MOTIM A BORDO - Cosmologia
As leis que explicam o nascimento e a evolução do Cosmo se fortalecem a despeito do grande número de críticas e tentativas de reformular o conhecimento atual.
"Existem muitas dúvidas de que o universo surgiu de uma grande explosão. As observações sugerem que ela talvez nunca tenha existido. "
Fred Hoyle, astrônomo inglês
"Uma certa dose de ceticismo é saudável, mas não há nenhuma contradição bem estabelecida contra a teoria do big bang".
James Peebles, astrônomo americano
Desde que a moderna ficção científica ganhou impulso e se popularizou, nos idos da década de 50, todos os seus autores tiveram que encontrar algum meio de superar a velocidade da luz e tornar a duração das viagens interestelares compatível com o curto período de vida dos seus heróis. Desde então, uma das mais usadas invenções literárias é a do hiperespaço, espécie de dimensão extra na qual as distâncias seriam, por natureza, muito mais curtas do que os trajetos ordinários. Não menos célebre, a nave Enterprise, do seriado Jornada nas Estrelas, emprega motores graduados em imaginárias "dobras" de superpotência para burlar, com maior ou menor rapidez, o limite imposto pelas leis da Física.
É uma pena que as coisas não sejam tão simples na vida real. A bordo de uma nave como a Enterprise, talvez fosse mais fácil elucidar inúmeros pontos obscuros que ainda persistem a respeito da origem e da evolução do Universo. Também aqui estão em jogo criações engenhosas do espírito, como a própria teoria do Big Bang (ou grande explosão), segundo a qual o mundo tomou forma há cerca de 15 bilhões de anos, na mais formidável explosão de que se tem notícia. Mas a ciência, ao contrário da ficção, não pode se contentar com as aparências: tem de encontrar fatos que sustentem suas teorias. E sempre que técnicas e instrumentos evoluem, expandindo a esfera do conhecimento, é preciso mostrar que as teorias continuam a espelhar a realidade.
Esse é o desafio com que se defronta agora a teoria do Big Bang. Embora tenha se consolidado desde a década de 30 como o melhor modelo do Cosmo, apoiado por ampla maioria, ela não governa sem oposição. E as críticas são tantas, atualmente, que quase se transformam numa revolta contra o saber vigente. A fonte que as alimenta, sem dúvida, é a imensa riqueza de informações coletadas no céu. Basta ver que os alemães Josef Hoell e Wolfgang Priester, da Universidade de Bonn acreditam ter reunido dados para nada menos que duplicar a idade estimada do Universo. Também não faltam novas idéias - ao contrário, há quem reclame que elas são excessivas, como o astrônomo americano Marc Davis, da Universidade da Califórnia.
"Não se pode inventar um princípio físico diferente cada vez que se depara com um novo fato", pondera. Inúmeros pesquisadores, no entanto, parecem ter adotado a bandeira dos protestos estudantis de 1968: "todo o poder à imaginação". Vale a pena citar como exemplo a intrigante tese de que o Universo se comporta de modo análogo aos seres vivos, defendida pelo teórico Lee Smolin, da Universidade Siracusa, nos Estados Unidos. Volta e meia, imagina o cientista, o vácuo se abriria para dar à luz rebentos, ou universos bebês. É, sem dúvida, uma proposta estranha, mas não despropositada.
O parto cósmico consistiria numa espécie de inversão daquilo que se pensa ocorrer-nos conhecidos buracos negros, astros cuja marca registrada é uma densidade sem limites. A partir de certa concentração crítica - que seria alcançada, por exemplo, se a massa do Sol fosse três vezes e meia maior do que é -, não há força na natureza capaz de impedir que a gravidade comprima a matéria indefinidamente. O resultado seria um astro sem corpo, um volume cheio de matéria em eterno desmoronamento. Smolin considera que tais "volumes negros" podem gerar "volumes brancos" de matéria em descompressão. Levando a analogia ainda mais longe, ele diz que os recém-nascidos talvez não fossem todos iguais. Cada um deles poderia ser mais ou menos propenso a gerar buracos negros e, conseqüentemente, ter maior ou menor capacidade de procriar.
O resultado final seria um zoológico de mundos disputando entre si o direito de povoar o espaço, com vantagem para os de maior prole. Essa proposta revela o grau de sofisticação alcançado pela pesquisa moderna. Mas não preconiza, necessariamente, a derrubada da teoria predominante. No jargão político, Smolin receberia o epíteto de reformista, enquanto outros se candidatam efetivamente à alcunha de xiitas da Cosmologia.
Entre estes últimos se encontram respeitáveis figuras como o inglês Fred Hoyle e os americanos Geoffrey Burbidge e Halton Arp, todos com uma polpuda folha de serviços prestados à ciência. "As inúmeras dúvidas existentes sugerem que talvez nunca tenha havido um Big Bang", escrevem eles em um artigo recentemente publicado na revista inglesa Nature. Ao lado de inúmeros outros, eles põem em dúvida nada menos que a lei fundamental de expansão do Cosmo, descoberta pelo astrônomo americano Edwin Hubble, há 65 anos.
Ao estudar galáxias mais ou menos próximas, Hubble percebeu, surpreso, que essas grandes ilhas de estrelas não estavam simplesmente flutuando no vazio. Estavam se afastando a grande velocidade em todas as direções. Concluiu então, em vista disso, que o Universo inteiro estava se expandindo - ou seja, as galáxias fugiam umas das outras da mesma maneira que os fragmentos de uma granada ao explodir. O choque provocado por esse golpe de gênio transparece num depoimento recente de um brilhante teórico, o inglês Stephen Hawking. Precoce, ele conta que era estudante secundarista quando começou a refletir sobre o afastamento das galáxias. "Mas não acreditei naquela conclusão. Parecia muito mais natural que o Universo fosse estático - caso contrário, o que teria dado início à expansão?"
Apesar de não dar solução a esse tipo de enigma, a teoria do Big Bang responde a indagações de importância fundamental. Ela explica, por exemplo, como nasceram os átomos mais simples, dos quais foram feitos todos os outros. É até difícil acreditar que uma teoria tão abstrata, construída com base em tão esparsos fatos concretos, possa levar a uma conclusão de impacto direto sobre a existência da vida e de toda a humanidade. Mas já não há dúvida de que os átomos começaram a ser moldados cerca de 1 segundo após a explosão primordial. Mais do que isso, sabe-se precisamente quais foram os elementos produzidos e a exata proporção que cada um deles representa da matéria-prima original.
Inúmeros cálculos, cuidadosamente refinados desde a década de 40, mostram que esses matusaléns das substâncias se resumiam a apenas três: hidrogênio, hélio e lítio. São justamente os três primeiros itens da tabela periódica (na qual o russo D.I. Mendeleyev e outros químicos do século passado classificaram os átomos em ordem crescente de complexidade, dos mais leves aos mais pesados). Até 76% da massa total do Universo foi transformada em hidrogênio, e quase todo o resto, perto de 24%, tomou a forma de hélio. O lítio poderia ser considerado como mera impureza das caldeiras cósmicas: forjou-se na proporção de um átomo para cada 10 bilhões de átomos de hidrogênio.
De acordo com a teoria todos os outros átomos existentes, de um total de quase 100, nasceram muito mais tarde, no interior das estrelas. Atualmente, a massa de todos eles mal chega a 2% da massa original de hidrogênio e hélio, a partir dos quais foram sintetizados. É importante notar que Enterprise nenhuma poderia cruzar o vazio na "era atômica", pois ainda não existiam galáxias, os habitantes por excelência do Universo atual. Devido ao curto tempo de expansão, apenas um segundo depois do Big Bang, a extensão total do espaço era ainda ínfima, 10 bilhões de vezes menor que hoje. Além disso, como tudo aquilo que se comprime, se aquece, a temperatura alcançava 10 bilhões de graus C, mil vezes maior que a encontrada no cerne do Sol.
Em outras palavras, a Astronomia ainda não existia, e o Cosmo inteiro constituía um tremendo reator nuclear. Não é por outro motivo que se podem calcular as suas propriedades com tamanha acuidade: a Física nuclear é muito bem conhecida, tanto por meio do estudo das estrelas, como das usinas e bombas atômicas construídas na Terra. Mesmo assim, ainda há margem para dúvidas. Análises aprimoradas das mais velhas estrelas, por exemplo, revelam quantidades aparentemente excessivas de berílio e boro, átomos que seguem o hidrogênio, o hélio e o lítio na tabela periódica dos elementos. Em vista disso, é cabível questionar, em contradição com os cálculos convencionais, se tais excessos não teriam se originado nos primórdios do tempo.
Alguns dos cientistas que garimpam átomos nas estrelas acreditam que essa possibilidade não apenas existe como, de quebra, poderia resolver um dos mais desconcertantes mistérios do Cosmo. Trata-se da matéria escura, ou matéria perdida, como foi inicialmente designada. A questão é tão simples quanto polêmica: não se sabe onde estão 99% da matéria do Universo, já que, aparentemente, tudo aquilo que se vê - na forma de galáxias, estrelas ou brilhantes nuvens de poeira e gás - constitui apenas 1% do total. Hawking dramatiza o problema da seguinte maneira: "Ou existe uma outra forma de matéria além da que podemos detectar, ou nossa compreensão do Universo primitivo está completamente errada".
Há diversos motivos para se pensar assim, mas o principal é o fenômeno da inflação cósmica, cuja descoberta, do teórico americano Alan Guth, foi uma das mais importantes dos últimos vinte anos. Embora não tenha nada a ver com as atribulações terrenas, a inflação cósmica ganhou esse nome devido à fase de rápido aumento de preços que assolou a economia americana nos anos 70. E ela realmente revela um momento de profunda crise na história do Cosmo. Em poucas palavras, Guth descobriu que, imediatamente depois de iniciado, o Big Bang repartiu-se num vasto número de fragmentos - e todo o Universo se originou de um único fragmento desses.
Antes de mais nada, tal fato explica a luz extremamente uniforme emitida pela grande explosão primordial. Detectadas ainda hoje na forma de débeis ondas de rádio e denominadas radiação de fundo, tais emissões são espantosas porque emanam ao mesmo tempo de todos os pontos do céu, como se o Cosmo inteiro estivesse se comunicando com a Terra. E não importa em que direção se aponte a antena: elas têm sempre a mesma intensidade, ou a mesma temperatura, num conceito mais refinado. O satélite americano COBE, que fez o último e mais acurado mapeamento celeste desse sinal cósmico, estabeleceu sua temperatura em exatos 270,42 graus Celsius negativos, ou 2,73 graus acima do zero absoluto.
Essa incrível uniformidade, no entanto, só pode ter sido alcançada porque o volume original do Universo era muito pequeno e denso. Assim, todas as suas partes podiam se misturar e trocar energia umas com as outras, de modo que todas elas detinham a mesma quantidade de energia, na média, e emitiam luz precisamente da mesma maneira. Nada parecido ocorreria se o Universo tivesse evoluído a partir de todo o Big Bang. Por uma simples razão: não haveria tempo de todas as suas partes se contatarem, mesmo à velocidade da luz. Nesse caso, apenas por milagrosa coincidência emitiriam luz de maneira uniforme - um fato que sempre alimentou críticas à teoria vigente. Guth livrou-a desse defeito original. Mas, ao mesmo tempo, abriu a temporada de caça à matéria escura, como explica o astrofísico americano David Schramm no excelente livro que escreveu com o físico Michael Riordan, The Shadows of Creation, "As sombras da criação", em tradução literal. "Se a inflação é realmente um fato, deve haver muito mais matéria no Universo do que antes se pensava." Os cálculos mostram que a matéria luminosa, ou detectável por meio dos instrumentos atuais, representa apenas 1% do total produzido pela inflação. Um dos maiores defensores do Big Bang, Schramm demonstra confiança na possibilidade de, mais cedo ou mais tarde, se desvelar a parte oculta desse iceberg.
Uma parte da massa escura já foi, na verdade, descoberta: ela pode ser formada por planetas muito distantes de qualquer estrela; poeira e gases excessivamente frios, ou estrelas-anãs, pequenas demais para brilhar de maneira perceptível. De modo indireto, é possível deduzir a presença desses corpos no corpo das galáxias ou na gigantesca estrutura dos superaglomerados, que às vezes reúnem milhares de galáxias. A pista, no caso das galáxias, é a alta velocidade de rotação das estrelas distantes do centro: se a única massa presente fosse a da matéria visível, a velocidade de rotação seria bem menor que aquela efetivamente medida. Tudo indica que as galáxias estão imersas numa grande esfera de matéria sem luz.
O mesmo se pode dizer dos aglomerados e superaglomerados, cujas peças brilhantes, as galáxias, se prendem firmemente umas às outras como monumentais carrosséis. Estima-se que a massa denunciada pelos excessos de velocidade deve somar pelo menos 10% do total produzido pela inflação; talvez até três vezes mais que isso. De qualquer maneira, ainda seria preciso dar conta de uma quantidade considerável de matéria. E mais importante: esse resto não poderia ser formado por átomos ou fragmentos convencionais de átomos, caso contrário já teria sido detectado. Só para dar um exemplo, se as nuvens de gás e poeira fossem muito mais abundantes do que parece, reduziriam a luminosidade de outros astros de maneira perceptível.
De longe, o mais forte candidato a matéria escura é um velho conhecido dos físicos: o neutrino, partícula descoberta na década de 30, que participa ativamente de todas as reações nucleares. Os neutrinos têm a virtude de interagir muito fracamente com qualquer outra forma de matéria. Explica-se, assim, que passem despercebidos, mesmo se tiverem influência global sobre o Cosmo. A dúvida é saber se realmente têm massa de repouso (isto é, além da massa decorrente do movimento, que todo corpo tem, até mesmo a luz). As mais recentes pesquisas - inclusive sobre os neutrinos emitidos pela supernova 1987 A, os primeiros captados de um astro que não o Sol - apontam para uma resposta positiva.
Embora muitíssimo pequena, tal massa teria efeito considerável, pois os neutrinos são incrivelmente abundantes (eles atravessam o corpo de toda pessoa na Terra à taxa de 600 trilhões a cada segundo). Mas esse debate é muito importante para ser encerrado com a simples escolha de um bom candidato a matéria escura. Em primeiro lugar, porque as evidências básicas que apóiam a teoria do Big Bang, por impressionantes que sejam, se resumem a apenas três: o afastamento das galáxias, a síntese dos átomos e a radiação de fundo. "Uma saudável dose de ceticismo é bem-vinda", admite o veterano James Peebles, do Instituto para o Estudo Avançado, de Princeton. Num artigo em defesa do Big Bang, assinado juntamente com Schramm, ele pondera que as evidências disponíveis são poucas, embora apóiem conclusões grandiosas a respeito do Universo.
Em seu livro, Schramm lembra que a investigação das galáxias em grande escala sugere a existência de estranhas formas, algo semelhante a uma esponja. Isso faz pensar numa estrutura global do Cosmo - numa analogia carregada de licença poética, se poderia compará-la ao esqueleto de um animal. Mesmo em escala relativamente pequena nota-se, em certas regiões, uma concentração exagerada de galáxias. Esse é o tipo de problema que, segundo alguns, poderia ser resolvido por uma alteração na síntese primordial dos átomos. O conceito de inflação também fornece algumas pistas. Durante uma rápida expansão, surgem rápidos bolsões onde a densidade de matéria eleva-se acima da média: no final estas oscilações deixariam sua marca na distribuição das galáxias.
Tais soluções ainda têm o sabor de pequenos remendos, e existe no ar a expectativa de um grande e surpreendente achado, capaz de dar uma resposta mais completa sobre o Cosmo. Talvez o primeiro passo para isso tenha sido a recém-anunciada descoberta da semente das galáxias pelo satélite americano COBE: ele mediu o clarão emitido pelos átomos primordiais e, pela primeira vez, registrou pontos densos que dariam origem aos aglomerados de galáxias. Schramm acredita que a solução definitiva não deve demorar. "Até o final do século, esperamos saber de que é feita a maior parte do Universo."
...Da era nuclear às galáxias
A idéia de que todas as galáxias estão se afastando entre si conduz a uma conclusão extraordinária: houve um momento, no passado, em que todas elas estiveram reunidas num único ponto. Nesse instante, o Universo nasceu. Para determiná-lo,, é preciso inverter o sentido atual da expansão das galáxias, de acordo com uma lei descoberta pelo astrônomo Edwin Hubble, em 1927. É como rodar um filme de trás para a frente: o resultado é cerca de 15 bilhões de anos De modo geral, a idéia funciona. As mais antigas galáxias conhecidas existiram à época que o Universo tinha apenas 1 bilhão de anos. Antes disso, à idade de 100 000 anos, a compressão era tão grande que a temperatura alcançava milhares de graus (suficiente para fundir o enxofre, fenômeno que os teólogos medievais usavam para definir o calor do inferno). O Cosmo estava cheio de um gás muito simples, composto por átomos de hidrogênio, hélio e lítio. Quando se recua ainda mais e a compressão aumenta, os próprios átomos perdem sua "casca", formada por elétrons, e ficam reduzidos apenas a seus núcleos, formados por prótons e nêutrons. Assim foi até à idade de 1 minuto e, antes disso, mesmo os minúsculos núcleos se tornaram instáveis. Prótons e nêutrons se mantêm coesos pela força nuclear, muito mais poderosa que a força eletromagnética, que prende os elétrons aos núcleos. No entanto, no período anterior a 1 segundo, a temperatura superava 1 bilhão de graus, e essas partículas circulavam livremente. Apenas daí para a frente haveria condições para que o Cosmo começasse a sintetizar os elementos químicos.
Idade cósmica
A simples definição de velocidade, familiar a todo estudante secundarista, permite calcular há quanto tempo o Universo existe. É como perguntar há quanto tempo um carro deixou uma cidade, quando se sabe que ele está a 120 quilômetros de distancia e se afasta a 60 quilômetros por hora. A resposta, naturalmente, é 2 horas, porque 120 dividido por 60 é 2. Imagine-se agora que duas galáxias quaisquer, no momento do Big Bang, estavam juntas, como o carro e a cidade. A partir daí, quando cronômetro começa a correr, elas se afastam cada vez mais, até alcançar a distancia em que se encontram atualmente. Há quanto tempo? Basta dividir essa distancia pela velocidade entre elas: o resultado é a idade do Cosmo. Aparentemente, isso não é tudo, pois a distancia entre as galáxias varia, conduzindo a inúmeros valores para o tempo. O que se observa, porém, é que existe uma regra básica no Cosmo: se a distancia aumenta, a velocidade aumenta na mesma proporção, de tal modo que a divisão entre os dois números nunca se altera. Não é à toa que essa lei tenha se transformado no alicerce da moderna ciência do Universo.
A inflação do Universo
O conceito de inflação cósmica prescreve que uma pequena porção do espaço, logo após o Big Bang, expandiu-se desmesuradamente até se cristalizar na estonteante população de galáxias que os astrônomos vêem no céu. Mas existe algo mais, além do céu: incontáveis universos que evoluíram de outras pequenas porções do Big Bang De acordo com as mais modernas teorias da Física, tais mundos espoucaram como bolhas, inflados pela densa massa de energia primitiva. A responsabilidade por esse fenômeno cabe a partículas chamadas bósons de Higgs (em homenagem a seu criador, o escocês Peter Higgs). Além de sua importância para o Cosmo, os bósons de Higgs são essenciais para se compreender a matéria numa escala muito menor que o diâmetro de um próton, o núcleo de um átomo de hidrogênio. Aí já não valem as leis da Física nuclear; é preciso empregar equações bem mais avançadas, que descrevem conjuntamente os dois tipos de força nuclear e a eletromagnética. Por isso, explica o astrofísico David Schramm, o vazio entre os universos não é idêntico ao espaço que permeia as galáxias. A matéria que ele abriga não é constituída pelos familiares elétrons e quarks (Com os quais se montam os prótons). Como as forças estão unificadas, existe uma espécie de simetria entre as partículas, que são idênticas entre si ou se transformam sem cessar umas nas outras. Nada disso ocorre no espaço assimétrico, cristalizado no interior das bolhas universos durante a formidável crise de inflação. Portanto, não há esperança de, um dia, uma nave como a Enterprise visitar os mundos vizinhos, diz Schramm. "Lá fora encontraríamos apenas o espaço indiferenciado, repleto de para energia Higgs"
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