendo preconizada por Gamow e outros, em contraposição à do "Universo Estático" de Fred Hoyle et al.

A ORIGEM DO UNIVERSO

Heinrich Olbers (1758–1840) havia manifestado uma perplexidade interessante (o "Paradoxo de Olbers"), partindo das premissas de que se o Universo é estático (sem mudança), homogéneo e com uma população "infinita" de estrelas, então deveria ser uniformemente brilhante em todas as direcções em que observássemos. Mas a noite é escura, portanto pelo menos uma das mencionadas premissas deve estar incorrecta. A explicação actualmente aceite é a de que o Universo está em expansão (ou antes, o espaço-tempo expande-se), fazendo aumentar os comprimentos de onda da luz das estrelas e galáxias. A escuridão da noite pode ser tomada como evidência de que o Universo é dinâmico e está em mudança.

O modelo padrão actual sustenta-se na hipótese formulada, no início do Século XX, sobre a origem do Universo através do Big Bang (termo cunhado por Fred Hoyle (1915-2001) em 1949, curiosamente enquanto escarnecia da teoria que antagonizou, v. paper do historiador Helge Kragh, .PDF, 192KB), resultando na formação da matéria, do tempo e do espaço. A teoria foi desenvolvida nos anos 50 do século passado por George Gamow (nascido Georgiy Antonovich Gamov, 1904–1968) e seus colegas, a partir das conjecturas "dinâmicas" de Friedmann e Lemaître.

A alternativa tradicional: Steady-state model
A teoria do Estado Estacionário ("Steady-state") foi aventada pela primeira vez por Sir James Jeans (1877-1946) na década de 1920, mas realmente ganhou impulso em 1948, quando foi reformulada por Thomas Gold e Hermann Bondi e ganhando enorme visibilidade através de Fred Hoyle. A teoria rejeita o Big Bang e defende a que a expansão se produz porque se cria constantemente nova matéria. Enquanto as galáxias se afastam umas das outras, formam-se novas galáxias nos intervalos, a partir de nova matéria em formação contínua. Baseia-se no chamado Princípio Cosmológico Perfeito, segundo o qual o Universo é homogéneo, isotrópico e constante no tempo. Em Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos, Doubleday, 2004, ch.3, o físico Michio Kaku explica: 
 
"In this model, portions of the universe were in fact expanding, but new matter was constantly being created out of nothing, so that the density of the universe remained the same. Although he could give no details of how matter mysteriously emerged out of nowhere, the theory immediately attracted a band of loyalists who battled the big bang theorists. To Hoyle, it seemed illogical that a fiery cataclysm could appear out of nowhere to send the galaxies hurtling in all directions; he preferred the smooth creation of mass out of nothing. In other words, the universe was timeless. It had no end, nor a beginning. It just was."
 
Essas características eram tradicionalmente apreciadas pelos físicos, principalmente porque eliminavam o problema de ter havido uma origem no tempo. Em vez da criação repentina da matéria no momento do Big Bang, postulava-se a criação contínua de hidrogénio em em todo o Universo. Apesar da expansão, esse expediente compensaria a rarefação para manter a densidade constante. O Universo permaneceria inalterado, para sempre. Todavia, esta ideia conduzia a uma violação flagrante de um princípio importante, o da Conservação da Matéria (bem como o da Energia), segundo o qual “nada é criado, nada se perde...". A teoria da explosão primordial viola-o, mas apenas no chamado "tempo zero". Um modelo adaptado, ulteriormente proposto por Hoyle e pelo físico Indiano Jayant V. Narlikar, procurou explicar um Universo sem expansão, onde a deslocação para o vermelho (redshift) observada se explicava por uma alteração na massa das particulas subatómicas à medida que o tempo avançava. [N.B. O "shift" foi descoberto relativamente cedo, em 1912, por Vesto Slipher, medindo espectrograficamente a velocidade radial de uma galáxia (M31 em Andrómeda). O resultado gerou perplexidade pois nessa época supunha-se que estes objectos "nebulosos" pertenciam à Via Láctea e tamanhas velocidades ultrapassavam muito o expectável.]

As evidências contra estes modelos cresceram à medida que novas pesquisas comprovaram que, por exemplo, certas características de galáxias distantes (como quasares, objectos super-luminosos remotos, que se supõe serem núcleos de galáxia muito activas, e fontes de rádio) não eram detectadas em galáxias mais próximas. As  galáxias evoluem com o tempo, tornando-se mais velhas, com mais elementos químicos pesados. Quanto mais longe observamos no Universo, mais jovens (menos evoluídas) são as galáxias. Os argumentos culminaram na descoberta da radiação cosmológica de fundo em micro-ondas (CMB), que havia sido prevista na teoria do Big Bang. Continuam a existir alguns cientistas que exploram uma variante: a teoria do "Estado Quase Estacionário". Contudo, é amplamente refutada.

N.B.: Apesar do outline similar, é possível encontrar diferentes dados na timeline do Universo, dependendo da fonte consultada. A qualidade da fonte e a sua actualidade deverá obviamente prevalecer.

Na perspectiva mais consensual, o Big Bang não foi uma explosão de matéria a preencher espaço vazio. Não se trata de uma explosão no espaço mas sim de uma explosão do espaço! Um ponto infinitamente quente e denso no qual tudo estava exatamente no mesmo lugar, i.e., ocupava o único lugar. O Big Bang não descreve a génese (como surgiu a energia, o espaço e o tempo) mas sim a emergência e o desenvolvimento do nosso Universo. A origem da teoria é complexa e encerra algumas curiosidades...

O segundo inicial do nosso Universo, de acordo com a teoria prevalecente: 1. O Universo expande-se a uma velocidade tremenda nos primeiros instantes após a Grande Explosão; 2. A temperatura decresce rapidamente mas continua a ser de milhões de graus Fahrenheit; 3. Surgem as primeiras partículas subatómicas (protões, neutrões e electrões) que virão a formar os primeiros átomos (Ilustração de Luis Rizo, in: Llamas Ruiz, Andrés, The Origin of the Universe, Sterling Publishing Co., Inc., 1997; orig. espanhol: Ediciones Estes; © Ediciones Lema, S.L., 1996)

Era uma vez um Universo "tradicional" estacionário, eterno. O génio de Albert Einstein (1879–1955) abre perspectivas nunca antes articuladas. Como conclui, se a velocidade da luz é uma constante, o que foi confirmado em 1930 pelo físico Georg Joos numa experiência com um interferómetro, (aparelho utilizado para efectuar medidas de ângulos e distâncias aproveitando a interferência de ondas electromagnéticas que ocorre quando estas interagem entre si), então a distância e o tempo (ambos os quais definem a mencionada velocidade) devem ser relativos (i.e., não lineares, absolutos).

Relatividade - Termo que designa colectivamente duas teorias, a Relatividade Especial e a Relatividade Geral. A teoria especial da relatividade, publicada em 1905, remete para as Leis da Física como experienciadas por observadores que se deslocam entre si a uma velocidade constante (i.e. não sujeitos a aceleração). Refere como o movimento de um observador relativamente a outro afecta as medições efectuadas por estes. Quando se trata de velocidades pouco elevadas, a relatividade especial reduz-se a situações explicáveis pela física clássica, traduzida pelas "leis do movimento" de Newton. As diferenças entre Newton e Einstein manifestam-se ou tornam-se aparentes somente em velocidades próximas da velocidade da luz. A teoria geral da relatividade (1915) descreve como a relacionação entre espaço e tempo é afectada pelos efeitos gravitacionais da matéria e como espaço e tempo se alteram quando experienciados por um observador num objecto acelerado. A teoria conclui que os campos gravitacionais criados pela presença da matéria determinam que o espaço-tempo se torne curvo. Esta curvatura é responsável pelo movimento dos corpos no espaço. (Ridpath, I. (ed), Oxford Dictionary of Astronomy (2nd ed.), Oxford University Press, 2007, p.417 [trad. nossa]). Curiosamente, por razões filosóficas (como Gerald Holton ou Lewis S. Feuer nos recordam (este último em Einstein and the Generations of Science...,), Einstein preferia e usou até 1911, usando uma expressão de Felix Klein: "teoria da invariância" (Invariantentheorie).

Doravante, Velocidade, Tempo e Massa estão em interacção entre si, respondendo-se, i.e. não são absolutos, são relativos. Somente a velocidade da luz é invariável. Da Teoria Geral (1915), retira-se a conclusão de que Massa, Energia e Gravidade possuem a capacidade para distorcer o Tempo em seu redor. (v. infra resumo acerca das implicações das teorias de Albert Einstein).

Cabe aqui referir, como curiosidade, que as famosas "viagens no tempo" são, de certo modo possíveis... para o futuro. O chamado "paradoxo dos gémeos", ou "paradoxo de Langevin" (que o enunciou numa tentativa algo precipitada de refutação da teoria), envolve a dilatação temporal, uma das consequências da Relatividade restrita: se alguém fizer uma viagem numa nave a grande velocidade (falamos de velocidades tecnologicamente impossíveis, mesmo muito elevadas, próximas da da luz), voltará mais novo do que seu gémeo que ficou na Terra movendo-se a velocidades quotidianas. Nessa medida, o primeiro "viajou" para o futuro na perspectiva do segundo.

O campo gravitacional é a região de pertubação gravitacional que um corpo gera ao seu redor (Ridpath, I., Longman Ilustrated Dictionary of Astronomy & Astronautics, Longman, 1988)

Mas o próprio Einstein, numa atitude conservadora, irá, em 1917, interpolar a chamada “Constante Cosmológica” como apêndice da sua Teoria da Relatividade Geral. Uma espécie de “constante de integração” que acomodava o modelo estacionário, eterno e uniforme do Universo. De resto, "abominável" foi expressão que terá utilizado quando confrontado com a teoria pioneira (conhecida como "Átomo Primordial" ou "Ovo Cósmico" de Georges Lemaître (1894-1966) que ousava sugerir um Universo evolutivo). As contribuições fundamentais de Lemaître acontecem entre 1927 e 1931. Após as evidências coligidas por Edwin Hubble (também este inicialmente cauteloso relativamente às implicações dos resultados, por si obtidos, documentando uma "fuga" das galáxias da qual se infere a "expansão") e a consequente mudança de paradigma, Einstein abandonará o expediente da "constante". Mas resistiu enquanto foi possível a esta ideia que configura uma suposta "explosão" inicial e a inequívoca expansão.

Antes porém, Aleksandr Aleksandrovich Friedmann (1888-1925) havia publicado em 1922 um paper extraordinário, no qual chamava a atenção para a possibilidade de um modelo cosmológico não-estático. Ainda um segundo estudo, igualmente relevante, em 1924, um ano antes da sua morte prematura. O seu trabalho recebeu inicialmente pouca atenção da comunidade científica e o reconhecimento foi póstumo, chegando com a renovação do interesse nestas matérias trazido pelos trabalhos de Georges Lemaitre e H. P. Robertson (1903-1961). Ousado, Friedmann concluia que a “Constante Cosmológica” era uma adenda desnecessária e, no referido artigo de 1922, resolveu as equações de Einstein possibilitando a existência de um cenário dinâmico que virá a acomodar a expansão. O próprio Einstein inicialmente criticou os cálculos de Friedmann mas ulteriormente retirou essas críticas. Na realidade, Friedmann, Lemaitre e outros estavam verdadeiramente na vanguarda e, com uma perspectiva astronomicamente actualizada (sensível aos últimos desenvolvimentos) e muito ampla, foram absolutamente fundamentais na construção do modelo. Einstein somente acompanhará as conclusões que as suas próprias teorias sugeriam após conversar pessoalmente com Edwin Hubble e conhecer as conclusões das investigações feitas em Mount Wilson.

Lemaître, descobriu, tal como Friedmann, que a Teoria Geral da Relatividade se poderia aplicar a um Universo não-estático. Desenvolveu dois modelos que, acreditava, poderiam explicar o "nascimento do espaço". Primeiro calculou como poderia ter evoluído se fosse homogéneo e isotrópico. Esta página pertence a um diário e contém o esboço manuscrito do seu conhecido artigo de 1927 (Georges Lemaître archives, Université catholique de Louvain [Lovaina]). No segundo modelo (1931) imaginou o célebre "átomo primevo", no qual o espaço e o tempo foram simultaneamente criados

O Modelo que privilegiamos respalda-se no chamado Princípio Cosmológico (a parte do Universo que podemos ver é uma amostra representativa do mesmo e as mesmas leis físicas têm aplicação em todos os lugares, como explica William C. Keel em The Road to Galaxy Formation (2nd ed.). [S.l.], Springer-Praxis, 2007), concebido a partir das equações de Friedmann (que governam a expansão métrica do espaço em modelos homogéneos e isotrópicos do Universo dentro do contexto da Teoria Geral da Relatividade). O Princípio sustenta que, em escalas suficientemente grandes, o Universo é homogéneo (ou seja, não há qualquer ponto privilegiado; acredita-se que no passado tenha sido ainda mais homogéneo e que as notáveis "excepções" observadas, e.g., as galáxias, surgiram ao longo do tempo por colapso gravitacional) e isotrópico (não há qualquer direcção privilegiada), a Teoria da Relatividade Generalizada de Einstein descreve a sua dinâmica. Desta, formulada em 1915, emana a sugestão revolucionária de que a gravidade não é uma força idêntica às outras, mas sim uma consequência do facto de o espaço-tempo não ser plano, como se pensara: é curvo ou "deformado" pela distribuição de massa e de energia. Os corpos seguem sempre linhas rectas no espaço-tempo tetradimensional (i.e. com quatro dimensões), mas, aos nossos olhos, continuam a parecer que se movem ao longo de trajectórias curvas no espaço tridimensional. Outra situação prevista na teoria é que o tempo deverá parecer fuir mais lentamente perto de um corpo maciço. E isto porque há uma relação entre a energia da luz e a sua frequência (ou seja, o número de ondas luminosas por segundo): quanto maior for a energia, mais alta será a frequência.

Alguns notáveis: Albert Einstein, Edwin Hubble, Aleksandr Friedmann e Georges Lemaître

Em 1919, astrónomos Ingleses fotografaram um eclipse total na ilha do Príncipe (arquipélago de São Tomé e Príncipe), e em Sobral (no Brasil), testando a Teoria da Relatividade Geral de Einstein. A iniciativa, liderada por A. Eddington, notável cientista e "Embaixador da Ciência" (G. Abetti, Storia Dell’Astronomia, 1951), promoveu a medição da posição das estrelas em placas fotográficas feitas durante o fenómeno. O procedimento implicou fotografar meticulosamente o enxame das Híades (em cujas imediações acontecerá o eclipse) meses antes, evidentemente durante a noite. As placas obtidas durante o eclipse permitirama comparação com esses registos-base. Verificou-se, como previsto, que a luz estelar ao passar próximo do Sol foi desviada (no grau antecipado, maior do que o previsto na física clássica) pela gravidade do astro, determinando alterações na posição aparente das estrelas, cuidadosamente medidas (pois são pequeníssimas). Foi a primeira confirmação observacional da revolucionária teoria e a partir daí Einstein tornar-se-á uma celebridade.

Sir Arthur S. Eddington (1882-1944) foi um cientista de vanguarda. Segundo Jean-René Roy, Eddington ...influencé le développement des idées dans plusieurs branches de l’astrophysique. Il a expliqué la nature des étoiles naines blanches, la relation entre la masse et la luminosité des étoiles, et proposé la fusion thermonucléaire comme source d'énergie dans les étoiles. (L'Astronomie et son Histoire, Presses de l'Université du Québec/Masson, 1982., p.295)

Eclipse total de 29 de Maio de 1919 (Royal Astronomical Society)

 
Placa informativa do "Eclipse de Sundy" descerrada em 28 de Maio de 2009 (Ano Internacional da Astronomia). Roça Sundy, ilha do Príncipe (São Tomé e Príncipe). Comemora-se a diligente expedição de Arthur Eddington (representado à esquerda) e a confirmação dos resultados preconizados pela Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein (à direita)

Como resume David Levy: "Newton explicou a Gravidade como uma "força", a teoria de Einstein descreve-a como uma "geometria" Qualquer objecto que se movimente no espaço respeita um caminho geométrico condicionado pelo efeito unificado da massa e da energia. O resultado prático das teorias de Newton e de Einstein é geralmente o mesmo. As leis de Newton levam-nos à Lua e trazem-nos de volta a casa. Todavia, quanto um raio de energia se aproxima de um objecto massivo, como o Sol, as leis de Newton colapsam." (Levy, D. H., David Levy’s Guide to Eclipses, Transits, and Occultations, Cambridge University Press, 2010, p.19 [trad. nossa])

A Espectroscopia está na base da Astrofísica moderna. A natureza cromática da luz foi inicialmente demonstrada por Isaac Newton em 1666. Codificada nas linhas espectrais está a composição química, temperatura e pressão de qualquer objecto astronómico com luz própria. É particularmente útil em combinação com o efeito Doppler-Fizeau (fenómeno físico observado nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objecto que está em movimento em relação ao observador. Descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 por Christian Doppler, todos o conhecemos acusticamente: por exemplo ao escutar o som - que é uma onda mecânica - emitido por um veículo que passa em alta velocidade. O observador percebe que o tom, em relação ao original, fica mais agudo na aproximação, é idêntico no momento da passagem e mais grave quando o veículo se afasta).

Análise espectral. Em B temos a referência, o espectro "normal", obtido em laboratório, de determinado elemento; em A representa-se uma situação de aproximação da fonte luminosa (desvio para o azul); em C e D a fonte afasta-se do espectroscópio (desvio para o vermelho, maior em D). (Máximo Ferreira e Guilherme de Almeida, Introdução à Astronomia e às Observações Astronómicas, 2ª ed., Plátano, Edições Técnicas, 1995). A principal classificação estelar é, numa ordem decrescente de temperatura superficial, a seguinte: O, B, A, F, G, K e M. Começou por ser uma sequência alfabética de letras capitulares, começando no "A", segundo a prevalência das linhas de Hidrogénio (nos espectros estelares) relativamente aos outros elementos. Mais tarde, concluiu-se que a radiação desse elemento é mais forte nas estrelas com temperatura intermédia, portanto a sequência deixou de ser alfabética.

Isaac Newton foi o primeiro a espalhar o 'espectro' das diversas cores contidas na luz branca do Sol, em 1664. Em 1814, Joseph von Fraunhofer fez passar a luz do Sol e de algumas estrelas através de um espectrógrafo (basicamente um prisma que divide a luz nas cores do espectro, capaz de decompor a luz proveniente das estrelas nas suas cores e projetá-las numa figura característica. A cada cor corresponde um comprimento de onda). Verificou que os espectros incluiam a presença de centenas de linhas ("linhas de Fraunhofer"), decerto significativas. Mas somente em 1859 e 1860 é que Gustav Kirchhoff (cujas 'leis' formam a base da espectroscopia) e Robert Bunsen demonstraram que cada elemento químico produzia padrões característicos no espectro. As linhas brilhantes a emissão, as escuras a absorção pelo elemento químico particular, i.e. pelos elemento em presença no corpo estudado. Uma das aplicações mais úteis foi descoberta em 1868 por William Huggins, primeiramente estudando a estrela Sirius. Inspirado no trabalho de Christian Doppler (que descobriu o já referido fenómeno físico observado nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objecto que está em movimento relativamente ao observador), concluiu que o deslocamento espectral explicava a direcção e velocidade do movimento da fonte estelar em relação a nós (na direcção do vermelho denunciava o afastamento, na do azul a aproximação). Edwin Hubble aplicará este método às galáxias.

Alguns "baluartes" da razão, como Auguste Comte (1835) e George Biddell Airy (1857) haviam declarado que poderíamos conhecer alguns aspectos (e.g., os movimentos) mas nunca a composição das estrelas. Rápida e espectacularmente, como vimos, se provou estarem completamente errados.

A escala do Universo alterou-se definitivamente nos anos 50 do século passado quando Walter Baade (no observatório do Monte Palomar) e A. D. Thackeray (utilizando o telescópio Radcliffe em Pretória) descobriram que Hubble subestimou as distâncias, i.e.errou no cálculo das distâncias inter-galácticas e assim o "Tempo de Hubble" expandiu-se repentinamente por um factor de 5 ou 10 vezes. Consequentemente, a idade do Universo também se dilatou. Incidentalmente, foi Baade (1893-1960) quem, juntamente com Fritz Zwicky, cunhou os termos "supernova" e "estrela de neutrões". Usando novos dados, Allan Sandage (1026-2010) recalculou sucessivamente a Constante de Hubble (a equação que traduz o fluxo da Expansão, i,e. valor actual do parâmetro Hubble H, ou parâmetro Hubble-Lemaître, constante de proporcionalidade existente hoje entre a distância e a velocidade aparente de recessão das galáxias do Universo observável). Em 1970, Sandage estimou um valor que era 1/9 do original de Hubble, com consequências profundas para a idade e consequente dimensão do Universo.

Entre outros contributos decisivos refira-se o de Meghnad Saha (1893-1956), astrofísico indiano que desenvolveu uma equação de ionização (conhecida pelo seu apelido), usada para descrever as condições químicas e físicas das estrelas. Argumentou que o primeiro determinante do espectro estelar é a temperatura, o segundo factor é a pressão. O trabalho de Saha permitiu relacionar com precisão as classes espectrais de estrelas com suas temperaturas reais.

Ilustração do deslocamento espectral da luz (variação da posição das linhas espectrais) de uma estrela, para o vermelho e para o azul (Advanced Skywatching: The Backyard Astronomer's Guide to Starhopping and Exploring the Universe (The Nature Company Guides), 1997)

Ilistração da alteração dos comprimentos de onda (distância entre duas "cristas" sucessivas) e da cor da luz percebida (redshift e blueshift, respectivamente), dependendo do movimento da estrela relativamente a nós, (Ridpath, I., Skywatching (Go series), Hamlyn, 1987, p.149)

 
Como resume o divulgador Grom Matthies (O Modelo Cosmológico Padrão, arquivos do "Portal do Astrónomo"): "a primeira consequência verificável é a de que o Universo está em expansão, um resultado conhecido por Lei de Hubble. De facto, as galáxias afastam-se umas das outras com uma velocidade que é proporcional à distância entre elas (salvo pequenas correcções). Note-se que isto não significa que a nossa galáxia seja o centro do Universo. De facto, uma vez que o Universo é homogéneo e isotrópico em larga escala, não pode existir qualquer centro de expansão em 3D. A maneira mais simples de entender este facto é através da já célebre analogia da superfície de um balão a encher. Para uma criatura 2D não existe terceira dimensão, no entanto ela pode facilmente concluir que se encontra num espaço curvo: se se deslocar em linha recta, acaba por voltar ao ponto de partida (além disso, a soma dos ângulos internos de um triângulo é superior a 180 graus). Repare-se que para um ser 2D não faz sentido falar em interior, exterior ou centro do balão; da mesma forma, não faz também sentido falar em interior, exterior ou centro de expansão do Universo. Convém ainda salientar que a expansão do Universo é uma expansão do próprio espaço, e não uma expansão das galáxias num espaço que já existe. De facto, o espaço é "criado" à medida que o Universo se expande. Além disso, também não é correcto imaginar o começo do Universo como uma explosão em algum ponto do espaço, primeiro porque não existe qualquer ponto privilegiado (o Universo é homogéneo) e segundo porque o conceito de explosão está associado a um gradiente de pressão (e o Universo é isotrópico)."

Gráfico de análise espectral, Sloan Digital Sky Survey (clicar para ver gráfico completo)

"Compreende-se que todos estivéssemos ali, disse o velho Qfwfq, e onde mais poderíamos estar? Ninguém sabia ainda que pudesse haver o espaço. O tempo, idem; que queriam que fizéssemos do tempo, estando ali espremidos como sardinha em lata? Disse “como sardinha em lata” apenas para usar uma imagem literária; na verdade, não havia espaço nem mesmo para estar espremido. Cada ponto de cada um de nós coincidia com cada ponto de cada um dos outros em um único ponto, aquele onde todos estávamos. Em suma, nem sequer nos importávamos, a não ser no que respeita ao caráter, pois, quando não há espaço, ter sempre entre os pés alguém tão antipático quanto o sr. Pbert Pberd é a coisa mais desagradável que existe.(...)"

(Excerto de Tudo num Ponto (.PDF, 92KB), Italo Calvino, "As cosmicômicas", Companhia das Letras, 1992 [Le cosmicomiche. 1965], trad. Ivo Barroso; existe edição da Teorema ("As Cosmicómicas") datada de 1993)

O Modelo

A construção teórica responde satisfatoriamente a um elenco abrangente de fenómenos observados:

- a já referida expansão (comprovada pelo redshift (z) das galáxias distantes. É a alteração na forma como a frequência das ondas de luz é observada no espectroscópio em função da velocidade relativa entre a fonte emissora e o receptor (assumindo invariância da velocidade da luz no vácuo), habitualmente descrito numa analogia com o Efeito Doppler para se tornar facilmente inteligível, apesar de aqui se tratar de algo completamente diferente, uma vez mais é o espaço-tempo que se "gera", observando a chamada Lei de Hubble);

[Um dos mais comezinhos efeitos das distâncias e velocidades em presença no nosso Universo actual é a chamada Aberração da Luz. Esta produz um movimento aparente de objectos celestes nas proximidades de suas localizações, dependendo da velocidade do observador. Aquela que se observa nas estrelas é um efeito do movimento do nosso planeta. É habitualmente utilizada a analogia da chuva que parece cair perpendicularmente ou com inclinação, dependendo, respectivamente, se estamos parados ou em movimento. Depende do rácio entre a velocidade (constante) da Luz e a do nosso planeta. O movimento da Terra é ligeiramente elíptico, o que faz com que as estrelas também descrevam uma elipse correspondente, mas minúscula, anualmente. Amplitude depende da posição da estrela na esfera celeste, mais excêntrica no plano da Eclíptica. Nunca ultrapassa cerca de 20" e pode ser infinitésimal.]

- a estrutura em larga escala (o Universo é homogéneo e isotrópico), v. supra definição do Princípio Cosmológico,

- a prevalência e abundância dos chamados elementos leves (e.g., Hidrogénio, Hélio, Lítio);

- a chamada radiação de fundo micro-ondas (CMB), a chamada "relic radiation", dos primórdios (descoberta acidentalmente em 1964 pelos radioastrónomos Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson). A célebre frase “olhar para longe é olhar para o passado” alcança a sua máxima relevância neste contexto. Emitida somente 300000 anos após o Big Bang, é a coisa mais antiga que podemos conhecer.

COBE

A missão do Cosmic Background Explorer (1989-1993) teve como objectivo mapear a radiação cósmica de fundo do Universo, a luz mais antiga que existe! A radiação cósmica de fundo é um ruído cosmológico, evidência de uma época em que o universo era muito novo.

Este mapa coligindo dados recolhidos entre 1990 e 1992, recebeu imensa publicidade mas foi sucedido por outros mais precisos, resultantes da totalidade dos dados recolhidos ao longo dos 4 anos da missão. (NASA)

Se a expansão tivesse sido uniforme, como explicar a heterogeneidade da distribuição da matéria ou a formação das galáxias? Esta missão parece ter encontrado respostas: as minuciosas diferenças de temperatura detectadas e rigorosamente medidas parecem estar relacionadas com ligeiras variações de densidade no universo arcaico, que deram origem às estruturas que hoje conhecemos, aos enxames de galáxias bem como, em contraponto, a amplas regiões vazias. (v. infra referência à extensa pesquisa ulteriormente efectuada pelo satélite WMAP) 

Relatividade...

Na exímia síntese de Stephen Hawking, na "Breve História do Tempo..." (A Brief History of Time - From the Big Bang to Black Holes, Bantam Dell Publishing Group, 1988), "As leis do movimento de Newton acabaram com a ideia da posição absoluta no espaço. A Teoria da Relatividade acaba de vez com o tempo absoluto". Com Einstein, cada observador passou a medir intervalos de tempo diferentes entre os mesmos acontecimentos, consoante a sua própria velocidade. Cada um passou a ter o seu próprio Tempo!

Uma dúvida persistente é se a expansão do Universo é indefinida ou se é cíclica, ocorrendo um abrandamento progressivo que, em última análise, pressupõe uma contracção que conduzirá ao colapso (Big Crunch) e a um novo Big Bang (Universo Oscilatório ou Oscilante, sugerido por Friedmann e investigado nos seus detalhes por Richard Tolman, 1881-1948). Em causa está a massa total: se esta for menor do que um determinado valor, a expansão prosseguirá indefinidamente (como parece indicar o resultado das pesquisas da sonda WMAP):

The Fate of the Universe (disponível versão .PDF, 47KB, arquivada do original)

A extensa pesquisa da radiação cósmica de fundo levada a cabo pela sonda WMAP (entre 2001 e 2010) teve um papel fundamental na consolidação da actual perspectiva cosmológica. Assim, o modelo "Lambda cold dark matter" (Lambda-CDM ) é o mais simples capaz de explicar:
- a existência e estrutura da radiação de fundo;
- a estrutura em grande escala do Universo e a distribuição das galáxias;
- a abundâcia observava de hidrogénio (incluindo deutério), hélio e lítio;
- a expansão acelerada (testemunhada pela luz das galáxias e supernovas distantes).

"What boundary may be set to creation we know not, but we can trace it far enough to perceive that, as far as our senses are concerned, it cannot be distinguished from absolute infinity." (Webb, T. W., Celestial Objects for Common Telescopes, Longman, Green, Longman, and Roberts)

As interpretações teológicas e filosóficas são interessantes. O longo e intrínseco percurso das implicações teológicas das investigações astronómicas é inseparável nas suas origens. A amplitude do projecto conduz, amiudadamente, ainda hoje, a considerações onde se invoca "Deus" (a sua "mente", a sua "partícula", a sua "fórmula", etc.). Parece inevitável, uma verdadeira tentação, tanto dos próprios cientistas como jornalística. J. D. North escreveu:
 
"Astronomy remains what it has been throughout its long history, a playground for unrestrained metaphysical and theological speculation, but this can hardly now be said to lie at its core. When modern astronomers in one breath profess themselves to be agnostic and in the next describe the ripples revealed by COBE as ‘traces of the mind of God’, this tells us only that theological sophistry is not what it was. The overall response is hardly surprising, bearing in mind how entangled are astronomy’s roots with those of religion. It is one of the ironies of history that the study of such a vast and impersonal subject matter should from beginning to end have been so intimately bound up with principles of human nature." (The Norton History of Astronomy and Cosmology, W. W. Norton & Company, 1994, p.623).

Segundo Mario Novello, conhecido cosmologista e antagonista do modelo prevalecente, a polpularidade da teoria do Big Bang pode ser atribuída ao facto de "confirmar" ou, pelo menos, não contrariar as explicações religiosas de que o Universo foi criado por Deus. Sabemos como o papa Pio XII procurou, de início, capitalizar a teoria como "dogma" de fé, e o honesto desconforto e intervenção pessoal de Lemaître. Na perspectiva de Stephen Hawking, estamos num Universo "sem limites no espaço, sem principio nem fim no tempo, e sem nada para um Criador fazer" (Breve História do Tempo..., trad. portuguesa de Ribeiro da Fonseca; vide prefácio de Carl Sagan).

Noutro registo, o astrofísico e divulgador Neil deGrasse Tyson, comentando teorias com implicações no âmbito da tecnologia e Inteligência Artificial, não encontra um argumento válido que refute a hipótese de que podemos, com elevada probabilidade, estar a viver uma engenhosa experiência ou simulação criada por "alguém" (aceder). E acrescenta numa entrevista: "The universe is under no obligation to make sense to you" (ver). Em causa o argumento da simulação (.PDF, 234KB) de Nick Bostrom, da Universidade de Oxford. O matemático David Orrell também acredita existirem evidências de que vivemos uma realidade virtual (Truth or Beauty: Science and the Quest for Order, Yale University Press, 2012). Encontramos prestigiosos antecedentes no "Sonho da Borboleta" taoísta de Zhuang Zhou, a.k.a. Chuang Tzu (adaptado por Lovecraft em Polaris, por Queneau, “o célebre apólogo chinês” e por Jorge Luis Borges na sua “Nova refutação do tempo”) ou no conceito Hindu de Maya, "Ilusão". Descartes também utilizou uma metáfora relacionável, o "génio maligno", mas deixou autonomia para o cogito.

Os cinéfilos conhecem "The Matrix", de Lilly e Lana Wachowski (ou, melhor ainda, a sua "inspiração" algo simétrica: Ghost in the Shell, Mamori Oshii, 1995) e "Existenz" (David Cronenberg).

Timeline da expansão, incluindo hipotéticas porções não observáveis do Universo. O espaço é representado, em cada momento, por secções circulares (concepção artística, não obedecendo a escala fidedigna; NASA / WMAP Science Team)

"The Universe begins to look more like a great thought than a great machine" (Sir James Jeans, The Mysterious Universe)

"O tempo é a substância de que sou feito. O tempo é um rio que me arrasta, mas eu sou o rio; é um tigre que me destroça, mas eu sou o tigre; é um fogo que me consome, mas eu sou o fogo" (Jorge Luís Borges, "Nova Refutação do Tempo", Obras Completas, II, 144)

O modelo cosmológico aberto determina um final escuro e vazio. Como Dinah Moché resume, há evidências de que o Universo continua em expansão. As estrelas ainda se formam dentro das galáxias utilizando o Hidrogénio original do Big Bang. No futuro, a reserva de Hidrogénio das estrelas esgotar-se-á. Então, estrelas e galáxias deixarão de brilhar. O Universo, iniciado com um "ígneo" Big Bang, terminará numa escuridão fria, caso se continue a expandir. Nesta perspectiva cosmológica, que é mainstream, o destino último do Universo parece depender do contrabalanço entre as dinâmicas da expansão e da gravidade. Caso prevaleça a primeira, é o vazio! No caso de a última prevalecer, teremos uma contracção e um Big Crunch (esta variante configura o modelo oscilatório, que prevê ciclos de expansão, contracção e recomeço através de novo Big Bang).

Ilustração da evolução do Universo na Teoria do Big Bang, modelo aberto (Moché, D. L. , Astronomy (Third Edition), John Wiley & Sons, Inc., 1987)

Obstáculos

Entretanto, o modelo foi desafiado por algumas questões "embaraçosas". Hawking elencou-as na supracitada obra de divulgação:

1) Por que motivo era o Universo tão quente no princípio?
2) Por que razão é o Universo tão uniforme em macro-escala? Por que é que parece o mesmo em todos os pontos do espaço e em todas as direções? Em particular, por que é que a temperatura da radiação do fundo de micro-ondas é tão semelhante em direções diferentes?
3) Por que é que o Universo começou com uma taxa de expansão tão próxima da 'crítica', que separa universos que voltam a entrar em colapso daqueles que se expandem para sempre, de tal maneira que, mesmo hoje, continua a expandir-se aproximadamente à mesma razão crítica?
4) Apesar de o Universo ser tão uniforme e homogéneo em macro-escala, contém irregularidades locais, como as Estrelas e as galáxias. Pensa-se que estas se desenvolveram a partir de pequenas diferenças na densidade do Universo inicial, de região para região. Qual a origem destas flutuações de densidade?

A perspectiva "inflacionária" procurará responder a algumas das pertinentes questões colocadas.

"Singularidade"

Um ponto indivisível
de velocidade zero
e massa infinita

que às vezes fica nu

As componentes Escuras e a Teoria Inflacionária

Deduzida dos estudos dinâmicos, é a diferença entre a massa observada de certas estruturas do Universo e a massa dessa estrutura calculada a partir do movimento das galáxias que a constituem e do princípio da gravidade universal. A verificação indirecta resultante do comportamento gravitacional "inesperado" de galáxias no seu deslocamento ou colisão é, na perspectiva actual, somente compreensível na presença de uma grande quantidade de matéria não directamente “observável”, que deverá interagir muito, mesmo muito pouco com a matéria e radiação conhecidas, excepto através da gravidade. Como resume José Sande Lemos, do IST: "sabe-se o que faz, mas continua sem se saber o que é." (Visão, 09.10.2019). Esta dunkle materie ("matéria escura") foi formalmente inferida pela primeira vez em 1933 por Fritz Zwicky (Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, Helvetica Physica Acta, 6: 110–127), a partir dos desfasamentos relativamente à (suposta) massa em presença que verificou no estudo das velocidades medidas em galáxias do enxame de Coma Berenices.

No chamado modelo de concordância “Lambda.CDM” (Lambda-Cold Dark Matter), que explica a existência da chamada radiação de fundo (prova determinante do Big Bang e da idade do Universo), assim como a estrutura em grande escala e as observações efectuadas do comportamento das supernovas, a “matéria escura” (ou “matéria negra”) deverá constituir 85% da massa, somando com a “energia escura” 95% da massa-energia do Universo! Todavia, alguns astrofísicos procuram explicações alternativas (vide Hossenfelder, S.; McGaugh, S. (Aug. 2018). Is dark matter real?. Scientific American. 319 (2): 36–43).

Neste âmbito, podemos referir os neutrinos, enigmáticas partículas que manifestam apenas uma ténue interacção com a matéria e, consequentemente, quando produzidos por reacções nucleares nas estrelas podem escapar se colidirem com o material circundante. Podem ser responsáveis por parte da matéria escura do Universo. Como Jay Pasachoff explicou relativamente ao Sol, apesar de a radiação electromagnética como os raios gama ou a luz não chegar até nós directamente a partir do centro do Sol, há um tipo de partícula subatómica que o faz (o neutrino). Como o seu nome sugere, é uma partícula pequena e "neutra" que não interage com o campo magnético solar. De facto, quase não interage com a matéria. Mas são formados no interior da estrela, onde esta gera a sua energia. (The Complete Idiot's Guide to the Sun, Alpha Books, 2003, pp.35-37 [trad. nossa]). Porque há vários "tipos" de neutrino e evidências de que estes sofrem alterações, os físicos consideram que os neutrinos devem ter alguma massa. As mencionadas alterações ou "mutações" são desafiadoras, no contexto da física das particulas elementares.

Este é um notório problema/enigma: será o Universo esmagadoramente composto por matéria diferente da “vulgar” (bariónica, i.e. formada basicamente pelos habituais protões e neutrões; a que compõe tudo o que "conhecemos", o nosso corpo, uma abóbora, um pneu ou os planetas)? Segundo Domingos Sávio de Lima Soares (aceder), o perfeito entendimento (e detecção) destas componentes "escuras" será vital para a própria sobrevivência do modelo.

O ponto 2 dos supramencionados "obstáculos" define o problema do horizonte (às vezes chamado problema da homogeneidade), sinalizado no final dos anos 60. Se diferentes regiões do Universo não "entraram em contacto" entre si devido às enormes distâncias, como compreender que tenham a mesma temperatura e outras propriedades físicas? Não devia ser possível, uma vez que a transferência de informação (energia, calor, etc.) pode acontecer, no limite, à velocidade da luz.

Outra dificuldade é o entendimento da chamada "Singularidade", do "ponto de partida" de um Universo comprovadamente em expansão (o ponto de gravidade e densidade infinitas, ab initio): tudo se terá iniciado no desconhecido e no inexplicável ponto onde todas as Leis da Física, como a conhecemos, não se aplicam (o chamado Tempo de Planck). É insondável, a Relatividade aqui não funciona, somente explicável através de uma qualquer teoria quântica da gravidade que ainda não existe.

A teoria básica do Big Bang baseia-se na Teoria Geral da Relatividade, que pode descrever o que acontece depois e não antes da Singularidade. Com a Teoria Inflacionária, passamos a ter duas "teorias do Big Bang", e apenas uma pode estar correcta! A alternativa sugere que o nascimento do Tempo e do Espaço deverá ter acontecido mais cedo, antes do "Bang", como parte de uma fase inflacionária quando o Universo não era dominado pela matéria e radiação mas por uma energia inerente a si mesma (ainda invisível e hipotética, somente conhecida pelos seus efeitos), a já referida "energia escura". Originalmente desenvolvida nos finais dos anos 70 e inícios dos 80 por Alexei Starobinsky, Alan Guth e Andrei Linde, esta variante propõe uma expansão exponencial num estágio primordial, logo após o Big Bang, antes da fase dominada pela radiação. Os modelos inflacionários têm como objectivo resolver os problemas que o Big Bang coloca (v. supra): homogeneidade para determinadas separações angulares da radiação cósmica de fundo, a chamada "planaridade" (relacionado com a densidade crítica, o valor atual do parâmetro de densidade é muito próximo da unidade; um desvio inferior determinaria um universo quase vazio, um desvio superior um universo efémero que não teria chegado a esta provecta idade), a ausência dos previstos monopólos magnéticos (partícula elementar hipotética, estável e pesada, que se comportaria como um íman com pólo único), previsíveis nas condições em presença nos primeiros estágios do Universo primitivo, etc.

Em resumo, o Big Bang "simples" criaria um Universo diferente, mais assimétrico, heterogéneo e "confuso". Daí a pertinência desta curta fase. A aceleração inflacionária deveu-se a um campo escalar hipotético que permeava todo o espaço-tempo, designado "inflatão" na moderna teoria. Em presença estaria um tipo "exótico" de matéria com efeito gravitacional repulsivo (qualitativamente equivalente à chamada "energia escura"), num ambiente de grande pressão negativa (a matéria "vulgar" tem, pelo contrário, pressão positiva). Um processo de superesfriamento que elevou exponencialmente a dimensão do horizonte causal e permitiu a aniquilação de partículas doravante não detectadas. Tudo foi homogeneizado e o modelo também prevê um espectro de perturbações de densidade que dá origem às galáxias, com a óbvia consequência do que somos e conhecemos. Neste modelo o Universo cresce por um curto período até estabilizar no actual ritmo de expansão. O "bang" pode até nem ter acontecido; a primeira matéria pode ter-se formado como uma flutuação fortuita no vazio preexistente (Pasachoff, Jay M., Stars and Planets, (4th ed.), Houghton Mifflin Company, 2000, p.185).

O cenário inflacionário resolve dificuldades, nomeadamente porque é que o Universo é tão vasto, tão uniforme e quase "plano". Daí o sucesso deste "complemento", doravante integrando quase todos os actuais modelos teóricos do Big Bang: o surto de crescimento inicial e exponencial que teria tornado o Universo enorme, suave e plano. antes que a gravidade tivesse a oportunidade de destruí-lo. Depois dessa fase, a inflação diminui, a sua energia converte-se em matéria e radiação e a expansão continua a um ritmo menor.

Velocidades...

É costume referir que, na fase inflacionária, a expansão "ultrapassa" a Velocidade da Luz no vácuo ("c", cuja limitação se aplica a tudo o que está "dentro" do Universo, tratando--se de uma constante absoluta da Física). Na realidade, trata-se de um equívoco. O chamado "superluminal motion" é uma aparência do movimento na direcção do observador. Em todo o caso, a Expansão do Universo não tem uma “velocidade”. Quando as galáxias não estão muito longe, podemos medir seus redshifts cosmológicos e retrospectivamente definir uma “velocidade aparente”. Simplesmente não existe algo como a “velocidade”, entre dois objetos que não estão localizados no mesmo lugar. Na expansão do espaço, a distância é uma quantidade dinâmica que se altera com o tempo. A expansão do Universo é quantificada pela Constante de Hubble (uma constante de proporcionalidade da relação entre as velocidades das galáxias remotas e as respectivas distâncias). A "nossa" velocidade, por outro lado, é distância/tempo. Não são noções compatíveis! A aparente velocidade cosmológica não é mensurável como uma velocidade real. Na expansão é o factor de escala que caracteriza a distância relativa entre os pontos "comóveis" no espaço. A expansão do Universo é um "crescimento" do próprio espaço-tempo, sem lugar preferencial ou ponto de partida.

O contraditório

A variante Inflacionária, acima mencionada, é decerto bem sucedida. Todavia, segundo algumas interpretações, os resultados obtidos pelo telescópio espacial Planck (ESA, 2009-2013) parecem não comprovar a inflação cósmica e “descartam” esse processo essencial para o actual modelo do Big Bang. Paul Steinhardt, da Universidade de Princeton afirma que a inflação não é a explicação simples e convincente que todos procuram. "O problema mais profundo é que, uma vez que a inflação começa, não termina da forma como os cálculos simplistas sugerem". Acrescenta que "em vez disso, devido à física quântica, ela leva a um multiverso, onde o Universo se divide num número infinito de fragmentos. ("Teoria dos multiversos ganha força", Redacção do sítio Inovação Tecnológica - 29/09/2014)

Em contraposição, e adaptando um desenho conhecido, alguns teóricos sugerem de novo modelos "oscilatórios" ou "cíclicos". O Big Bounce, por exemplo, evita o "terror" que é a singularidade (através de "non-singular bounce solutions") e descarta a necessidade do período inflacionário. Neste modelo cíclico, o "universo anterior” entra em colapso e compacta-se, as suas irregularidades são eliminadas e dá-se uma regularização antes do recomeço (v. artigo, Quanta Magazine). De facto, surgiram diversas variantes, cujas arquitecturas procuram constituir alternativa ao cenário prevalecente. A de Steinhardt-Turok, por exemplo, descreve um Universo "explodindo na existência" não somente uma vez, mas repetidamente no tempo; ver overview .PDF, 527KB), etc.

Tipologias

Vamos rapidamente percorrer algumas das alternativas de resposta ao "desafio" cosmológico:

- Flutuações Quânticas e Energia de Vácuo. Baseia-se na manifestação temporária de partículas de energia fora do espaço vazio, como permitido pelo Princípio da Incerteza de Werner Heisenberg. Quando o estado fundamental de uma partícula é atingido, estado de energia mínima, chamado "estado fundamental", observado rotineiramente em processos envolvendo colisões de partículas, a flutuação de energia transforma-se em matéria. Daqui a extrapolação para a cosmogénese.

- a chamada "Brane Cosmology" (baseada na Teoria das Cordas (v. infra), que procura harmonizar a interacção gravitacional com o mundo quântico, visando abordar vários enigmas teóricos, e.g., como é que a gravidade funciona para objetos minúsculos como electrões e fotões? Todavia, esta abordagem acarreta complexidades matemáticas: não funciona nas quatro dimensões familiares (três do espaço e uma de tempo), exigindo mais seis dimensões adicionais! Aqui, o Universo é como um holograma, no qual a realidade física em espaços 3D pode ser reduzida matematicamente a projecções 2D nas suas superfícies).

- "Eternal Inflation Theory", na qual a dinâmica inflacionária termina confinadamente/localmente e novos "universos-bolha" vão surgindo aleatoriamente.

- "Hartle-Hawking state", teoria na qual somente o espaço (e não o tempo) existia ab initio, o Big Bang representando um limite para o tempo mas sem "singularidade" (Universo auto-suficiente). O Universo primitivo tinha uma "fronteira", e isso permitiria previsões científicas mais fiáveis sobre sua estrutura.

1.
Tudo nasceu
do nada

2.
O nada
é extremamente
fértil

3.
Pela primeira vez
os físicos
conseguiram medir
com precisão
absolutamente
nada

(Jorge Sousa Braga, A Matéria Escura e outros poemas)

Na conclusão desta brevíssima resenha, devemos reconhecer que a chamada "Cosmologia pré-Big-Bang" é puramente especulativa. Em rigor, nada sabemos acerca de algo como uma "origem". James E. Peebles (Nobel da Física em 2019) afirma claramente: "It's very unfortunate that one thinks of the beginning whereas in fact, we have no good theory of such a thing as the beginning." (Hooper, Dan (12 Oct. 2019), "A Well-Deserved Physics Nobel - Jim Peebles's award honors modern cosmological theory at last").

Percorremos algumas opiniões do renomado Físico, que refere que o termo "Big Bang" é bastante inapropriado: "(...) conota a noção de um evento e uma localização, os quais estão completamente errados", acrescentando que não há evidências concretas de uma explosão gigante. Argumenta que somente deve ser validado o que está no âmbito do escrutinável, após cientificamente testado. É, consequentemente, céptico relativamente às teorias desprovidas de demonstração e não testadas que elucubram acerca do que está para além, nessa "pretérita fase misteriosa" ("the mysterious phase before"). Afirma todavia que "possuímos uma teoria bem testada, desde os primeiros segundos após a Expansão até ao estado actual do Universo". Relembra que "os mais antigos 'fósseis cosmológicos' são a criação do hélio e outras particulas como resultado da nucleossíntese, quando o Universo era muito quente e muito denso". No que diz respeito à Inflação ("inflation model"), considera que é uma bela teoria mas as evidências empíricas são muito escassas: "It's a beautiful theory. Many people think it's so beautiful that it's surely right. But the evidence of it is very sparse". (fontes: phys.org; tradução PT-BR, G1.Globo.com; aqui em .PDF, arquivado dos originais, 162KB)

...Se mesmo o positivo é sonho e controvérsia
Nem Porvir, nem ninguém, coisa alguma desliga
A Ciência que sonha e o verso que investiga.

(Jorge de Lima, XIV Alexandrinos)

  

COSMOS - uma série televisiva inspiradora para toda uma geração (fonte: TVGuide, Sept.27-Oct.3 - 1980)

A "Teoria de Tudo"

O problema central é a incompatibilidade, as diferenças no seu âmago: enquanto a relatividade geral e a física da gravidade explicam o "espaço-tempo" como uma estrutura geométrica curva e escorreita (como uma "folha de borracha" maleável e flexível, determinada pela gravidade que em tudo actua), a teoria quântica tem no seu núcleo algo como o "Princípio da Incerteza" (Werner Heisenberg, 1927), que define que não há como medir precisamente as partículas quânticas, como átomos e moléculas, quando estudadas em sistemas de escalas reduzidas, restando o cálculo das probabilidades de onde e como os mecanismos se comportarão. No universo "micro" há, portanto,sempre um grau de imprecisão. O estudo do problema da origo (se o Universo teve ou não uma "origem") ou a sua origem assumida segundo o modelo prevalecente num Big Bang exige a combinação das duas vertentes: o começo numa "dimensão de Planck" ou escala infinitesimal (até na perspectiva de uma escala ao nível atómico), matéria, energia e a ulterior criação do espaço tempo.

Assistimos, no extremo do "infinitesimal", ao descartar da formulação clássica enquanto explicação física da chamada "realidade". O advento da Física Quântica, o "Princípio da Incerteza", as potenciais dimensões alternativas, em suma: o colapso do dogma de que a realidade é "conhecível" e previsível (Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, etc.). Também, nas primeiras décadas do século XX, as perspectivas que simultaneamente se abriram nas possibilidades da exploração do Espaço. Tudo isto influenciou a Arte, como podemos exemplificar com as radicais "reduções fenomenológicas", desconstruções e propostas abstractas na arte Moderna e Contemporânea. É evidente que as mutações sociais, políticas e as tremendas vicissitudes da época têm primazia, mas a ciência, a tecnologia e as "prognoses" do futuro são parte integrante, inseparável, Como exemplo, os suprematistas Ilya Chashnik ou Kazimir Malevich. Acerca do último, a historiadora Aleksandra Shatskikh escreveu: "(...) Central to this was his prescient fascination with outer space, the cosmos and man’s destiny to explore it (at one point he kept a telescope in his pocket), and a key part of his art pre-empted Russia’s enchantment with travel beyond our world" (The cosmos and the canvas; "Tate Etc.", Issue 31: Summer 2014).

Ilya Chashnik, "Círculo vermelho sobre superfície negra", 1925

Uma Teoria da Grande Unificação poderia responder às interacções físicas de modo unificado, evitando as evidentes contradições entre as respostas (que separadamente são eficazes) que possuímos para as grandes escalas (e.g., a gravitação) e o infinitesimal quântico. Reflecte a busca da "Teoria de Tudo" que reuniria todos os fenómenos físicos num único tratamento teórico e matemático (como James Clerk Maxwell conseguiu no século XIX com a electricidade e o magnetismo). Nada pode ser experimentado ou observado directamente mas a procura dos hipotéticos "gravitões" (responsável pela transmissão da força da gravidade na maioria dos modelos da teoria quântica de campos) e dos efeitos supostamente previstos continua. E a estrutura matemática da teoria requere dimensões extra!

O "Multiverso" e a tal String theory. Ficção científica?

Multiverso

Mysteries remain: Was this Big Bang really the start of everything, or is our universe just one inflating bubble in a much larger multiverse? (Jo Marchant, The Human Cosmos: Civilization and the Stars. Dutton, 2020, ix)

As diversas especulações do chamado "Multiverso" estão relacionadas com o princípio antrópico (não entendido aqui etimologicamente mas sim no sentido lato de vida cognoscente ou inteligente). Num dos inúmeros "universos" possíveis, decerto seria uma realidade.
 
Consideradas por muitos para além do propriamente científico (i.e. fora do âmbito da Física), as especulações acerca do "Multiverso" (a própria semântica é "desafiadora", no mínimo) constituem a ponderação da possibilidade da existência de outros "universos" (que jamais poderemos observar directamente, tampouco testar, devido às dimensões e aos limites que a "nossa" Física impõe) fora dos limites do nosso (ou em paralelo se "habitando" outras dimensões), que seria assim apenas mais um. Neste "patchwork", cada "universo" poderia ter as suas Leis Físicas e constantes peculiares e específicas, não necessariamente coincidentes com as que uniformemente observamos no nosso universo.
 
Não é por acaso que os seus proponentes começam tantas vezes as suas cogitações com a expressão we believe... ("acreditamos..."), como Melvyn Bragg judiciosamente apontou enquando entrevistava Martin Rees (e ainda Fay Dowker e Bernard Carr em Fevereiro de 2008: "The Multiverse", In Our Time, BBC Radio 4)
 
Os críticos apontam que tudo isto é muito pouco científico, sem possibilidade de testagem empírica (sendo que a testagem observacional e a refutabilidade (o respeitadíssimo conceito enquadrado pelo filósofo Karl Popper) estão na base da interpretação científica e não deveria ser descartada, ou estaremos no plano da Metafísica), exigindo uma "crença" que ultrapassa os limites do razoável. É como seguir o caminho mais longo e acidentado numa viagem...
 
For a start, how is the existence of the other universes to be tested? To be sure, all cosmologists accept that there are some regions of the universe that lie beyond the reach of our telescopes, but somewhere on the slippery slope between that and the idea that there is an infinite number of universes, credibility reaches a limit. As one slips down that slope, more and more must be accepted on faith, and less and less is open to scientific verification. Extreme multiverse explanations are therefore reminiscent of theological discussions. Indeed, invoking an infinity of unseen universes to explain the unusual features of the one we do see is just as ad hoc as invoking an unseen Creator. The multiverse theory may be dressed up in scientific language, but in essence, it requires the same leap of faith. (Davies, Paul (12 April 2003). "A Brief History of the Multiverse". New York Times).
 
Many physicists who talk about the multiverse, especially advocates of the string landscape, do not care much about parallel universes per se. For them, objections to the multiverse as a concept are unimportant. Their theories live or die based on internal consistency and, one hopes, eventual laboratory testing. (Ellis, George F. R. (1 August 2011). "Does the Multiverse Really Exist?". Scientific American. Vol. 305, no. 2. pp. 38–43)
 
Philip Goff considera que a tentativa de explicação da nossa improvável existência (o chamado "fine-tuning") através do Multiverso constitui um exemplo da chamada Inverse gambler's fallacy. Salienta a desarticulação e ausência de causalidade entre o que acontece nos hipotéticos diferentes "universos", etc. Como Ethan Sieger escreveu, a completa ausência de evidências remete o tema para o campo da ficção científica ("Ask Ethan: Have We Finally Found Evidence For A Parallel Universe?"; (22 May 2020), Forbes)

Talvez aqui se aplique o que Allan Chapman refere acerca das imaginativas "realidades alternativas" da ficção científica, na qual a Física é deixada de lado:

"But we have to be careful never to conflate science fact, measured, tried, and tested, with science fiction. Hollywood and other branches of the media entertainment industry have created a whole new “alternative reality” for many people worldwide, and Star Trek,Star Wars, Doctor Who, and similar space fantasy creations have come to be elevated to religious cult dimensions. In this never-never world, characters may hop from star to star, or galaxy to galaxy: may materialize, dematerialize, and cross infinities of time and space at the flick of a switch; but let us remember that this is not physics. Nor should we lull ourselves into thinking that what we might summon up with our imagination stands the remotest chance of becoming physical reality. I fully admit that no one knows what we will discover in 100 or 500 years’ time, but what has been a sheet anchor to astronomy over the centuries has been an emerging and beautifully integrated body of ideas called the laws of physics. Think of Roger Bacon and the optical physics of the rainbow in c. 1260, William Gilbert and terrestrial magnetism in 1600, Kepler’s Laws of Planetary Motion, 1609–18, Newtonian gravitation, Faraday’s electromagnetism of 1831, Clerk Maxwell’s energy equations, the electron and neutron parts of the atom, Einstein’s relativity, quantum, Lemaître’s expanding universe, and radio waves. Each stands upon its predecessors not merely in a purely intellectual, but also in an observational, experimental and substantive tradition, and can be tested and verified by anybody, of any nationality, in the international market-place of science. Between them, they form the “laws of science”, and within their rich explanatory structure I can see no room for the space fantasists’ world being anything other than a fantasy." (Comets, Cosmology and the Big Bang - A History of Astronomy from Edmond Halley to Edwin Hubble, Lion Hudson, 2018, ch. 29)

Cordas...
 A mais consensual tentativa de criação de uma teoria abrangente (theory of everything) entre os físicos ousados é, actualmente, a chamada Teoria das Cordas

Seriam "cordas" unidimensionais (na realidade, tubos de espessura infinitesimal) em vez de partículas sem dimensão. Os seus diferentes "estados vibratórios" determinariam (como as cordas de um violino emitem as diferentes notas) as propriedades das diferentes partículas constituintes da matéria, sejam quarks, electrões, etc. Resumimos doravante um artigo de Mariane Mendes (brasilescola.uol.com.br/fisica/teoria-das-cordas.htm).

(...) Apesar do sucesso dessas teorias (a Relatividade Geral, de Albert Einstein, e a Física Quântica), elas deixaram algumas questões em aberto. Primeiro, a relatividade geral não consegue explicar a teoria do Big Bang nem o comportamento dos buracos negros. Em segundo lugar, a Física Quântica não oferece uma explicação satisfatória para a gravitação.

Para facilitar a compreensão, podemos fazer uma analogia entre essas cordas e as cordas de um instrumento musical: da mesma forma que as diferentes vibrações das cordas de produzem sons diferentes, as vibrações desses pequenos filamentos de energia produzem partículas diferentes.

O que é? Se observarmos um deserto em determinada altura, veremos um espaço contínuo cuja cor dependerá da coloração da areia que o compõe. Mas se aproximarmos, veremos que ele é formado por minúsculos grãos de areia. Esses grãos, por sua vez, são constituídos por partículas ainda menores e invisíveis a olho nu: os átomos. Estes têm sua estrutura formada por electrões, protões e neutrões. Os protões e neutrões formam-se de partículas elementares chamadas "quarks". É até esse ponto que vai a física "convencional". A teoria das cordas vai um pouco mais além. De acordo com esta, os quarks são formados por pequenos filamentos de energia semelhantes a pequenas cordas vibrantes, daí o nome dado à teoria. Essas cordas vibram segundo diferentes padrões, com frequências distintas, produzindo as diferentes partículas que compõem o nosso mundo. A figura a seguir mostra que se a matéria for descomposta nas suas partes menores, veremos que ela é constituída por pequenas "cordas".

Ao afirmar que tudo o que forma o universo é constituído de uma única forma, a teoria das cordas consegue hipoteticamente unificar todas as teorias da Física. Já que todas as partículas que formam a matéria são formadas por apenas uma entidade, todas elas podem ser explicadas por apenas uma teoria. É por isso que a teoria das cordas também pode ser chamada de teoria de todas as coisas (Theory of Everything - TOE).

A principal implicação está na sua demonstração matemática: ela não funciona num universo com três dimensões espaciais, mas sim num com dez dimensões de espaço e uma de tempo! Isso quer dizer que, se a teoria for comprovada, existem sete dimensões espaciais que não conseguimos perceber e que vão além da altura, comprimento e largura. Isso representa uma nova visão do Universo bem diferente do que já conhecemos. Apesar de todos os avanços já apresentados, a teoria das cordas é, ainda, apenas uma ideia (estrutura teorética) e não pode ser demonstrada experimentalmente. Espera-se que, com o avanço das pesquisas em torno dos aceleradores de partículas se torne possível acumular evidências.  [Texto ligeiramente adaptado ao Português Europeu. Ênfases a negrito são nossas]

O Futuro

Voltemos à Física! Neste momento, o Universo está repleto de estrelas. Parece algo óbvio mas nem sempre foi assim e também não será no futuro distante. Como David Harper explica (A Brief History of the End of the Universe, in: Yearbook of Astronomy 2023, David Jones (ed.) Pen & Sword Books, 2022), vivemos num período a que os cientistas chamam "Era das Estrelas" (Stelliferous Era). As primeiras estrelas (que os astrofísicos designam de modo pouco intuitivo Population III) formaram-se meio milhão de anos após o Big-Bang e eram constituídas somente por hidrogénio e hélio, únicos elementos então existentes. Geralmente efémeras, foram estas que no seu rápido colapso forneceram ao Universo os elementos pesados (e.g., oxigénio, carbono, ferro; em Astrofísica, qualquer elemento para além do hidrogénio e do hélio é designado um metal), aproveitados pelas gerações estelares seguintes. Após algumas gerações (o Sol pertence à terceira), o hidrogénio eventualmente acabará e esta Era chegará ao final. Se, como algumas teorias preconizam, os protões forem instáveis, a própria matéria bariónica (ou "normal") colapsará e decairá em fotões, numa larga escala de tempo. Quando o buracos negros das galáxias "evaporarem", entraremos numa Era Escura... será o final.

Também o astrofísico Martin Rees descreve o devir do Universo (citado em Henbest, N., & Couper, H., The Story of Astronomy, Cassell Illustrated, 2012, pp.196-97): "Suppose we look ahead to when the Universe is a hundred billion years old. It will be a dull and dark place, because all but the faintest and most slow-burning stars will have died, leaving dead remnants like white dwarfs, neutron stars, or black holes. Now, let’s go ahead to when the Universe is, say, a trillion, trillion years old: all the stars will have died, and the Universe wouldbe very, very dispersed indeed.". Nem os átomos nem os próprios buracos negros são eternos: “They gradually decay. If you waited a number of years — actually, one followed by about 35 zeros — all the dead stars would erode away. You still have dark matter and black holes. But we believe that even black holes don't live forever, and eventually evaporate.". Quanto ao futuro mesmo, mesmo longínquo: "When the Universe is so old that — in years — it’s one followed by 100 zeros, even the biggest black holes will probably have gone. Then the Universe will just be very, very dilute radiation and dark matter, plus nothing else but a few electrons and a few positrons, and that’s all. And in that state, the Universe can go on expanding for the infinite future."

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