Quanto tempo já passou desde o Big Bang e como isso é medido

Estima-se que do Big Bang até os dias de hoje, se passaram 13,4 bilhões de anos, com uma margem de erro de 200 milhões de anos

Ruth Lazkoz - The Conversation*

postado em 20/06/2022 14:12 / atualizado em 20/06/2022 14:13

Impressão artística da espaçonave Planck da Agência Espacial Europeia, cuja principal missão é estudar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), relacionada ao Big Bang - (crédito: ESA)

O universo não tem vergonha de revelar sua idade. Existem inúmeros caminhos que nos permitem descobrir quanto tempo se passou desde o Big Bang até os dias de hoje.

Estima-se que, de lá para cá, se passaram 13,4 bilhões de anos, com uma margem de erro de 200 milhões de anos.

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Um intervalo de incerteza que abrange centenas de milhões de anos não é pouca coisa. No entanto, essa imprecisão está diminuindo, graças aos cronômetros cósmicos cada vez mais precisos.

Para conhecer a idade exata do universo, nos aproveitamos do fato de ele estar em expansão, algo que sabemos há quase um século.

Essa expansão produz fenômenos com números gigantescos. Por exemplo: um objeto próximo da nossa galáxia, o buraco negro Sagitário A*, está se afastando a 80.000 km/s de um de seus primos distantes, o OJ287.

Isso acontece basicamente com quase todos os buracos negros do universo. Eles estão se afastando uns dos outros na mesma velocidade que suas galáxias hospedeiras.

No entanto, a confiança nos resultados científicos depende da repetição dos experimentos. E isso é algo que o universo não permite.

NASA

A galáxia GN-z11 (em destaque, à direita) é o objeto mais distante já detectado pelos astrônomos e existia quando o universo tinha apenas 400 milhões de anos. A imagem é do Telescópio Espacial Hubble

Como medir o tempo desde o Big Bang

Para compensar essa impossibilidade de repetir os experimentos, comparamos diferentes fontes de dados. Desta forma, conseguimos ajustar bem nossos cronômetros cósmicos.

Mas, afinal, como podemos medir o tempo decorrido desde o Big Bang?

Nossos dados fundamentais são o fator Hubble. Trata-se de uma quantidade de dados que representa o crescimento percentual médio do universo ao longo do tempo. Vamos imaginar que podemos medir esse crescimento em si e também a que taxa ele ocorreu. Combinando os dois fatores, obtemos o tempo decorrido nessa evolução. Ou seja, temos um cronômetro cósmico em mãos.

Mas vamos colocar essa explicação em termos do cotidiano. Um produto cosmético revolucionário promete deixar os cílios de uma pessoa duas vezes mais longos em apenas 60 dias. Seguindo essa lógica, se aplicarmos a substância e repararmos que nossos cílios cresceram 50%, isso significa que um mês terá se passado desde o início da aplicação, correto?

A resposta, porém, pode não ser tão simples assim. Se não colocarmos o produto diariamente de forma constante, a taxa de crescimento dos cílios vai desacelerar. Deduzimos assim que o tempo de medição com base na mudança de tamanho pode levar a erros.

Precisamos saber bem o que aconteceu no dia a dia para entender essa transformação. Isso é o que chamamos de controlar o experimento. Mas será que esse também é um método ruim para medir a idade do universo?

Quando o universo era mais jovem que a Terra

Em 1947, o físico George Gamow usou os dados do fator Hubble para estimar a idade do universo em 2,5 bilhões de anos. Pouco depois, os geólogos dataram a idade da Terra em 4,5 bilhões. Como o universo poderia ser mais jovem que o nosso planeta?

Obviamente, a estimativa da idade do universo estava errada. O problema era que não se entendia bem como fazer esse cálculo. Mas sabia-se que a expansão normalmente diminui a densidade dos componentes do universo. E, de acordo com a natureza de cada um deles, esse processo acontece em taxas diferentes.

Nas primeiras eras do universo, a radiação dominou. Como a radiação se dissipa muito rapidamente, ela foi substituída por matéria escura, já que a densidade desse composto diminui mais lentamente.

Tudo isso segue o que está descrito nas equações de Einstein. A natureza da radiação e da matéria escura faz com que o universo desacelere. Isso significa que, embora nessas etapas também houvesse expansão, o ritmo foi ficando cada vez menor.

Mas essa noção colidiu com as evidências encontradas em outros experimentos. Neles, a taxa de expansão do universo estava aumentando.

NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford et al. (Johns Hopkins)

O anel de matéria escura modelado computacionalmente nesta imagem abrange cerca de cinco milhões de anos-luz e foi sobreposto digitalmente à imagem ao fundo, em azul difuso. Essa formação aconteceu quando duas galáxias colidiram

A chegada da energia escura

Havia um novo componente reivindicando proeminência nesse processo: a energia escura.

Por uma dessas coincidências mágicas, os efeitos dos diferentes estágios do universo são compensados. Em outras palavras, o atraso original na taxa de expansão foi compensado pela aceleração atual. Portanto, é sensato adivinhar a idade do universo diretamente através do fator Hubble.

Reiteramos que neste tipo de trabalho é necessário medir aumentos de escala em nada menos que o próprio universo. Para fazer isso, aproveitamos o fato de que a expansão amplia o comprimento de ondas eletromagnéticas que nos chegam das estrelas.

O efeito correspondente é o chamado redshift. Isso é feito, por exemplo, em espectroscopia usando extensos catálogos com padrões de intensidades e comprimentos de onda. Dessa forma, são identificados objetos praticamente idênticos entre si, mas diferentes quando se leva em conta as profundidades do universo.

É importante ter em mente que, quanto mais distantes esses objetos estiverem comparativamente, a luz deles terá sofrido mais alongamento. Por exemplo, a luz vermelha que chega até nós da galáxia mais distante conhecida, a GN-z11, é ultravioleta.

A base dos cronômetros cósmicos

Ao calcular o desvio da luz vermelha de uma galáxia distante, estimamos a expansão que ocorreu desde o momento em que cada raio de luz foi emitido. Então, o cálculo é repetido com uma galáxia idêntica e os resultados são comparados.

O próximo passo é calcular a média dessa diferença de expansão no intervalo de tempo correspondente. E essa janela temporária precisamente será a diferença no tempo de viagem da luz, dependendo se ela vem de uma galáxia ou de outra. Isso equivale a obter a diferença entre as idades das galáxias.

Assim, forja-se uma técnica que está emergindo com força: os cronômetros cósmicos. Com essa ideia brilhante, com perdão do trocadilho, espera-se poder arbitrar a disputa sobre os valores do fator Hubble entre as medições do universo local e do universo profundo.

NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI

Esses avanços vão ampliar nossa ambição para enfrentar o maior quebra-cabeça de todos. Como o universo se formou? Por ora, não sabemos

Um atalho para saber a idade de cada estrela

Como as galáxias têm centenas de bilhões de estrelas, é precisa ter um pouco de cuidado.

Para obter as idades das galáxias e das estrelas, deve-se usar uma média demográfica geral. E fazemos isso não porque queremos, mas porque não podemos fazer de outra maneira. É muito difícil determinar a idade de cada estrela de forma individual.

Felizmente, um truque providencial facilita essa tarefa. Ele consiste em usar com sucesso um sinal muito específico de mudança na intensidade da luz emitida a 4.000 angstroms [uma unidade de medida de comprimento]. A técnica depende da presença de metais que aquecem a galáxia e permite arredondar os resultados obtidos por meio dos cronômetros cósmicos.

De fato, não estimamos apenas o fator Hubble atual dessa maneira, mas isso também serve para épocas anteriores. Combinando esse conhecimento com a cosmologia relativista, refinamos nossa compreensão da energia escura. E a roda continua girando e nos dando respostas sobre os componentes do universo.

Atualmente, temos apenas um número modesto dos tais cronômetros cósmicos. Mesmo assim, eles são extremamente precisos. No entanto, há grandes esperanças de ampliar esses resultados em missões futuras.

Isso permitiria construir um catálogo poderoso e informativo. Os experimentos promissores a que me refiro são o EUCLID e o Nancy Roman, missões lançadas pela Agência Espacial Europeia e a Nasa, respectivamente.

Sem dúvida, elas vão melhorar as perspectivas dos cronômetros cósmicos para se posicionarem como peças-chave que conseguirão medir não apenas o fator Hubble, mas também a evolução do próprio universo.

Esses avanços vão ampliar nossa ganância para enfrentar o maior quebra-cabeça de todos: como o universo foi formado? Por ora, não sabemos. Mas podemos reafirmar o que o físico James Clerk Maxwell disse: "A ignorância totalmente consciente é um prelúdio para qualquer avanço real no conhecimento."

*Este artigo foi publicado originalmente no The Conversation. Você pode ler a versão original aqui.

Ruth Lazkoz é professora de Física Teórica na Universidade do País Basco - Euskal Herriko Unibertsitate.

'Este texto foi originalmente publicado em https://www.bbc.com/portuguese/curiosidades-61810473'

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