Guia para iniciantes e especialistas sobre o Big Bang: separando fatos de ficção

Imagem gerada por IA [fazendo alusão ao Big Bang] (Imagem de Vox em NightCafé Studio)

Observações iniciais:

• Este artigo foi originalmente produzido por Reasons to Believe na forma impressa. Ao digitalizá-lo e postá-lo em seu website, nem todo o conteúdo foi reproduzido digitalmente. Um exemplo disso são as figuras, que não foram digitalizadas, mas cujas referências permanecem no texto.
• Levar em conta que o artigo é do ano 2000. Há conhecimentos científicos que, de lá para cá, na data em que o publico aqui no blog (abril de 2025), que foram atualizados. Apesar de ser um artigo antigo, seu conteúdo ainda é útil e esclarecedor e serve como material introdutório para quem deseja conhecer mais a respeito da teoria do Big Bang. Há um artigo mais recente de Hugh Ross, de fevereiro de 2023, em que ele cita este artigo aqui e fala da relação do Big Bang com o relato da Criação em Gênesis. O link para ele está disponível logo após o corpo do texto deste artigo (Na seção 'Leia também'. É o primeiro link.).
• O artigo é publicado aqui com data retroativa (out/2014) apenas por preferência pessoal minha em querer que ele fique mais próximo das primeiras publicações deste blog.

por Hugh Ross
30 de Junho de 2000

A cosmologia do big bang é um tópico explosivo.

Reações acaloradas — e resistência amarga — surgiram de direções opostas no último século, mas, ironicamente, pelo mesmo tipo de razões: razões religiosas. Um grupo de oponentes do big bang inclui aqueles que entendem as implicações da teoria, e o outro, aqueles que as entendem mal.

Pessoas no primeiro grupo entendem que o big bang nega a noção de um universo não criado ou autoexistente. A teoria do big bang, baseada nos dados acumulados de séculos, aponta para um começo sobrenatural e um Iniciante proposital (portanto pessoal), transcendente (além dos limites de espaço, tempo, matéria e energia). Aqueles que rejeitam a realidade de Deus ou a cognoscibilidade de Deus, é claro, achariam tal ideia repugnante, uma afronta à sua visão de mundo filosófica. Da mesma forma, ofenderia aqueles que querem soletrar universo com U maiúsculo, que foram treinados para ver o próprio universo como realidade última e como a totalidade de tudo o que é real. Novamente, sua resposta é religiosa.

Pessoas no segundo grupo odeiam o big bang porque pensam erroneamente que ele argumenta a favor, e não contra, uma teoria ímpia das origens. Elas associam o “big bang” ao acaso cego. Elas o veem como uma explosão aleatória, caótica e sem causa, quando, na verdade, representa exatamente o oposto. Elas rejeitam a data que ele dá para o início do universo, pensando que reconhecer alguns bilhões de anos é desacreditar a autoridade de seus livros sagrados, seja o Alcorão, o livro de Mórmon ou a Bíblia. [1, 2] Compreensivelmente, essas pessoas preveem a derrubada final da teoria ou escolhem viver com uma contradição no cerne de seu sistema de crenças.

Apesar da oposição de inimigos declarados, os fundamentos do modelo do big bang, que na verdade é um conjunto de modelos ligeiramente diferentes, permanecem seguros. Na verdade, ele permanece mais firme do que nunca com a ajuda de seus aliados mais potentes e importantes: os fatos da natureza e as maravilhas tecnológicas que os trazem à luz, bem como os homens e mulheres que buscam e relatam esses fatos. [3] As páginas a seguir oferecem um resumo dos dados acumulados que dão suporte ao big bang, dando atenção especial a oito das confirmações mais recentes e significativas.

Um termo problemático

O big bang NÃO é um big “bang” como a maioria dos leigos compreenderia o termo. Esta expressão evoca imagens de explosões de bombas ou dinamite explodindo. Tal “bang” produziria desordem e destruição. Na verdade, este “bang” representa uma liberação imensamente poderosa, mas cuidadosamente planejada e controlada de matéria, energia, espaço e tempo dentro dos limites estritos de constantes físicas e leis muito cuidadosamente ajustadas que governam seu comportamento e interações. [4] O poder e o cuidado que esta explosão revela excede o potencial humano para o design em várias ordens de magnitude.

Por que, então, os astrônomos manteriam o termo? A resposta mais simples é que apelidos, para o bem ou para o mal, tendem a ficar. Nesse caso, o termo não veio dos proponentes da teoria, mas sim, como se pode imaginar, de um oponente hostil. O astrônomo britânico Sir Fred Hoyle cunhou a expressão na década de 1950 como uma tentativa de ridicularizar o big bang, o desafiante emergente de sua hipótese de “estado estacionário”. Ele se opôs a qualquer teoria que colocasse a origem, ou Causa, do universo fora do próprio universo, portanto, para seu pensamento, fora do reino da investigação científica. [5]

Por alguma razão, talvez por sua simplicidade e sua aliteração cativante, o termo pegou. Ninguém encontrou um rótulo mais memorável e abreviado para a “expansão cósmica precisamente controlada de uma ‘semente’ cósmica quente, infinitamente ou quase infinitamente compacta, trazida à existência por um Criador que vive além do cosmos”. O preciso, mas difícil de manejar, deu lugar ao manejável, mas enganoso.

Uma multiplicidade de modelos

As primeiras tentativas de descrever o universo do big bang, cerca de uma dúzia, mostraram-se sólidas nos traços simples e amplos, mas fracas nos detalhes complexos. Então, elas foram substituídas por modelos mais refinados. Os cientistas estão acostumados a esse processo de propor e refinar modelos teóricos. Repórteres de notícias — até mesmo escritores de livros didáticos — às vezes, entendem mal, e inadvertidamente deturpam o que está acontecendo.

Relatos da derrubada do “modelo padrão do big bang” ilustram o ponto. Esse modelo, desenvolvido na década de 1960, identificou a matéria como o único fator determinante da taxa na qual o universo se expande a partir de seu ponto de partida. Ele também assumiu que toda a matéria no universo é matéria comum, o tipo que interage de maneiras familiares com a gravidade e a radiação. Descobertas subsequentes mostraram que a situação é muito mais complexa. A matéria é apenas um dos determinantes da taxa de expansão, e um tipo extraordinário de matéria (chamada de matéria “exótica”) não apenas existe, mas influencia mais fortemente o desenvolvimento do universo do que a matéria comum.

O falecimento relatado do modelo do “big bang padrão” foi interpretado por alguns leitores como o fim do big bang. Pelo contrário, as descobertas que contradiziam o modelo padrão deram origem a um modelo mais robusto, na verdade, um conjunto de modelos tentando responder a novas perguntas. Mais de uma vez, como um desses modelos foi substituído por uma variante mais refinada, artigos de notícias anunciaram a derrubada da teoria do big bang quando deveriam ter especificado um modelo do big bang.

Atualmente, cosmólogos (aqueles que estudam a origem e as características do universo) estão investigando pelo menos três ou quatro dúzias de variações mais novas sobre o tema do big bang. Cientistas esperam que ainda mais surjam à medida que os avanços tecnológicos tornam novos dados acessíveis. Essa proliferação de modelos ligeiramente variantes do big bang, na verdade, fala da vitalidade e viabilidade da teoria.

Faz sentido que os primeiros modelos propostos fossem simples e esquemáticos. As observações naquela época, embora adequadas para dar suporte aos princípios fundamentais do big bang, eram insuficientes para explorar e explicar os detalhes. À medida que as evidências se tornaram mais numerosas e mais precisas, os astrônomos descobriram detalhes e sutilezas adicionais, características que antes estavam além de sua capacidade de discernir.

Novos detalhes, é claro, significam “reconstruções” mais precisas do que realmente ocorreu “no começo”. Cada geração de modelos mais novos e detalhados do big bang permite que os pesquisadores façam previsões mais precisas do que deve ser descoberto com a ajuda de novos instrumentos e técnicas.

À medida que cada onda de previsões se mostra verdadeira, os pesquisadores ganham mais certeza de que estão no caminho certo e ganham novo material com o qual construir modelos mais precisos e mais intrincados. O teste desses modelos, por sua vez, dá origem a um novo nível de certeza e a uma nova geração de previsões e avanços. Esse processo está em andamento há muitas décadas, e seus sucessos são documentados não apenas em periódicos técnicos, mas em manchetes de jornais do mundo todo.

Visão geral das evidências do big bang

A maioria dos livros didáticos atualmente em uso em escolas de ensino fundamental, médio e faculdades descrevem apenas três ou quatro evidências que apoiam a cosmologia do big bang. A lista curta faz sentido para um cientista, que não vê necessidade de reiterar evidências para uma Terra redonda ou para prótons e elétrons. Mas os cientistas que escrevem livros didáticos podem não ter uma apreciação pelas nuvens de dúvida e confusão que ainda pairam nas mentes dos não cientistas.

Um propósito deste artigo é ajudar a preencher a lacuna entre as fronteiras da ciência e a conscientização popular. Este propósito, porém, pode ser realizado apenas parcialmente no escopo de uma revista. O espaço não permite uma explicação ou mesmo uma descrição adequada de cada descoberta que apoia o big bang. Ele permite duas coisas, no entanto. Primeiro, permite uma listagem simples de trinta evidências (com uma ou duas fontes primárias citadas e uma fonte secundária que fornece uma extensa lista de outras fontes primárias) demonstrando a amplitude e a profundidade dessa evidência. Segundo, permite uma descrição mais detalhada das novas descobertas mais poderosas que apoiam um evento de criação do big bang.

Lista resumida de evidências para um evento de criação do Big Bang

1. Existência e temperatura da radiação cósmica de fundo [6]
   Ralph Alpher e Robert Herman calcularam, em 1948, que o resfriamento de um evento de criação do big bang produziria uma tênue radiação cósmica de fundo com uma temperatura atual de aproximadamente 5° Kelvin (-270 °F). [7] Em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson detectaram uma radiação cósmica de fundo e determinaram que sua temperatura era de aproximadamente 3° Kelvin (-271,6 °F). [8]
2. Característica do corpo negro da radiação cósmica de fundo [9]
   Diferenças entre o espectro da radiação cósmica de fundo e o espectro esperado de um radiador perfeito medido em menos de 0,03 por cento, em toda a faixa de comprimentos de onda observados. [10] A única explicação possível para um ajuste tão extremamente próximo é que o universo inteiro deve ter se expandido a partir de um começo infinitamente ou quase infinitamente quente e compacto.
3. Taxa de resfriamento da radiação cósmica de fundo [11]
   De acordo com o big bang, quanto mais velho e expandido o universo se torna, mais fria é sua radiação cósmica de fundo. Medições da radiação cósmica de fundo em distâncias tão grandes quando estamos olhando para trás, para a épocas em que o universo tinha apenas metade, um quarto ou um oitavo de sua idade atual, mostram medidas de temperatura que são mais quentes do que os atuais 2,726° K exatamente na quantidade que a teoria do big bang prevê. [11] Ou seja, os astrônomos realmente testemunham o universo ficando cada vez mais frio ao longo do tempo.
4. Uniformidade de temperatura da radiação cósmica de fundo [13]
   A temperatura da radiação cósmica de fundo varia em não mais do que uma parte em dez mil, em todos os lugares para onde os astrônomos olham, de uma direção para outra no céu. [14] Essa alta uniformidade pode ser explicada apenas se a radiação de fundo surgir de um evento de criação primordial extremamente quente.
5. Proporção de fótons para bárions [15]
   A proporção de fótons para bárions (prótons e nêutrons) no universo excede 100.000.000 para 1. [16] Essa proporção significa que o universo é tão extremamente entrópico (eficiente em irradiar calor e luz) que só pode ser explicado como uma explosão rápida de algo que estaba em um estado denso infinitamente ou quase infinitamente quente.
6. Flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo [17]
   Para que galáxias e aglomerados de galáxias se formem a partir de um evento de criação do big bang, as flutuações de temperatura nos mapas da radiação cósmica de fundo devem ser medidas em um nível de cerca de uma parte em cem mil. As flutuações previstas foram detectadas no nível esperado. [18]
7. Espectro de potência das flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo [19]
   Para um universo surgido do big bang, com uma geometria adequada para a formação de estrelas e planetas que suportem vida, as flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo devem atingir o pico em uma resolução angular próxima a um grau com alguns picos muito menores em outras resoluções. Em outras palavras, o gráfico do espectro de potência se parecerá com uma curva de sino com alguns subpicos ao lado do pico principal. O experimento do balão Boomerang em abril passado confirmou essa previsão do big bang. [20] (Veja a seção neste artigo sobre abundâncias de deutério e lítio para outra confirmação dessa descoberta.)
8. Taxa de expansão cósmica [21]
   Um evento de criação do big bang implica uma expansão universal do universo a partir de um começo há vários bilhões de anos. As medições mais cuidadosas das velocidades das galáxias estabelecem que tal expansão cósmica vem ocorrendo nos últimos 14,9 bilhões de anos, [22] uma medida de idade cósmica que é consistente com medições feitas por outros meios. [23] (Algumas das outras medições são descritas nos parágrafos a seguir.)
9. Órbitas estáveis ​​de estrelas e planetas [24]
   Nosso universo permite órbitas estáveis ​​de planetas em torno de estrelas e de estrelas em torno dos núcleos de galáxias. Tais órbitas estáveis ​​são fisicamente impossíveis, a menos que o universo seja composto de três dimensões de espaço muito grandes e em rápida expansão. (Uma explicação desta prova segue.)
10. Existência de vida e humanos [25]
    A vida e os humanos requerem uma estrela estável como o nosso sol. Contudo, se o universo esfriar muito lentamente, as galáxias capturam a radiação de forma tão eficaz que impedem qualquer fragmentação em estrelas. Se o universo esfriar muito rapidamente, nenhuma galáxia ou estrela pode se condensar a partir do gás cósmico. Se o universo se expandir muito lentamente, o universo entra em colapso antes que as estrelas do tipo solar atinjam sua fase de queima estável. Se ele se expandir muito rapidamente, nenhuma galáxia ou estrela pode se condensar a partir da expansão geral.
11. Abundância de hélio no universo [26]
    (explicado nos parágrafos seguintes).
12. Abundância de deutério (hidrogênio pesado) no universo [27]
    (explicado nos parágrafos seguintes).
13. Abundância de lítio no universo [27]
    (explicado nos parágrafos seguintes).
14. Evidências para a relatividade geral [28]
    Medições recentes da teoria da relatividade geral a afirmam como o princípio mais exaustivamente testado e mais bem comprovado em toda a física. [29] A solução para as equações da relatividade geral demonstra que o universo deve estar se expandindo desde um começo no passado finito.
15. Teorema do espaço-tempo da relatividade geral [30]
    Um teorema matemático desenvolvido por Stephen Hawking e Roger Penrose em 1970 estabelece que se o universo contém massa, e se sua dinâmica é governada pela relatividade geral, então o próprio tempo deve ser finito e deve ter sido criado quando o universo foi criado. [31] Ele prova que deve existir uma CAUSA responsável por trazer o universo à existência, uma causa que existe e opera “transcendentemente”, fora e independente da matéria, energia e todas as dimensões cósmicas do espaço-tempo.
16. Medições de densidade de energia espacial [32]
    Albert Einstein e Arthur Eddington tentaram escapar do big bang alterando a teoria da relatividade para incluir um termo de densidade de energia espacial cósmica (também conhecido como constante cosmológica) e atribuindo um valor particular a esse termo. Recentemente, astrônomos determinaram que de fato existe um termo de densidade de energia espacial cósmica. [33] Seu valor, entrentanto, prova que os modelos alternativos de Einstein e Eddington estão incorretos. O valor medido, na verdade, aumenta a evidência do big bang, estabelecendo que o universo continuará a se expandir a uma taxa cada vez maior.
17. Cálculo de criação em dez dimensões [34]
    Em 1995, uma equipe de acadêmicos liderada por Andrew Strominger demonstrou que somente em um universo enquadrado em dez dimensões espaço-temporais, seis das quais pararam de se expandir quando o universo tinha um décimo milionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um segundo de idade, é possível que a gravidade e a mecânica quântica coexistam. [35, 36, 37] Sua demonstração também confirmou com sucesso a relatividade especial e geral e resolveu uma série de problemas pendentes tanto na física de partículas quanto na física de buracos negros. Essa descoberta implica que o big bang e as leis da física são válidas desde o próprio evento da criação.
18. Idades estelares [38]
    De acordo com a teoria do big bang, diferentes tipos de estrelas se formam em épocas diferentes. As cores e as temperaturas da superfície das estrelas dizem aos astrônomos há quanto tempo as estrelas estão queimando. Esses tempos de queima medidos são consistentes com o big bang. Eles também são consistentes com todos os outros métodos para medir o tempo de volta ao evento de criação cósmica. (Veja este artigo para as últimas medições.)
19. Idade da galáxia [39]
    De acordo com a teoria do big bang, quase todas as galáxias do universo se formaram no início de sua história, dentro de uma janela de tempo de cerca de quatro bilhões de anos. De fato, os astrônomos medem que as galáxias são tão velhas quanto o modelo prevê. [40]
20. Diminuição da aglomeração de galáxias [41]
    O big bang prevê que as galáxias se espalhem cada vez mais distantes umas das outras à medida que o universo se expande. As imagens do Telescópio Espacial Hubble mostram que quanto mais longe no cosmos se olha (e, portanto, por causa da velocidade finita da luz, quanto mais para trás no tempo), mais compactadas as galáxias estão. [42] Na verdade, olhando para trás, para quando o universo tinha apenas um terço de sua idade atual, as imagens do Hubble revelam galáxias tão empacotadas juntas, que elas literalmente estão arrancando braços espirais umas das outras.
21. Álbum de fotos da história do universo [43]
    Como o big bang prevê que quase todas as galáxias se formarão mais ou menos ao mesmo tempo (veja #18), e como as galáxias mudam sua aparência significativamente à medida que envelhecem, pode-se esperar que imagens de porções do universo em distâncias progressivamente maiores (e, por causa da velocidade finita da luz, cada vez mais para trás no tempo) mostrem mudanças drásticas na aparência das galáxias. As imagens do Telescópio Espacial Hubble verificam as mudanças previstas. [44] (Para mais detalhes, veja os parágrafos a seguir.)
22. Proporção de matéria comum para matéria exótica [45]
    Em um universo surgido do big bang, galáxias e estrelas podem se desenvolver como locais adequados de suporte à vida somente se o cosmos exibir uma certa proporção de matéria exótica (matéria que não interage bem com a radiação) para matéria comum (matéria que interage fortemente com a radiação). Essa proporção crucial é de aproximadamente cinco ou seis para um. Medições recentes revelam tal proporção para o universo. [46]
23. Abundância de berílio e boro em estrelas idosas [47]<br>Muito antes da formação das primeiras estrelas, durante os primeiros minutos após sua explosão, a bola de fogo do big bang gera pequenas quantidades de boro e berílio — isto é, se, e somente se, o universo contiver uma quantidade significativa de matéria exótica. Os astrônomos confirmaram que o boro e o berílio primordiais existem nas quantidades previstas pela teoria do big bang e pela quantidade medida de matéria exótica. [48]
24. Números de estrelas da População I, II e III
    (Veja os parágrafos a seguir.)
25. População, localizações e tipos de buracos negros e estrelas de nêutrons [49]
    Após muitos bilhões de anos de queima de estrelas, um universo big bang com as características certas para suporte de vida produz uma população relativamente pequena de buracos negros de massa estelar e uma população maior de estrelas de nêutrons. Grandes galáxias produzem buracos negros supermassivos (excedendo um milhão de massas solares) em seus núcleos centrais. Os astrônomos, de fato, observam as populações, localizações e tipos previstos de buracos negros e estrelas de nêutrons. [50]
26. Dispersão de aglomerados estelares e aglomerados de galáxias [51]
    O big bang prevê que, à medida que o universo se expande, diferentes tipos de aglomerados estelares e aglomerados de galáxias se dispersarão em taxas específicas (e crescentes). Ele também prevê que os aglomerados estelares mais densos se mantêm unidos, mas as velocidades orbitais das estrelas em torno do centro do aglomerado “evoluem” em direção a uma condição aleatória previsível conhecida como virialização. Os tempos viriais dependem da massa e do tamanho do aglomerado e das massas individuais das estrelas. Os astrônomos observam as taxas de dispersão e os tempos viriais previstos pelo big bang.
27. Número e tipo de dimensões espaço-temporais [52]
    Um universo big bang do tipo tal que um local adequado para o suporte da vida física será possível deve começar com dez dimensões espaço-temporais em rápida expansão. Em cerca de 10-43 segundos (cerca de um décimo milionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de um segundo) após o evento de criação, seis das dez dimensões devem cessar a expansão enquanto as outras quatro continuam a se expandir em uma taxa rápida. Vários experimentos e cálculos confirmam que vivemos em tal universo.
28. Massas e sabores de neutrinos [53]
    Todos os modelos de big bang atualmente viáveis ​​exigem que a forma dominante de matéria no universo seja uma forma de matéria exótica chamada “matéria escura fria”. Astrônomos e físicos já sabem que os neutrinos são muito abundantes no universo e que são “frios” e “escuros”. Experimentos recentes estabelecem que os neutrinos oscilam (isto é, transformam-se) de um sabor ou tipo para outro (os três sabores de neutrinos são elétron, múon e tau). [54] Essa oscilação implica que uma partícula de neutrino deve ter uma massa entre alguns bilionésimos e um milionésimo da massa de um elétron. Tal intervalo de massas para o neutrino satisfaz o requisito para os modelos viáveis ​​de big bang.
29. Populações e tipos de partículas fundamentais [55, 56]
    No big bang, o rápido resfriamento do universo de uma temperatura quase infinitamente alta e um estado quase infinitamente denso gerará um zoológico de diferentes partículas fundamentais de propriedades previsíveis e populações previsíveis. Experimentos com aceleradores de partículas que duplicam as condições de temperatura e densidade do universo primitivo verificaram todos os tipos e populações de partículas previstas que estão dentro dos limites de energia dos aceleradores de partículas.
30. Densidade cósmica de prótons e nêutrons
    (Veja os parágrafos a seguir.)

Um álbum de fotos do Big Bang

A evidência mais simples de entender em apoio ao big bang vem de fotos. Com a ajuda de vários dispositivos de imagem, pode-se realmente desfrutar de um tipo de foto de lapso de tempo do big bang. As imagens mostram o universo em seus vários estágios de "crescimento", assim como uma câmera de lapso de tempo {também conhecida como timelapse} captura a abertura de uma flor, ou como um álbum de fotos documenta o desenvolvimento de uma pessoa desde o nascimento.

Tal álbum é possível pelo tempo de viagem da luz (ou radiação). Observar uma galáxia distante, por exemplo, a cerca de 5 bilhões de anos-luz de distância, é equivalente a ver essa galáxia há 5 bilhões de anos, quando a luz que agora entra em um telescópio terrestre começou sua jornada pelo espaço. Em certo sentido, os astrônomos só conseguem capturar vislumbres do passado, não do presente, enquanto olham para o espaço.

Graças aos Telescópios Espaciais Keck e Hubble, os astrônomos agora têm uma história fotográfica do universo que abrange quase 14 bilhões de anos. Ela começa quando o universo tinha apenas meio bilhão de anos e segue até a "meia-idade", onde ainda permanece. A sequência de imagens [imagens não disponíveis online] apresenta destaques deste álbum de fotos cósmicas. A foto (a) mostra o universo no equivalente à infância, antes que as galáxias existissem; (b) descreve o estágio de "criança", quando as galáxias recém-formadas estão tão compactadas que arrancam os braços espirais umas das outras; (c) mostra o universo jovem, uma época em que a maioria das galáxias ainda está gerando ativamente novas estrelas e as colisões de galáxias são frequentes; e (d) captura a entrada do universo na meia-idade, uma época em que quase todas as galáxias pararam de formar novas estrelas e as colisões de galáxias são raras.

A Figura X merece atenção especial. Ela captura aquele momento na história cósmica quando a luz se separou da escuridão pela primeira vez, antes de quaisquer estrelas ou galáxias existirem. Ela nos mostra o universo com apenas 300.000 anos de idade, apenas 0,002 por cento de sua idade atual.

Essas imagens testemunham que o universo é tudo menos estático. Ele se expandiu de um pequeno volume e mudou de acordo com um padrão previsível à medida que crescia, um padrão big bang. Uma imagem ainda vale mais que mil palavras, talvez mais. [57]

Abundância de hélio corresponde à previsão do big bang

A teoria do big bang diz que a maior parte do hélio no universo se formou logo após o evento da criação. De acordo com o big bang, o universo era infinitamente ou quase infinitamente quente no momento da criação. À medida que o cosmos se expandia, ele esfriava, muito parecido com a câmara de combustão em um motor a pistão.

Quando o universo tinha um milissegundo de idade, ele havia se estabelecido em um mar de prótons e nêutrons. O único elemento existente naquela época era o hidrogênio simples, descrito por um único próton. Por cerca de 20 segundos, quando o universo tinha pouco menos de quatro minutos de idade, ele atingiu a temperatura certa para a fusão nuclear ocorrer. Nesse ponto, prótons e nêutrons se fundiram para formar elementos mais pesados ​​do que o hidrogênio simples.

De acordo com a teoria, quase exatamente um quarto do hidrogênio do universo, em massa, foi convertido em hélio durante esse período de 20 segundos. Exceto por pequenas quantidades de lítio, berílio, boro e deutério (que é hidrogênio com um próton e um nêutron em seu núcleo), todos os outros elementos que existem no universo foram produzidos muito mais tarde, junto com um pouco de hélio extra, nas fornalhas nucleares nos núcleos das estrelas.

Uma das maneiras pelas quais os astrônomos podem testar a teoria do big bang é medir a quantidade de hélio em objetos que estão tão distantes (e, portanto, estão sendo vistos tão longe no tempo) que são anteriores à queima estelar significativa. Uma segunda maneira é examinar objetos nos quais pouca queima estelar já ocorreu. Ou seja, os astrônomos podem encontrar e fazer medições em objetos relativamente próximos nos quais a formação de estrelas desliga rapidamente, rápido demais para contribuir significativamente para a abundância total de hélio.

Em 1994, astrônomos mediram pela primeira vez a abundância de hélio em nuvens de gás intergalácticas muito distantes. [58] Essas medições, recentemente confirmadas por medições adicionais, [59] revelaram a presença de hélio na quantidade prevista pelo modelo do big bang.

Na última edição de 1999 do Astrophysical Journal, uma equipe de astrônomos americanos e ucranianos publicou mais uma prova para o evento de criação do big bang quente. 60 Os seis pesquisadores usaram os telescópios Multiple Mirror e Keck para verificar a quantidade de hélio em duas das galáxias mais deficientes em elementos pesados ​​conhecidas (galáxias compactas azuis I Zwicky 18 e SBS 0335-052). Eles determinaram que o hélio compreendia 0,2462 ± 0,0015 da massa total dessas galáxias. Após subtrair a pequena quantidade de hélio produzido por estrelas nas duas galáxias, eles derivaram uma abundância de hélio primordial de 0,2452 ± 0,0015, consistente com as descobertas em objetos antigos e distantes. Esse valor é tão próximo da previsão do big bang que a equipe concluiu que ele "apoia fortemente a teoria padrão da nucleossíntese do big bang". [61]

Durante os meses desde que a publicação foi lançada, astrônomos canadenses refinaram os dados da equipe americano-ucraniana. [62] Sua correção (com base na eliminação de dados de nebulosas excitadas por estrelas quentes dentro das galáxias) produziu uma abundância de hélio primordial 1,5 por cento maior e 20 por cento mais precisa do que o primeiro conjunto de números. O novo valor é tão próximo do valor teoricamente esperado que é indistinguível. [62]

Abundâncias de deutério e lítio correspondem à previsão do Big Bang

Qualquer quantidade de deutério (hidrogênio pesado) e lítio que exista hoje foi produzida durante os primeiros quatro minutos da criação, diz-nos a teoria do big bang. Contudo, nem todo esse deutério e lítio permanece, pois a queima estelar engole esses elementos, em vez de produzir mais. Ao tentar medir a abundância de deutério e lítio e comparar essa quantidade com a quantidade prevista pelo modelo do big bang, os astrônomos se concentraram novamente em sistemas extremamente distantes, também em sistemas mais próximos nos quais pouca queima estelar ocorreu. Com ajuda significativa dos telescópios Keck [64-66] e da imagem do “Campo Profundo de Hubble” (uma “imagem” montada a partir de camadas e camadas de exposições do Telescópio Espacial Hubble à mesma parte do céu), [67] cinco equipes diferentes produziram medições. [68, 69] Em suas palavras, as abundâncias de deutério e lítio se encaixam nas previsões do big bang “extremamente bem”. [70]

Densidade de prótons e nêutrons

A teoria do big bang falha em produzir as estrelas e planetas necessários para a vida e os elementos necessários para a vida, a menos que a densidade cósmica de bárions (prótons e nêutrons) assuma um valor específico. Esse valor é aproximadamente 4 ou 5 por cento da densidade de massa que seria necessária, por si só, para levar a expansão do universo a uma parada eventual, o que os astrônomos chamam de densidade crítica. Portanto, um teste óbvio do big bang seria ver se a densidade de bárions está próxima desses 4-5 por cento da densidade crítica.

Até recentemente, a determinação das abundâncias primordiais de hélio, deutério ou lítio era a única maneira confiável de obter uma medida da densidade de bárions no universo. Os melhores resultados vieram das cinco equipes mencionadas na seção acima. Elas determinaram que a densidade cósmica de bárions é igual a 0,04 a 0,05 da densidade crítica.

Durante o último ano, os astrônomos desenvolveram três métodos novos e independentes para medir a densidade bariônica cósmica. O mais espetacular e preciso desses três novos métodos vem dos mapas Boomerang das flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo (veja a última edição de Facts for Faith* para detalhes). Do voo de teste norte-americano do balão de alta altitude Boomerang, a densidade bariônica cósmica foi medida em 0,05 da densidade crítica. [71] Os outros dois métodos deram um valor médio de aproximadamente 0,03. [72-74] Essas confirmações independentes da densidade bariônica cósmica deduzidas das abundâncias primordiais de hélio, deutério e lítio dão ainda mais evidências para um evento de criação do big bang.

* N. do R. T.: Esta aparenta ser uma publicação periódica impressa que Reasons to Believe tinha até o começo deste século. Parece que até hoje apenas alguns dos artigos dela foram digitalizados e postados no site de RTB.

Velocidade de expansão cósmica corresponde à previsão do Big Bang

Uma maneira óbvia de testar o big bang é afirmar que o universo está, de fato, se expandindo a partir de um volume infinitesimal e medir a taxa de sua expansão desde o início até o momento presente. Embora essa tarefa possa parecer simples em princípio, na prática não é. Medições de precisão adequada são enormemente difíceis de fazer. Somente nos últimos anos medições tão precisas (ou quase) quanto as outras provas do big bang se tornaram possíveis.

Cinco métodos (alguns independentes, alguns ligeiramente dependentes) para medir a taxa de expansão cósmica foram desenvolvidos e aplicados (ver Tabela 2). A média dos cinco produz uma taxa de 64 quilômetros por segundo por megaparsec (um megaparsec = a distância que a luz viaja em 3,26 milhões de anos). Executar a expansão para trás nessa taxa implica que o universo tem aproximadamente 14,6 bilhões de anos.

O recém-descoberto “termo de densidade de energia” acrescenta mais meio bilhão de anos, sugerindo que o universo tem cerca de 15,1 bilhões de anos. [75, 76] Este número serve como uma confirmação do modelo devido à sua consistência com outros indicadores de idade, incluindo a radiação cósmica de fundo, a abundância de vários elementos radiométricos, [77] e as idades medidas das estrelas mais antigas (veja abaixo).

Tabela 1: Últimas medições da taxa de expansão cósmica

Os astrônomos desenvolveram e refinaram cinco ferramentas de medição para determinar a taxa de expansão do universo, ou o que eles chamam de "constante de Hubble". Um megaparsec = a distância que a luz percorre em 3,26 milhões de anos.

Populações de estrelas se encaixam no cenário do big bang

A teoria do big bang propõe que três gerações distintas de estrelas se formaram em certos intervalos após o evento de criação. Os astrônomos criativamente se referem a essas gerações como estrelas da População III, População II e População I. O sistema de numeração parece invertido, já que as estrelas da População III são as mais antigas, mas as últimas foram as últimas a serem descobertas e estudadas; daí o confuso sistema de numeração.

De acordo com o big bang, as estrelas da População III se formaram quando o universo tinha apenas meio bilhão de anos. Naquela época, a matéria havia se condensado adequadamente para que as estrelas começassem a se coalescer. Entretanto, como o universo havia se expandido tão pouco até então, a densidade média dos gases era muito maior do que a densidade observada hoje. Assim, as primeiras estrelas eram, em sua maioria, estrelas supergigantes. Essas estrelas queimam muito rapidamente (astronomicamente falando), em menos de dez milhões de anos. Elas terminam com explosões catastróficas, dispersando suas cinzas por todo o cosmos.

Dado o breve tempo de queima e a formação inicial de tais estrelas, os teóricos do big bang concluem que poucas, se houver, estrelas da População III podem ainda ser observáveis. Seus restos, porém, devem ser. Estrelas da População III deixam uma assinatura distinta de elementos em suas cinzas espalhadas. Essa assinatura é encontrada em todas as nuvens de gás distantes do universo.

Recentemente, surgiram evidências de que algumas das raras estrelas de baixa massa da População III podem ter sido encontradas. [99, 100] Sua baixa massa significa que elas podem queimar por tempo suficiente para que os astrônomos consigam encontrá-las hoje. Elas têm sido difíceis de detectar, no entanto, porque absorvem as cinzas das gigantes Pop IIIs, assumindo assim um disfarce. Recentemente, entretanto, os físicos estelares desenvolveram ferramentas para distinguir as sobreviventes da População III das estrelas mais jovens da População II que se formam a partir das cinzas das supergigantes da População III. [101, 102]

A teoria do big bang faz três previsões principais sobre as estrelas da População II: 1) esse grupo deve ser a maior das populações de estrelas, dado que se formou quando as galáxias eram jovens e estavam em seu pico de eficiência de formação de estrelas; 2) elas devem ser mais numerosas em certos locais, como aglomerados globulares, onde a formação inicial de estrelas ocorre de forma mais eficiente, e 3) elas devem vir em todos os tamanhos, todas as categorias de massa, de baixa a alta, não favorecendo uma categoria em detrimento de outra. Todas as três previsões são confirmadas pelas observações dos astrônomos nas últimas décadas.

A terceira geração de estrelas, as estrelas da População I (incluindo o Sol da Terra), se formaram das cinzas espalhadas das maiores estrelas da População II. Essas cinzas são fáceis de distinguir das cinzas da População III porque são pelo menos 50 por cento mais ricas em elementos pesados ​​(aqueles mais pesados ​​que o hélio). As nebulosas gasosas (ou nuvens de gás) espalhadas pelos braços espirais da Via Láctea e os fluxos de gás que a Via Láctea rouba das galáxias anãs próximas são, na verdade, “montes de cinzas” de estrelas gigantes da População II.

A teoria do big bang diz que a formação de estrelas cessou, em grande parte, logo após a formação de estrelas da População II. Assim, a maioria das galáxias é desprovida, ou quase desprovida, de estrelas da População I. O big bang também diz que nas poucas galáxias onde estrelas da População I se formam, o período mais intenso de formação de estrelas foi nos últimos bilhões de anos, e as regiões mais intensas de formação de estrelas são as áreas mais densas, como os núcleos e braços espirais. (Algumas também teriam se formado no que os astrônomos chamam de galáxias “irregulares”.) Todas essas características provaram ser verdadeiras, confirmadas por observações.

O big bang permite que estrelas da População IV se formem no futuro? Sim, permite. Mas, ele prevê que essa população deve ser minúscula em comparação às outras três. Em todos os lugares que os astrônomos olham no universo, eles veem sinais de que a formação de estrelas logo será encerrada totalmente, mesmo nas galáxias ainda ativas na formação de estrelas. ("Logo" para um astrônomo não é amanhã ou no ano que vem, mas alguns bilhões de anos depois.) Os astrônomos antecipam, por exemplo, que a Via Láctea experimentará uma “breve” explosão de formação de estrelas quando puxar a Grande Nuvem de Magalhães (sua galáxia companheira) para sua região central, daqui a cerca de quatro ou cinco bilhões de anos. O universo já é velho o suficiente para tornar tais incidentes raros.

As estrelas mais velhas contam sua história

Como a teoria do big bang indica quando as estrelas da População II se formaram — a era em que as galáxias começaram a tomar forma, aproximadamente 0,5 bilhão a 1,5 bilhão de anos após o evento de criação — os astrônomos podem testar a teoria determinando a idade das estrelas visíveis mais antigas. Adicionando 0,5 a 1,5 bilhão de anos a essa idade, eles podem comparar a soma com as datas de criação sugeridas por outras medidas independentes.

Uma dificuldade desse teste aparentemente simples é que as estrelas, como algumas pessoas, às vezes, escondem bem sua idade. Estrelas em aglomerados densos, porém, podem ser datadas mais facilmente do que outras, e os aglomerados globulares parecem compreender as estrelas mais antigas da População II. A Tabela 3 lista a datação mais precisa de estrelas de aglomerados globulares em cinco galáxias diferentes. Ela também inclui o limite que os pesquisadores recentemente colocaram nas estrelas anãs brancas mais antigas da galáxia da Terra.

Tabela 2: Últimas medições das estrelas mais antigas da População II

 

Os números indicam que os aglomerados globulares se formaram dentro de uma janela de tempo de dois a três bilhões de anos, aproximadamente consistente de galáxia para galáxia. [111] Se adicionarmos às suas idades os anos anteriores à formação das estrelas da População II (1 bilhão ± 0,5 bilhão de anos), a idade derivada se ajusta notavelmente bem a todos os outros métodos para determinar por quanto tempo o universo está se expandindo desde o evento de criação.

A estabilidade das estrelas e órbitas se encaixa na imagem do Big Bang

Órbitas estáveis ​​e estrelas estáveis ​​são possíveis apenas em um universo big bang. A existência delas está entre as provas mais claras do big bang. (Aliás, a vida seria impossível a menos que planetas orbitassem com estabilidade, estrelas queimassem com estabilidade e estrelas orbitassem núcleos de galáxias com estabilidade. [112, 113])

Tal estabilidade exige gravidade, não apenas qualquer força de gravidade, mas gravidade operando de acordo com a lei do quadrado inverso. A gravidade operando nesse nível exige três dimensões de espaço — o universo do big bang.

Em duas dimensões do espaço, a gravidade obedeceria a uma lei diferente (objetos com massa se atrairiam em proporção ao inverso da distância que os separa). Em quatro dimensões do espaço, a gravidade obedeceria a uma lei diferente (corpos massivos se atrairiam em proporção ao inverso do cubo da distância que os separa).

A estabilidade sob a influência da gravidade, por sua vez, exige que as três dimensões espaciais sejam grandes (significativamente desenroladas de sua curvatura original). Caso contrário, as galáxias estariam tão próximas umas das outras a ponto de causar estragos nas órbitas estelares, e as estrelas estariam tão próximas umas das outras a ponto de causar estragos nas órbitas dos planetas. Quando as galáxias estão muito próximas umas das outras, as colisões de galáxias e os encontros próximos perturbam catastroficamente as órbitas das estrelas. Da mesma forma, quando as estrelas estão muito próximas umas das outras, seus puxões gravitacionais mútuos perturbam catastroficamente as órbitas de seus planetas.

As três dimensões do espaço também devem estar se expandindo a uma taxa específica. Um universo que se expande muito lentamente produzirá apenas estrelas de nêutrons e buracos negros. Um universo que se expande muito rapidamente não produzirá nenhuma estrela e, portanto, nenhum planeta e, claro, nenhuma órbita estável.

O fato simples é este: os humanos observam que galáxias, estrelas e planetas existem, e que eles existem com estabilidade adequada para permitir que os humanos existam e os observem. Este fato, por si só, argumenta a favor do big bang. Na verdade, ele argumenta a favor de um subconjunto específico de modelos do big bang. Mesmo esse estreitamento e refinamento da teoria original serve como evidência de que a teoria está correta.

Impacto apologético da cosmologia do big bang

Embora o caso do big bang, ou seja, evento da criação, se baseie em evidências convincentes — alguns podem dizer esmagadoras — a teoria ainda tem seus críticos. Algum ceticismo pode ser atribuído à lacuna de comunicação entre cientistas e o resto do mundo. Algumas das evidências são tão novas que a maioria das pessoas ainda não ouviu falar delas. Algumas das evidências, incluindo as mais antigas, são tão técnicas que poucas pessoas entendem seu significado. A necessidade de melhor educação e comunicação mais clara permanece. Na verdade, isso motiva a publicação deste artigo.

Lacunas de comunicação e educação, todavia, explicam apenas parte do ceticismo. Questões espirituais também estão envolvidas. Os poucos astrônomos que ainda se opõem ao big bang objetam abertamente não por motivos científicos, mas por motivos pessoais e teológicos.

The Fingerprint of God (A impressão digital de Deus) conta a história da reação inicial dos astrônomos às descobertas que afirmavam um começo cósmico, e daí a existência de um Iniciador. Alguns declararam abertamente sua visão do big bang como “filosoficamente repugnante”. Por décadas, eles inventaram uma hipótese cósmica após a outra em uma tentativa fútil de contornar os fatos gritantes. Quando todas as suas hipóteses falharam nos testes de verificações observacionais, muitos desses astrônomos concederam, talvez relutantemente, o prêmio cósmico ao big bang.

Hoje, apenas um punhado de astrônomos ainda resiste ao big bang. Sua resistência, porém, não se baseia no que observações e experimentos podem testar, mas sim no que observações e experimentos nunca podem testar. Embora seus artigos apareçam em periódicos científicos, eles se envolvem em metafísica em vez de física, em teologia (mais precisamente, antiteologia) em vez de ciência. As evidências que sustentam o big bang apontam claramente para além do “poder de raciocínio superior” que Einstein reconheceu ou algum “Designer inteligente” mal definido que está ganhando popularidade hoje. As evidências físicas apontam clara e consistentemente para o Deus da Bíblia.

A teoria da relatividade geral, que deu origem ao big bang, estipula que o universo teve um começo e especificamente um começo “transcendente”. O teorema do espaço-tempo da relatividade geral afirma que a matéria, a energia e todas as dimensões do espaço-tempo associadas ao universo começaram em tempo finito, e que a Causa do universo traz toda a matéria, energia e dimensões do espaço-tempo do universo à existência a partir de uma realidade além da matéria, energia, espaço e tempo. O ajuste fino extremo dos parâmetros do big bang que são necessários para que a vida física seja possível no universo excede, em muitas ordens de magnitude, as capacidades de design dos seres humanos. O significado da cosmovisão dessas conclusões não pode ser evitado. Nenhum sistema filosófico ou doutrina religiosa no mundo se encaixa nelas como a Bíblia. Ela não apenas se encaixa nelas, mas as antecipa em vários milhares de anos.

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110. Judith G. Cohen, John Blakeslee e Anton Ryzhov, “The Ages and Abundances of a Large Sample of M87 Globular Clusters”, Astrophysical Journal 496 (1998): 808-26.
111. B. P. Holden et al., “The Canada-France-Hawaii Telescope Optical PDCS Survey. II. Evolution in the Space Density of Clusters of Galaxies”, Astronomical Journal 120 (2000): 23-40.
112. Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 2 ed., 135-36, 138-45. {A edição mais atual, a 4ª, pode ser vista e adquirida aqui.}
113. Hugh Ross e Guillermo Gonzalez, “You Must Be Here”, Facts for Faith, (1º trimestre de 2000): 36-41.

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Traduzido de A Beginner’s and Expert’s Guide to the Big Bang: Sifting Facts from Fictions (RTB)

Leia também:

• O que a Bíblia diz sobre o Big Bang? [artigo de Hugh Ross, de fev/2023, no qual ele cita este artigo aqui.]
• Descobertas recentes do James Webb invalidam o Big Bang? [post aqui do blog, de set/2022, que lista vários artigos abordadndo essa dúvida.]
• 5 mitos sobre o Big Bang
• Dois artigos de um físico sobre como medimos a idade do universo
• Onde o universo começou e em que ele está se expandindo?
• Consenso sobre idade do universo
• Todos os teoremas do espaço-tempo provam um começo cósmico?
• O universo teria 26,7 bilhões de anos?
• Não, o James Webb não refutou o Big Bang (vídeo)
• O modelo do Big Bang não está morto
• Modelos do Big Bang testados – e aprovados – novamente 
• James Webb afirma brilhantemente o evento de criação do Big Bang
• Descoberta recente do James Webb sobre o desvio para o vermelho de uma galáxia não refuta o Big Gang? (pergunta feita a Hugh Ross em janeiro de 2025)
• Veja outros artigos aqui do blog em que aparece o termo "big bang"
• Veja ainda notícias e vídeos que postamos em nosso microblog no Tumblr

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