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29: O Big Bang

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    Nos capítulos anteriores, exploramos o conteúdo do universo — planetas, estrelas e galáxias — e aprendemos sobre como esses objetos mudam com o tempo. Mas e o universo como um todo? Quantos anos tem? Como era no começo? Como isso mudou desde então? Qual será seu destino?

    A cosmologia é o estudo do universo como um todo e é o assunto deste capítulo. A história da cosmologia observacional realmente começa em 1929, quando Edwin Hubble publicou observações de desvios para o vermelho e distâncias para uma pequena amostra de galáxias e mostrou o resultado então revolucionário de que vivemos em um universo em expansão — um universo que no passado era mais denso, quente e suave. A partir dessa descoberta inicial, os astrônomos desenvolveram muitas previsões sobre a origem e evolução do universo e, em seguida, testaram essas previsões com observações. Neste capítulo, descreveremos o que já sabemos sobre a história do nosso universo dinâmico e destacaremos alguns dos mistérios que permanecem.

    • 29.1: A Era do Universo
      Cosmologia é o estudo da organização e evolução do universo. O universo está se expandindo, e esse é um dos principais pontos de partida observacionais para as teorias cosmológicas modernas. Observações modernas mostram que a taxa de expansão não tem sido constante ao longo da vida do universo. Inicialmente, quando as galáxias estavam próximas umas das outras, os efeitos da gravidade eram mais fortes do que os efeitos da energia escura, e a taxa de expansão diminuiu gradualmente.
    • 29.2: Um modelo do universo
      Um modelo isotrópico e homogêneo (o mesmo em todos os lugares) é uma boa aproximação da realidade. O universo está se expandindo, o que significa que o universo sofre uma mudança de escala com o tempo; o espaço se estende e as distâncias aumentam pelo mesmo fator em todos os lugares em um determinado momento. As observações mostram que a densidade de massa do universo é menor que a densidade crítica. Em outras palavras, não há matéria suficiente no universo para impedir a expansão.
    • 29.3: O começo do universo
      O universo esfria à medida que se expande. A energia dos fótons é determinada por sua temperatura, e os cálculos mostram que, no universo quente e primitivo, os fótons tinham tanta energia que, quando colidiam uns com os outros, podiam produzir partículas materiais. À medida que o universo se expandia e esfriava, prótons e nêutrons se formaram primeiro, depois vieram elétrons e pósitrons. Em seguida, as reações de fusão produziram núcleos de deutério, hélio e lítio.
    • 29.4: O fundo cósmico de microondas
      Quando o universo ficou frio o suficiente para formar átomos de hidrogênio neutros, o universo se tornou transparente à radiação. Cientistas detectaram a radiação cósmica de fundo de microondas (CMB) dessa época durante o universo quente e primitivo. Medições com o satélite COBE mostram que o CMB age como um corpo negro com uma temperatura de 2,73 K. Pequenas flutuações no CMB nos mostram as sementes de estruturas de grande escala no universo.
    • 29.5: Do que o universo é realmente feito?
      Vinte e sete por cento da densidade crítica do universo é composta de matéria escura. Para explicar tanta matéria escura, algumas teorias da física preveem que tipos adicionais de partículas devem existir. Um tipo recebeu o nome de WIMPs (partículas massivas que interagem fracamente), e os cientistas agora estão conduzindo experimentos para tentar detectá-las em laboratório. A matéria escura desempenha um papel essencial na formação de galáxias.
    • 29.6: O universo inflacionário
      O modelo Big Bang não explica por que o CMB tem a mesma temperatura em todas as direções. Também não explica por que a densidade do universo está tão próxima da densidade crítica. Essas observações podem ser explicadas se o universo passou por um período de rápida expansão, que os cientistas chamam de inflação, cerca de 10 a 35 segundos após o Big Bang. Novas grandes teorias unificadas (GUTs) estão sendo desenvolvidas para descrever os processos físicos no universo antes e na época em que a inflação ocorreu.
    • 29.7: O princípio antrópico
      Recentemente, muitos cosmólogos notaram que a existência de humanos depende do fato de que muitas propriedades do universo — o tamanho das flutuações de densidade no universo primitivo, a força da gravidade, a estrutura dos átomos — estavam corretas. A ideia de que as leis físicas devem ser do jeito que são, caso contrário, não poderíamos estar aqui para medi-las é chamada de princípio antrópico. Alguns cientistas especulam que pode haver um multiverso de universos, no qual o nosso é apenas um.
    • 29.E: O Big Bang (exercícios)

    Miniatura: Este desenho mostra o Telescópio Espacial James Webb, que está planejado para ser lançado em 2018. O guarda-sol prateado protege o espelho primário e os instrumentos científicos. O espelho primário tem 6,5 metros (21 pés) de diâmetro. Antes e durante o lançamento, o espelho será dobrado. Depois que o telescópio for colocado em sua órbita, os controladores terrestres ordenarão que ele desdobre as pétalas do espelho. Para ver galáxias distantes cuja luz foi deslocada para longos comprimentos de onda, o telescópio carregará vários instrumentos para capturar imagens e espectros infravermelhos. (crédito: modificação do trabalho pela NASA).