A favor do Big Bang

André

por Zulema Abraham
 Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas,
Universidade de São Paulo

Em 1958, o astrônomo britânico Martin Ryle (1918-1984) apresentava à Sociedade Real de Londres os primeiros indícios relativos à origem extragaláctica das então recém-detectadas fontes de rádio e suas implicações na natureza evolutiva do universo.

Relendo hoje seu trabalho, percebe-se nitidamente a limitação do conhecimento sobre o tema à época e o gigantesco avanço que se sucedeu nos últimos 50 anos após sua publicação. Em 1974, Ryle ganhou o prêmio Nobel de Física por sua importante contribuição para o desenvolvimento da radioastronomia, que forneceu os primeiros elementos que confirmavam a hipótese do Big Bang.

Até aquela época, a única janela do espectro eletromagnético usada para estudar o cosmo era a luz visível, com o auxílio de telescópios terrestres. Observações feitas pelo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953) tinham mostrado a existência de galáxias similares à Via Láctea situadas a milhões de anos-luz (um ano-luz equivale a 9,5 trilhões de km).

Medidas tomadas em 1929 revelaram que elas estão se afastando do observador a velocidades que aumentam com a distância. Isso foi feito com base em um fenômeno semelhante ao que notamos no dia-a-dia, quando o som de uma fonte sonora (sirene, por exemplo) parece se tornar mais agudo ou grave à medida que a fonte (uma ambulância, por exemplo) se aproxima ou se afasta de nós. No caso da luz, se a galáxia estiver se afastando, a luz que ela emite e é observada na Terra sofre um desvio para o vermelho.

Embora os resultados de Hubble indicassem a expansão do universo, em 1958 persistia a questão de sua origem. Ele havia se formado a partir de um ponto – idéia postulada na década de 1920 pelo padre e físico belga Georges Lemaître (1984-1966) e refinada em 1946 pelo físico russo George Gamow, na chamada teoria do Big Bang – ou sempre teve o mesmo aspecto, como proposto em 1948 pelos astrofísicos Hermann Bondi (1919-2005), Thomas Gold (1920-2004) e Fred Hoyle (1915-2001), na teoria do estado estacionário?

O trabalho de Ryle, o primeiro a corroborar a natureza evolutiva do universo, baseou-se em observações feitas em outra faixa do espectro eletromagnético, a das ondas de rádio.

Radioastronomia

A radioastronomia teve início com a detecção da emissão de rádio proveniente do centro de nossa galáxia, realizada pelo físico americano Karl Jansky (1905-1950) em 1932. Mas foi durante a Segunda Guerra que os equipamentos de radiofreqüência, sob a forma de radares, tiveram seu maior desenvolvimento – e Ryle foi um de seus promotores.

A diferença entre radares e radiotelescópios é que os primeiros emitem ondas de rádio que são refletidas e detectadas novamente, enquanto os radiotelescópios apenas detectam essa radiação proveniente de objetos astronômicos.

Após a guerra, Martin Ryle começou a estudar a emissão de rádio proveniente do Sol no Laboratório Cavendish, em Cambridge, Inglaterra, e depois a emissão proveniente de nossa galáxia. Entretanto, como os radiotelescópios da época ‘enxergavam’ uma extensa área do céu, mas não conseguiam distinguir detalhes – isto é, separar os diferentes objetos e determinar com precisão sua posição –, teve dificuldade para localizar com rigor as fontes dessa radiação.

Sua contribuição foi fundamental para a radioastronomia, sendo de sua autoria o desenvolvimento das técnicas interferométricas que usam a rotação da Terra como ferramenta. A interferometria baseia-se no ‘descompasso’ com que duas ou mais ondas chegam a um detector.

Emissão de rádio

Foi com um interferômetro simples, formado por duas antenas, que ele e colaboradores venceram aquelas dificuldades iniciais e identificaram, por volta de 1950, as primeiras fontes discretas de rádio e determinaram sua posição com uma precisão que permitia identificar várias delas com objetos observáveis na faixa da luz visível do espectro eletromagnético. As duas fontes mais intensas são Cygnus A, identificada com uma galáxia a uma distância de aproximadamente 500 milhões de anos-luz, e Cassiopéia, cuja posição coincide, em nossa galáxia, com a de uma supernova (explosão de uma estrela que chega ao final da vida).

A natureza da emissão de rádio foi sugerida pelo astrônomo russo Iosif Shklovsky (1916-1985) em 1952 como sendo radiação síncrotron, ou seja, aquela emitida por elétrons que se movimentam a velocidades próximas à da luz (300 mil km/s), quando suas trajetórias são curvadas pela ação de um campo magnético. Ryle acreditou inicialmente que a maioria das fontes descobertas eram estrelas como o Sol, mas que irradiavam a maior parte de sua energia no infravermelho e em rádio, não sendo detectadas em luz visível. Por isso referia-se a elas como radioestrelas. Até 1958, cerca de 500 fontes emissoras de ondas de rádio tinham sido detectadas no comprimento de onda de 3,7 m (o termo equivale à distância entre dois ‘picos’ ou dois ‘vales’ consecutivos de uma onda). Desse total, só 40 eram identificadas por meio da faixa da luz visível: oito correspondiam a remanescentes de supernovas e três a nuvens de gás ionizado de nossa galáxia; 29 estavam associadas a galáxias externas. Embora não se conhecesse a origem das outras fontes nem os mecanismos de emissão, em sua conferência na Sociedade Real de Londres, Ryle mostrou que elas provavelmente estariam fora de nossa galáxia e as utilizou para investigar a verdadeira natureza do universo.

Para nossos objetivos aqui, podemos dizer que o método proposto foi contar o número de fontes com certo brilho e compará-las com as predições dos distintos modelos cosmológicos. Na amostra de radiofontes utilizada, ele encontrou um excesso de fontes com pouco brilho, o que era incompatível com um universo plano. Esse resultado preliminar baseou-se em suposições: por exemplo, que os objetos detectados eram extragalácticos e que sua densidade de radiação e luminosidade não variavam com a distância do objeto à Terra.

Quasares

Muitas radiofontes estudadas por Ryle revelaram-se quasares, possivelmente os objetos mais bizarros do cosmo. Embora tenham aparência estelar, a radiação emitida por eles é muito diferente da emitida pelas estrelas, razão pela qual foram chamados de radio-fontes quase-estelares, ou quasares. Os espectros de emissão desses objetos foram interpretados em 1963 pelo astrônomo holandês Maarten Schmidt como tendo características físicas semelhantes àquelas encontradas em nuvens de gás ionizado, mas com a seguinte diferença: a luz emitida por esses objetos aparecia muito deslocada para o vermelho. Se esse deslocamento fosse interpretado como uma conseqüência da expansão do universo, de acordo com a lei de Hubble, eles seriam os objetos mais distantes já identificados. Como haviam sido vistos quasares no centro de galáxias próximas à nossa, a interpretação foi questionada: argumentava-se que, levando-se em conta a imensa distância desses objetos, sua luminosidade teria que ser muito superior à de qualquer objeto conhecido.

Além disso, alguns quasares mostraram variabilidade no seu brilho em períodos de meses. Isso implicava que a região emissora era muito pequena, complicando ainda mais a interpretação da origem extragaláctica desses objetos. Finalmente, observações feitas com radiotelescópios separados por distâncias de milhares de quilômetros detectaram jatos de radiação e matéria que pareciam ter velocidades superiores à velocidade da luz, que é um limite superior na natureza, conforme previsto pela teoria da relatividade especial, publicada em 1905 pelo físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955).

Todas essas questões podem ser explicadas supondo-se que a emissão dos quasares se origina em jatos que alcançam velocidades próximas à da luz, mas que, devido ao modo como são observadas da Terra, dão ao observador a impressão de que ultrapassam a velocidade da luz.

Dez anos após apresentar seu trabalho à Sociedade Real de Londres, Ryle publicou uma continuação dele. Para elaborá-la, usou 5 mil radiofontes detectadas com o interferômetro inaugurado em Cambridge em 1957, que operava no comprimento de onda de 1,7 m. Nesse trabalho, compilou novamente o número de fontes com base na relação entre a emissão da radiação e o brilho, comparando-as com o que se esperava segundo os vários modelos para o início e a evolução do universo. De novo descartou, por exemplo, um universo estacionário ou casos menos prováveis, como o de um universo sem matéria.

A prova decisiva para a aceitação da teoria do Big Bang pela comunidade astronômica foi a descoberta da radiação cósmica de fundo pelos astrofísicos norte-americanos Arno Penzias e Robert Wilson, em 1965. Essa radiação pode ser considerada uma relíquia da ‘explosão’ que deu início ao universo. Já a prova que levou à aceitação da natureza cosmológica dos quasares foi a descoberta, em 1994, de micro-quasares em nossa galáxia que também apresentam jatos de radiação e matéria relativísticos. Esse trabaho foi realizado pelos astrônomos Félix Mirabel, uruguaio, e Luiz Felipe Rodriguez, mexicano.

Tais argumentos não são suficientes para se concluir que conhecemos a natureza do universo. As novas descobertas acabaram trazendo novos desafios. O fato de a radiação de fundo ter uma distribuição muito homogênea em qualquer direção em que seja observada criou a necessidade de se admitir que o universo se inflou de modo acelerado logo após seu nascimento, bem como a existência das chamadas energia e matéria escuras (ambas de natureza ainda desconhecida), que formam cerca de 95% do cosmo.

O fato é que, para a esmagadora maioria dos astrofísicos e cosmólogos de hoje, o universo – graças em parte aos trabalhos de Ryle – nasceu de uma explosão, está se expandindo e faz isso de modo acelerado. Quanto a esse último item, o mistério continua.

Fonte: Ciência Hoje Online

15 comentários em “A favor do Big Bang”

  1. Caro André,

    Parabéns pelos posts. Acredito que você seja o mais ativo dos integrantes do website.

    Aqui vai uma CRÍTICA: por favor, coloquem as fontes das quais vocês retiraram a informação; ou então, links para que nós leitores possamos nos aprofundar. Como professores (segundo a seção “Quem Somos”) vocês deveriam ser mais cuidadosos nesse ponto; afinal, o lema não é ser cético?

    Você falou do Efeito Doppler-Fizeau Relativístico para a afirmar que as galáxias estavam se afastando. Entretanto, para determinarmos a velocidade de “afastamento” é necessário conhecer a freqüência usada pela fonte (no caso da sirene, podemos regulá-la para 440 Hz por exemplo e depois medir a diferença) para afirmar se ela está afastando ou aproximando. Todavia, ninguém chegou até outra galáxia (pelo menos naquela época) para medir a freqüência real de emissão. Como foi feito esse processo?

    Você sabia que o George Gamow trabalhou com um físico teórico brasileiro? O ilustre Mário Schemberg (só é difícil escrever o nome ;-)

    Existe um processo físico que ultrapassa a velocidade da luz! Sabia?

    Atenciosamente,
    QuintoCavaleiro

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    1. Parabéns pelos posts. Acredito que você seja o mais ativo dos integrantes do website.

      Obrigado. Posso ser o que posta mais, o que mais comenta e o que mais é xingado. Mas a atividade dentro de um site não se restringe ao que aparece. Os mantenedores do Blog trabalham de igual forma. Eu, por exemplo, não mexo na estrutura, codificação, tradução, adequação de tema etc. O elogio deve ser compartilhado por todos nós.

      Aqui vai uma CRÍTICA: por favor, coloquem as fontes das quais vocês retiraram a informação;

      Se vc fizer o favor de ler o PRIMEIRO parágrafo do artigo, verá que sua crítica é inválida. E considerando que eu coloquei o link para o site da Ciência Hoje, de onde o artigo foi retirado, sua crítica é demonstração que vc ou não leu o artigo ou não prestou atenção, o que dá no mesmo. Mas, aceito suas desculpas.

      Todo artigo do Cet.net vem com fontes. A não ser quando nós somos os autores. E, convenhamos, não dá pra colocar todas as nossas fontes de pesquisa. Mas, estamos organizando uma espécie de “biblioteca”, onde recomendaremos livros e ensaios para o pessoal ler em casa, mesmo desconectado. Nada substitui um livro. ;-)

      Você falou do Efeito Doppler-Fizeau Relativístico para a afirmar que as galáxias estavam se afastando(…)

      EU não falei nada. Quem falou foi a pesquisadora do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, da Universidade de São Paulo. Mas, não tem problema, eu respondo sua pergunta.

      é necessário conhecer a freqüência usada pela fonte (no caso da sirene, podemos regulá-la para 440 Hz por exemplo e depois medir a diferença) para afirmar se ela está afastando ou aproximando. Todavia, ninguém chegou até outra galáxia (pelo menos naquela época) para medir a freqüência real de emissão. Como foi feito esse processo?

      Através dos espectros de emissão. Os centros das galáxias não possuem metais pesados. Ademais, estima-se através do redshift.

      Maiores informações eu sugiro, como leitura, Breve História do Tempo e Universo na Casca e Noz.

      Como foi feito esse processo?

      Como qualquer pesquisa científica no início, é necessário fazer estimativas. Não posso dar maiores informações, posto que não sou cosmologista. Mas, isso não significa que tal estimativa esteja errada.

      Existe um processo físico que ultrapassa a velocidade da luz! Sabia?

      E…?

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  2. Ah… realmente eu não li o primeiro parágrafo. Mas de qualquer modo, eu falava em referências no estilo de links para partes importantes dos artigos. Por exemplo, suponha que você esteja lendo um artigo sobre detecção do elétron e o autor diz: “Resolvendo o Laplaciano por métodos finitos para o campo elétrico encontramos um potencial espacial dado por…” Se você nunca ouviu falar em laplaciano, é necessário um link externo para o assunto. Pegou?

    No caso do Efeito Doppler, por exemplo, o artigo diz que dá para determinar se um corpo se afasta ou se aproxima pelo espectro. Mas as premissas para se usar o Efeito Doppler não foram discutidas (como a freqüência real da fonte, por exemplo).

    Outro ponto interessante, é que como você disse, premissas são necessárias. Logo, todo processo científico tem incertezas tanto experimentais quanto estatísticas quanto “estipulativas” associadas. Logo, em física pelo menos, nem sempre 2+2=4 do ponto de vista experimental compreende. Poderíamos divagar horas sobre a metodologia científica, mas acredito não ser o assunto do post né?

    Só para constar: a parte do artigo em que diz velocidades acima da velocidade da luz nas medições está meio estranho. Por isso eu fiz o comentário de efeitos físicos que superam a velocidade da luz.
    A velocidade da luz(c) é um limite natural (segundo a relatividade) e é a mesma medida independentemente do referencial inercial. Assim, justificar velocidades acima de c apenas com mudança de referencial é complicado…

    O efeito no qual velocidades acima da velocidade da luz no meio de propagação são detectados é no Efeito Tcherenkov (http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Tcherenkov). Nele a velocidade de fase de propagação é maior que a da luz, mas a de grupo (e essa sim é importante porque tem a ver com a transmissão da energia pela onda no meio) é menor que a da luz.

    Atenciosamente,
    QuintoCavaleiro.

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    1. Ah… realmente eu não li o primeiro parágrafo.

      Aqui começa o festival de besteiras.

      No caso do Efeito Doppler, por exemplo, o artigo diz que dá para determinar se um corpo se afasta ou se aproxima pelo espectro. Mas as premissas para se usar o Efeito Doppler não foram discutidas

      Reclame com a autora. O link da Ciência Hoje tá lá. Escreve pra eles.

      Outro ponto interessante, é que como você disse, premissas são necessárias. Logo, todo processo científico tem incertezas tanto experimentais quanto estatísticas quanto “estipulativas” associadas. Logo, em física pelo menos, nem sempre 2+2=4 do ponto de vista experimental compreende. Poderíamos divagar horas sobre a metodologia científica, mas acredito não ser o assunto do post né?

      Se vc sabe isso, tá se fazendo de idiota. Parabéns, todo mundo tá realmente acreditando.

      Só para constar: a parte do artigo em que diz velocidades acima da velocidade da luz nas medições está meio estranho. Por isso eu fiz o comentário de efeitos físicos que superam a velocidade da luz.
      A velocidade da luz(c) é um limite natural (segundo a relatividade) e é a mesma medida independentemente do referencial inercial.(…)

      Reclame com a autora. O link da Ciência Hoje tá lá. Escreve pra eles. 2

      O efeito no qual velocidades acima da velocidade da luz no meio de propagação são detectados é no Efeito Tcherenkov (http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Tcherenkov). Nele a velocidade de fase de propagação é maior que a da luz, mas a de grupo (e essa sim é importante porque tem a ver com a transmissão da energia pela onda no meio) é menor que a da luz.

      Parabéns, sabe usar a Wikipédia. Pergunto: e daí?

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  3. Para começar, é incrível: estou tentando fazer um diálogo de conhecimento com vocês. Veja, não sou como muitos que entram no site e começam a cuspir partes da bíblia e , juntamente com vocês, entram em um conflito que não tem fim.

    Mesmo assim, você insiste em respostas ruins. Para você o erro é do cara que criou o artigo, mas esse mesmo erro não é compartilhado por quem o reproduz em um site sem nenhuma avaliação prévia? Lembre-se que há pessoas não letradas em física, por exemplo, as quais aceitariam grande parte de qualquer artigo do site.

    Sobre reclamar com o Ciência Hoje não o farei. Apenas apontei pontos que vocês cuspiram aí sem muita atenção.

    Sobre o Efeito Tcherenkov: apenas coloquei o link para pessoas que não entendem desse assunto terem uma fonte de pesquisa. Coisa que vocês não fazem para assuntos específicos: só põem o link do artigo e o resto q se vire.
    Como você não deu atenção ao pedaço do artigo sobre velocidades acima de c, concluí que você não conhecia o efeito. Aproveite para estudar um pouquinho também ;-)

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    1. Para começar, é incrível: estou tentando fazer um diálogo de conhecimento com vocês.

      Mimimimimimi :cry:

      Mesmo assim, você insiste em respostas ruins.

      Para questionamentos infundados, até que estão muito boas.

      Para você o erro é do cara que criou o artigo

      Eu não falei que havia um erro, trollzinho. Eu falei pra vc escrever pra autora do artigo, já que sua imensa sapiência encontrou os erros dos quais fala. Creio que não é difícil de entender isso.

      mas esse mesmo erro não é compartilhado por quem o reproduz em um site sem nenhuma avaliação prévia?

      A Ciência Hoje é uma publicação indexada, que passa por peer review. Pra mim, merece credibilidade. Se vc não concorda com o artigo publicado originariamente por ela, escreva pra autora ou pros referees.

      Lembre-se que há pessoas não letradas em física, por exemplo, as quais aceitariam grande parte de qualquer artigo do site.

      E é claro que aceitarei a palavra de um troll que não se identificou, que colocou um link de wikipédia, ao invés de uma publicação indexada. Sua arrogância me diverte. Consegue ser maior que a minha, parabéns.

      Sobre reclamar com o Ciência Hoje não o farei. Apenas apontei pontos que vocês cuspiram aí sem muita atenção.

      Lá Lá Lá… Além de troll e arrogante, ainda é covarde.

      Sobre o Efeito Tcherenkov: apenas coloquei o link para pessoas que não entendem desse assunto terem uma fonte de pesquisa.

      Seria esse o momento de eu dizer “não perguntei porra nenhuma” ?

      Coisa que vocês não fazem para assuntos específicos: só põem o link do artigo e o resto q se vire.

      Comprem livros. Isso aqui é um blog e não uma universidade.

      Como você não deu atenção ao pedaço do artigo sobre velocidades acima de c, concluí que você não conhecia o efeito.

      Conhecia, mas não me importei com o detalhe, já que só a princesa se importou com este detalhe. Deve ter visto este link hoje e quer espalhar a torto e a direito. Não me importo.

      Aproveite para estudar um pouquinho também

      Eu estudo muito. Mas nem tudo por falta de tempo. Sugiro que vc comece seus estudos. De preferência leitura e interpretação de texto pra saber de onde vêm as fontes que postamos.

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      2. @André,
        “E é claro que aceitarei a palavra de um troll que não se identificou, que colocou um link de wikipédia, ao invés de uma publicação indexada. ”
        A wikipedia serve como consulta inicial. Sem contar que nos artigos dela sempre há um link externo mais aprofundado…

        “Sua arrogância me diverte. Consegue ser maior que a minha, parabéns.”
        Acho meio difícil, mas de qualquer modo: obrigado.

        “Conhecia, mas não me importei com o detalhe” – sei…acredito…
        “Deve ter visto este link hoje e quer espalhar a torto e a direito” – você não deve ter notado, mas falei coisas até que não constavam no link; como velocidades de fase e de grupo…

        Atenciosamente,
        QuintoCavaleiro

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        1. A wikipedia serve como consulta inicial. Sem contar que nos artigos dela sempre há um link externo mais aprofundado…

          Wikimérdia não é aquele lugar que diz que a miopia é causada pela falta de cloroplastos nos olhos?

          você não deve ter notado, mas falei coisas até que não constavam no link; como velocidades de fase e de grupo…

          Me sinto iluminado com sua vasta sapiência. Como o Cet.net viveria sem suas postagens?

          Obrigado e passe bem. Não precisa postar de novo, pois não serão aceitos. O único troll que permitimos é o Sabino.

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  4. Bom dia. Eu estava revisando umas noções sobre Big Bang e discutindo com um amigo cético a respeito do Big Bang (leia-se: crente).

    Ele perguntou o seguinte: “Explique fisicamente por que o Big Bang ocorreu se pela física quanto maior a massa, maior o poder de atração.”

    E eu respondi: “O espaço expandiu. O poder de atração não era forte o suficiente para manter a matéria presa a um único ponto.”

    Só que eu me dei conta de que essa resposta não está correta. Se um buraco negro, com apenas uma fração insignificante da massa do universo, consegue ter uma força gravitacional capaz de manter a matéria que o compõe num único ponto (ou num volume tão infinitamente pequeno que nem vale a pena escrever sobre), por que é a matéria que compõe o universo, obviamente sob a ação de uma força gravitacional bem maior que a de um buraco negro, se expandiu ao invés de continuar ocupando um volume mínimo?

    Não deveria ter se formado algo parecido com um buraco negro contendo toda a matéria do universo ao invés de uma expansão do volume ocupado pela matéria?

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    1. Ele perguntou o seguinte: “Explique fisicamente por que o Big Bang ocorreu se pela física quanto maior a massa, maior o poder de atração.”

      Explica para ele que a Gravidade é uma das forças mais FRACAS do Universo. Pegue um prego de metal e jogue no chão. Ele está sendo atraído pela Terra, um PLANETA! Agora, chegue perto desse prego (sem encostar) um ímã. O que acontece com o prego? Outra: fala pra ele que existe uma coisinha chamada reação nuclear, mas nem é preciso: um pouco de TNT e qualquer prédio vai pelos ares. Era de se esperar que a força gravitacional prendesse tudo, não é?

      Se um buraco negro, com apenas uma fração insignificante da massa do universo, consegue ter uma força gravitacional capaz de manter a matéria que o compõe num único ponto

      O buraco negro não é algo pequeno e sim uma imensa estrela que colapsou. Em comparação com o Universo é ridiculamente ínfimo, mas eles são capazes de engolir planetas de tão grandes que são.

      Não deveria ter se formado algo parecido com um buraco negro contendo toda a matéria do universo ao invés de uma expansão do volume ocupado pela matéria?

      Não. Leia “Uma Breve história do Tempo, de Stephen Hawking.

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