COSMOLOGIA “A CRIAÇÃO DO UNIVERSO”
Introdução
O que é cosmologia?
Cosmos é uma palavra de origem grega que significa universo, portanto cosmologia é a ciência que estuda o universo em sua a estrutura, evolução e composição do universo.
Ciência é o método científico para criar e testar modelos;
Estrutura é o problema da forma e da organização da matéria no universo;
Evolução são as diferentes fases pelas quais o universo passou;
Composição é daquilo que é feito o universo.
Seu objetivo é entender como o Universo se formou, por que ele tem a forma que hoje vemos e qual será o seu destino no futuro. As principais ferramentas utilizadas para esse entendimento vêm da Física, Matemática e Astronomia. Da Física vêm as leis que descrevem fenômenos físicos nos laboratórios da Terra e, ao verificarmos que elas descrevem fenômenos semelhantes em lugares distantes do Universo, podemos reafirmar seu caráter universal.
Ao observar o céu, o homem não pode “definir” o tamanho do seu Universo em função das limitações dos instrumentos disponíveis e, conseqüentemente, da região acessível aos olhos. Isso não quer dizer que não existam fenômenos além das regiões que conseguimos ver.
Exemplo é que o telescópio Hubble (figura 1) foi apontado para uma direção no infinito do espaço visando enxergar o que tinha por trás da escuridão aparente e assim permaneceu por 15 dias ou mais capturando luz.
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| Figura 1- Telescópio Hubble |
Quando examinamos as imagens podemos/ou não ter noção da imensidão que existe sem ser observado no universo, como demonstra a imagem abaixo que foi capturada em uma região do universo.
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| Figura 2- Imagem da NASA tirada pelo telescópio Hubble em um lugar escuro do universo, ninguém imaginava a imensidão a ser explorada. |
O telescópio espacial Hubble conseguiu penetrar nas imagens mais antigas do nosso universo detectando radiações eletromagnéticas do infravermelho-próximo. Os objetos mais pálidos e mais vermelhos na foto acima são galáxias que foram formadas cerca de 600 milhões de anos após o Bing Bang, as mais antigas galáxias vistas até ao momento. Esta nova descoberta vem clarear o nosso entendimento sobre a formação e crescimento das galáxias. As fotos foram tiradas em Agosto de 2009 pela nova câmera do Hubble.
Que registra radiação do infravermelho-próximo, vendo o nosso universo ainda mais aprofundadamente. O comprimento de onda da luz de diferentes galáxias é alongado do ultravioleta para o infravermelho-próximo devido à expansão do universo.
Fazer esse tipo de mapeamento de todo o universo levaria milhares de anos.
Unidades Astronômicas
Quando estudamos distâncias entre objetos no universo, a unidade mais apropriada é o ano luz, definido como a distância que a luz percorre em um ano. A velocidade da luz no vácuo é de 300 mil quilômetros por segundo e, portanto, um ano-luz equivale à cerca de 10 trilhões de km. Outra unidade relacionada ao ano-luz e também muito usada é o parsec, que equivale a 3,26 anos luz.
A distância da Terra ao Sol vale cerca de oito minutos-luz; a estrela mais próxima de nós (Alfa Centauro) está a 4,2 anos-luz, enquanto uma das galáxias mais próximas (Andrômeda) encontra-se a cerca de 2 milhões de anos-luz. O tamanho do universo que podemos em princípio observar é de cerca de 13 bilhões de anos-luz. Portanto quando olhamos para a luz da galáxia olhamos para o seu passado. Por exemplo, a luz que observamos hoje de Andrômeda e que imprime sua imagem em uma chapa fotográfica levou 2 milhões de anos para chegar até nós e, portanto, mostra como era essa galáxia há 2 milhões de anos atrás.
A formação do universo
A teoria mais aceita no momento é que o Universo foi criado a partir de um estado inicial muito denso e quente, devido à concentração de toda a sua massa em um único ponto. Esse evento é conhecido como Big Bang (Grande Explosão) e considera-se que o Universo começou a expandir-se e resfriar-se a partir desse instante.
Conhecer mais detalhes sobre a época de nascimento das galáxias, sua distribuição no espaço e sua evolução é conhecida como estrutura em grande escala. Não sabemos exatamente em que época começou o processo de formação dessas estruturas, porque temos muito pouca informação sobre esse período do Universo, mas sabemos que isso deve ter acontecido quando o Universo tinha entre 100 milhões e 300 milhões de anos de idade (veja figura 3).
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| Figura 3- Uma reprodução da mais provável e mais aceita teoria que é a do Big Bang sobre a formação do universo e sua expansão. |
As escalas de distância cobertas pelos telescópios ópticos e radiotelescópios vão até cerca de 13 bilhões de anos luz, ou praticamente a borda do Universo, já que estimamos que ele tenha cerca de 13,9 bilhões de anos.
Não há região ou observador no espaço que ocupe uma posição preferencial em relação à outra qualquer, essa afirmativa é conhecida como Princípio Cosmológico. Foi enunciado por Nicolau Copérnico em fins do século XV e vem sendo utilizado na imensa maioria dos modelos cosmológicos desde então. Como praticamente todos os processos observados na evolução das estrelas e galáxias podem ser descritos em termos da Física conhecida, acredita-se que as leis que descrevem os fenômenos físicos na nossa Galáxia são as mesmas em qualquer parte do Universo.
O Universo é homogêneo e isotrópico em escalas suficientemente grandes. Vem sendo estudado em detalhes nos últimos anos e verificado com base em resultados de diversos levantamentos de galáxias, ou “redshift surveys”, como são conhecidos entre os profissionais. O Redshift (do inglês, deslocamento para o vermelho) é uma propriedade observada nas linhas espectrais das galáxias, que são deslocadas para maiores comprimentos de onda, na direção da parte vermelha do espectro eletromagnético (região de menor energia). Esse deslocamento é maior quanto mais distante estiver à galáxia observada. Essa variação da freqüência em função do movimento do corpo emissor é conhecida como efeito Doppler.
A existência e as propriedades da *RCF (*Radiação Cósmica de Fundo), a abundância de determinados elementos químicos leves (hidrogênio, deutério, hélio e lítio), a observação da velocidade relativa de afastamento de galáxias distantes e a expansão acelerada do Universo. Apresenta as evidências observacionais que sustentam o *MCP (*Modelo Cosmológico Padrão), sendo que a abundância dos elementos químicos nos traz informações sobre o processo do nucleossíntese primordial, a RCF (figura 4) reflete o estado de equilíbrio termodinâmico no Universo jovem, a aceleração do Universo recentemente observada em medidas de supernovas tipo I e a velocidade de recessão das galáxias distantes são fortes evidências do processo de expansão do Universo.
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| Figura 4- RDF Pequenas flutuações na radiação cósmica de fundo medidas pelo satélite WMAP. As cores artificiais são geradas de maneira que os pontos vermelhos são mais quentes e os azuis são mais frios. |
Uma das sugestões mais simples para explicar esse processo de formação é que a gravidade foi atraindo matéria para regiões que eram inicialmente um pouco mais densas.
A expansão do universo
Mas a mais importante descoberta de Hubble foi que as galáxias distantes se afastavam de nós e umas das outras, e a uma certa velocidade (determinada pela determinação do redshiftdas linhas espectrais observadas), através da medida do “redshift” das linhas espectrais. Definimos o “redshift” supondo que o deslocamento é causado pelo efeito Doppler medido nas linhas:
Em que λ é o comprimento de onda medido na estrela e λ0 é o comprimento de onda da linha em repouso. Utilizando a relação acima, escrevemos v = zc e podemos escrever: cz = v = H0.D .
A constante H0 é conhecida como constante de Hubble é 71 ±6 km/s. Megaparsec.
Esse valor tem dimensão [t] -1, logo é possível, usando os valores medidos de d e v, fazer uma estimativa da idade do Universo (lembrando que 1 Mpc = 1 Mega parsec » 3x1024cm)
Observamos que as galáxias distantes estão se afastando umas das outras e deduzimos que o Universo está em expansão. Isso nos leva a pensar que o Big Bang foi o começo de tudo. A Cosmologia tenta traçar um perfil da evolução do Universo da época densa e quente, quando o Universo era composto de uma mistura de gás e radiação em equilíbrio térmico, para o estado extremamente complexo e diversificado que vemos hoje, com galáxias, estrelas e planetas concentrados em certas partes do céu e regiões vazias em outras.
Universo atual é plano e, ao invés de ter a expansão gradualmente freada pela gravidade da matéria existente, a expansão é dominada pela presença da energia escura, causando uma aceleração da expansão.
Composição do universo
Sabemos que a maior parte do universo, ou seja, 96% é feita de algo que ainda não compreendemos. Dividimos essa parte desconhecida entre matéria e energia escuras.
A matéria escura é responsável por cerca de 23% de toda a densidade do Universo e concluímos então que, mesmo falando somente de matéria, somos constituídos de matéria que é a exceção do que existe no Universo.
A energia escura é uma grandeza ainda mais complicada de definir, porque simplesmente não sabemos o que ela é ou como medi-la.
Composição química do universo então:
- · 0,01%- de matéria visível;
- · 0,5%- de hidrogênio e hélio;
- · 4,4%- bárions;
- · 22,6%- matéria escura;
- · 73% - energia escura;
Em outras palavras, praticamente desconhecemos de que tipo de matéria o Universo é feito.
O Destino do universo
Já o destino do Universo é determinado pela sua densidade, geometria e taxa de expansão.
Se a densidade for baixa, o Universo seguirá eternamente no processo de expansão em que se encontra atualmente. Entretanto, se a densidade for maior do que a densidade crítica, a força da gravidade tem intensidade suficiente para reverter esse processo de expansão, fazendo com que o Universo se contraia e, eventualmente, termine sua “vida” numa grande contração.
Para conhecer o destino do Universo é necessário determinar o que são esses componentes: matéria e energia escuras, e como eles influenciam na dinâmica do Universo.
A questão do futuro do Universo está ligada, diretamente, à quantidade de matéria que o Universo possui. A combinação da matéria comum (formada de prótons, nêutrons e elétrons), matéria e energia escura determinam não só a dinâmica do Universo (expansão retardada ou acelerada), mas também a geometria, casos em que ele é aberto, fechado ou plano (como mostra figura 5).
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| Figura 5- Mostra as prováveis geometrias do universo. |
A combinação de matéria ordinária, matéria escura e energia escura definem a geometria do Universo e, conseqüentemente, o destino do Universo, pensando somente em termos de matéria, a geometria seria aberta e o Universo se expandiria para sempre. Entretanto, a densidade de energia escura, que funciona como uma pressão negativa e é responsável pela expansão acelerada do Universo.
Conclusão
A Cosmologia é uma ciência que trabalha para tentar entender o conteúdo, estrutura e evolução do Universo, lidando com enormes tempos e distâncias. Estimativas da idade do Universo e da quantidade de matéria escura estão em andamento, com o Telescópio Espacial Hubble. Ainda não sabemos exatamente qual é a natureza da matéria escura ou da energia escura, mas há vários estudos em aberto sobre esse assunto.
Podemos dizer então que o universo está em expansão acelerada, é aproximadamente plano e não conhecemos 95% dele! O que certamente dará margens a estudos nos próximos milhares de anos, para conhecermos melhor quem somos, de onde viemos e para onde vamos.
Referências:
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