Novo teste reafirma o Big Bang

Ilustração do Big Bang (Imagem gerada por IA em Google Labs FX - Flow)

por Hugh Ross
21 de agosto de 2023

Talvez você conheça o comentário de Mark Twain: “A notícia da minha morte foi um exagero” (New York Journal, 2 de junho de 1897). Essa correção foi necessária porque um repórter confundiu Twain com seu primo, que estava gravemente doente. Quantas vezes meus colegas astrônomos e eu desejamos uma correção semelhante em relação ao Big Bang! Os repórteres continuam confundindo pequenos ajustes com o fim do modelo.

Para os jornalistas, divulgar a notícia de que a teoria do Big Bang foi refutada pode ser tão tentador quanto anunciar a morte de um ícone cultural reverenciado, talvez até mais. A magnitude do que está em jogo parece inestimável. Dado o que o Big Bang implica sobre a origem e o desenvolvimento do universo — e sobre o único relato antigo que antecipou sua descoberta — testes rigorosos e repetidos de sua veracidade parecem justificados.

Refiro-me, naturalmente, aos escritores bíblicos que descreveram características importantes do Big Bang milhares de anos antes que os cientistas pudessem fazê-lo. [1] O avanço da tecnologia permitiu testes cada vez mais robustos de suas afirmações sem precedentes. Até o momento, cada novo teste — incluindo um dos mais recentes descritos neste artigo — reforça ainda mais a certeza de sua afirmação sobre um evento da criação.

Teste da Dilatação Temporal do Big Bang

Uma das comprovações mais diretas e simples do modelo de criação do Big Bang é um fenômeno conhecido como dilatação temporal. O teste da dilatação temporal baseia-se na teoria da relatividade restrita de Einstein, fundamentada na equação da física que quase todos conhecem: E = mc² (onde E representa a energia, m a massa e c a velocidade constante da luz). Essa equação é facilmente considerada a mais bem estabelecida de todas as equações da física. Experimentos confirmam sua veracidade com uma precisão superior a vinte casas decimais. [2]

A partir de uma aplicação direta da álgebra a essa equação, podemos deduzir que relógios que se movem a altas velocidades em relação à Terra avançarão mais lentamente em proporção à velocidade com que estão se movendo. [3]

Uma característica fundamental de todos os modelos do Big Bang é que o universo começou como um volume infinitesimalmente pequeno e se expandiu continuamente desde seu evento de origem. Essa característica cósmica prevê que, quanto mais distante um objeto estiver da Terra, mais rapidamente ele parecerá estar se afastando dela. Assim, de acordo com a teoria de Einstein, os relógios em galáxias distantes avançarão a taxas mensuravelmente mais lentas do que os relógios na Terra ou em nossa Via Láctea. Ao comparar/contrastar relógios em galáxias distantes com relógios na Via Láctea, podemos observar diretamente a assinatura da expansão cósmica, um teste definitivo dos modelos do Big Bang.

Confirmação a Partir de Três "Relógios” Cosmológicos

Muitos objetos no universo se comportam como relógios. Os exemplos mais conhecidos são os períodos de estrelas binárias eclipsantes, estrelas variáveis ​​Cefeidas, taxas de rotação de galáxias e erupções de supernovas. Estrelas binárias eclipsantes e estrelas variáveis ​​Cefeidas são muito tênues para que os astrônomos as detectem e meçam em galáxias distantes. Da mesma forma, os astrônomos só conseguem fazer medições precisas das taxas de rotação de galáxias em galáxias relativamente próximas. No entanto, os astrônomos têm a capacidade de observar supernovas em galáxias a até 9 bilhões de anos-luz de distância.

1. Supernovas

Os astrônomos observaram centenas de erupções de supernovas tanto no Via Láctea quanto em galáxias próximas. A Figura 1 mostra a curva de luz de uma erupção de supernova do tipo Ia em uma galáxia próxima. Cada um dos sete tipos diferentes de supernovas apresenta uma curva de luz distinta ao longo de um período específico.

Figura 1: Curva de luz para supernovas do tipo Ia próximas. (Imagem de Hugh Ross em Reasons to Believe)

Os astrônomos observaram que a luz de supernovas em galáxias a bilhões de anos-luz de distância realmente leva um tempo extra para brilhar e depois escurecer, como indicado por suas curvas de luz vistas da Terra. Com base na quantidade de tempo extra medida, podemos determinar que o cosmos se expandiu até seu tamanho atual a partir de um volume infinitesimal ao longo de aproximadamente 13,8 bilhões de anos. [4]

2. Explosões de raios gama

As explosões de raios gama (GRBs, gamma-ray bursts, em inglês) são explosões extremamente energéticas e rápidas, consideradas os eventos eletromagnéticos mais energéticos desde o Big Bang. Essas explosões, quer sejam provenientes de hipernovas, quer sejam proveniente da formação de buracos negros, duram de dez milissegundos a algumas horas. Uma GRB típica libera em poucos segundos tanta energia quanto o Sol emitiria em dez bilhões de anos.

Por mais visíveis que sejam, as GRBs são observadas apenas raramente. A taxa média de ocorrência de GRBs é de apenas alguns por galáxia a cada milhão de anos. Os astrônomos as observaram apenas em galáxias muito distantes. Entretanto, diferentemente das supernovas, os astrônomos conseguem observar explosões de raios gama a distâncias superiores a 10 bilhões de anos-luz.

Os astrônomos determinaram, com base na distribuição estatística, que a duração das GRBs aumenta com a distância. O grau de prolongamento parece consistente com a expansão do cosmos de um volume infinitesimal para seu tamanho atual ao longo de 13,8 bilhões de anos. [5]

3. Variabilidade da Emissão de Quasares

Devido ao tamanho relativamente pequeno da amostra de GRBs, a confirmação do Big Bang baseada neles é menos robusta do que a confirmação baseada em erupções de supernovas. O teste de GRB, contudo, é significativo, pois estende a confirmação a distâncias cosmológicas maiores do que as possíveis apenas com base em erupções de supernovas.

Os quasares, por outro lado, são abundantes e, assim como as GRBs, podem ser observadas a distâncias superiores a 10 bilhões de anos-luz. Os quasares são núcleos galácticos ativos extremamente luminosos, alimentados por buracos negros supermassivos com massas que variam de centenas de milhões a dezenas de bilhões de vezes a massa do Sol (ver Figura 2). Graças ao Telescópio Espacial James Webb e a outros supertelescópios, os astrônomos detectaram e mediram quasares a distâncias de até 13,47 bilhões de anos-luz, uma distância que corresponde a apenas 320 milhões de anos após o evento de origem cósmica. [6]

Figura 2: 3C 273, o quasar visualmente mais brilhante. O 3C 273 foi o primeiro quasar a ser identificado. Foi descoberto por Allan Sandage no início da década de 1960. Como a maioria dos quasares, o 3C 273 emite um jato relativístico (à esquerda). Seu jato tem mais de 200.000 anos-luz de comprimento. (Imagem de NASA/Telescópio Espacial Hubble via Reasons to Believe)

Até o momento, os astrônomos detectaram e mediram mais de um milhão de quasares. Observa-se que esses objetos exibem variações de luz à medida que seus buracos negros supermassivos atraem enormes quantidades de matéria em direção aos seus horizontes de eventos, onde convertem essa matéria em energia com uma eficiência de até 42%. (Para comparação, a usina nuclear do Sol converte matéria em energia com uma eficiência de 0,07%).

As variações na luminosidade dos quasares são, de certa forma, previsíveis, em vez de completamente aleatórias, visto que a densidade da matéria — estrelas e nuvens moleculares gigantes — nas proximidades do buraco negro supermassivo do quasar se encontra dentro de uma faixa conhecida. Portanto, com uma amostra suficientemente grande de quasares, os astrônomos podem usar a variabilidade desses fenômenos para testar a previsão do Big Bang sobre a dilatação do tempo cósmico.

A chave para usar observações de quasares como um teste robusto da dilatação temporal cósmica é o tamanho da amostra. A precisão depende de uma grande amostra de quasares muito distantes. Quanto maior a distância do quasar, maior o efeito de dilatação temporal. É um efeito não linear. Por exemplo, relógios a cerca de 8 bilhões de anos-luz de distância funcionarão cerca de 10% mais lentamente do que relógios na Terra. Relógios a cerca de 13 bilhões de anos-luz de distância funcionarão cerca de cinco vezes mais lentamente.

Até recentemente, os astrônomos não possuíam uma amostra suficientemente grande de quasares a mais de 12 bilhões de anos-luz de distância para realizar observações de qualidade da variabilidade dos quasares. Essa carência dificultava o estabelecimento, por meio de observações de quasares, da certeza da dilatação do tempo cósmico. [7] Agora, essa carência foi sanada.

Os astrônomos Geraint Lewis e Brendon Brewer reuniram uma amostra de 190 quasares a mais de 12 bilhões de anos-luz de distância e monitoraram sua variabilidade por mais de duas décadas em múltiplos comprimentos de onda. A variabilidade desses quasares manifestou um sinal inequívoco de dilatação do tempo cósmico. A variabilidade dos quasares durante o primeiro bilhão de anos da história cósmica (quasares a mais de 12,8 bilhões de anos-luz de distância) foi aproximadamente cinco vezes menor do que a variabilidade dos quasares durante os seis bilhões de anos mais recentes da história cósmica (quasares a menos de 6 bilhões de anos-luz de distância).

Implicações Teológico-Filosóficas

Graças ao trabalho de Lewis e Brewer, a previsão do Big Bang sobre a dilatação do tempo cósmico foi verificada para todos os períodos de retrocesso. Ou seja, os astrônomos observaram o efeito esperado de dilatação do tempo operando ao longo de toda a história do universo. O modelo da criação pelo Big Bang passou com sucesso por mais um teste.

A observação da dilatação temporal cósmica também fornece mais uma confirmação da teoria da relatividade de Einstein. Ao longo do último século, astrônomos e físicos desafiaram tanto a teoria quanto o Big Bang de inúmeras maneiras. A relatividade e a cosmologia do Big Bang passaram em todos esses testes com louvor. Embora novos refinamentos possam ser esperados, ambas foram estabelecidas além de qualquer dúvida razoável.

Todos os modelos do Big Bang indicam que o universo começou a existir. Assim, a inferência de um Iniciador cósmico transcendente surge razoavelmente da lei de causa e efeito. As observações dos astrônomos sobre a dilatação do tempo cósmico por múltiplos meios e em todos os períodos de retrocesso fornecem evidências adicionais da idade do universo. Com cerca de 13,8 bilhões de anos, o universo parece muito jovem para permitir qualquer explicação naturalista plausível para a origem e a história da vida. Tampouco é tão "jovem" quanto meros 6.000 a 10.000 anos, como alguns criacionistas afirmam.

Milhares de anos antes de os astrônomos sequer vislumbrarem as características fundamentais do cosmos, a Bíblia descrevia pelo menos algumas das mais significativas: um início que inclui o início do espaço e do tempo, da matéria e da energia; leis físicas que permanecem constantes ao longo da história; uma lei de decadência (entropia) onipresente; e a expansão cósmica contínua. Com base nesses fatos, podemos afirmar com certeza que a Bíblia possui poder preditivo em relação à ciência. Com base na história, temos bons motivos para crer que a Bíblia é, de fato, a Palavra de Deus, digna de confiança em tudo o que diz sobre assuntos físicos e espirituais.

Notas de Fim

1. Hugh Ross, “What Does the Bible Say about the Big Bang?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 6 de fevereiro de 2023. {Publicado traduzido aqui no blog sob o título O que a Bíblia diz sobre o Big Bang?}
2. Sidney Coleman e Sheldon L. Glashow, “Cosmic Ray and Neutrino Tests of Special Relativity”, Physics Letters B 405, n.os 3–4 (24 de julho de 1997): 249–252, doi:10.1016/S0370-2693(97)00638-2; P. W. Cattaneo, “Testing the Special Relativity Theory with Neutrino Interactions”, Europhysics Letters 99, n.º 5 (setembro de 2012): id. 51001, doi:10.1209/0295-5075/99/51001; P. Delva et al., “Test of Special Relativity Using a Fiber Network of Optical Clocks”, Physical Review Letters 118, n.º 22 (2 de junho de, 2017): id. 221102, doi:10.1103/PhysRevLett.118.221102.
3. Para relógios que se movem a altas velocidades em relação à Terra, o tempo será retardado por um fator de 1 dividido pela raiz quadrada de (1 – v² / c²), onde v é a velocidade do relógio. Por exemplo, o tempo para um relógio que se move à metade da velocidade da luz em relação à Terra será "esticado" por um fator de 1,154. 
4. S. Blondin et al., “Time Dilation in Type Ia Supernova Spectra at High Redshift”, Astrophysical Journal 682, n.º 2 (1º de agosto de 2008): 724–736, doi:10.1086/589568; Ryan J. Foley et al., “A Definitive Measurement of Time Dilation in the Spectral Evolution of Moderate-Redshift Type Ia Supernova 1997ex”, Astrophysical Journal Letters 626, n.º 1 (10 de junho de 2005): L11–L14, doi:10.1086/431241; Bruno Leibundgut et al., “Time Dilation in the Light Curve of the Distant Type Ia Supernova SN 1995K”, Astrophysical Journal Letters 466, n.º 1 (20 de junho de 1996): L21–L24, doi:10.1086/310164; A. G. Riess et al., “Time Dilation from Spectral Feature Age Measurements of Type Ia Supernovae”, Astronomical Journal 114, n.º 2 (agosto de 1997): 722–729, doi:10.1086/118506; G. Goldhaber et al., “Timescale Stretch Parameterization of Type Ia Supernova B-Band Light Curves”, Astrophysical Journal 558, n.º 1 (1º de setembro de 2001): 359–368, doi:10.1086/322460; Bruno Leibundgut, “Cosmological Implications from Observations of Type Ia Supernovae”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 39 (setembro de 2001): 67–98, doi:10.1146/annurev.astro.39.1.67.
5. Amitesh Singh e Shantanu Desai, “Search for Cosmological Time Dilation from Gamma-Ray Bursts — a 2021 Status Update”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2020 (fevereiro de 2022): id. 10, doi:10.1088/1475-7516/2022/02/010; Mariusz Tarnopolski, “Can the Cosmological Dilation Explain the Skewness in the Gamma-Ray Burst Duration Distribution?” Astrophysical Journal 897, n.º 1 (1º de julho 2020): id. 77, doi:10.3847/1538-4357/ab8eb1.
6. B. E. Robertson, “Identification and Properties of Intense Star-Forming Galaxies at Redshifts z >10”, Nature Astronomy 7 (4 de abril de 2023): 611–621, doi:10.1038/s41550-023-01921-1.
7. M. R. S. Hawkins, “On Time Dilation in Quasar Light Curves”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 405, n.º 3 (julho de 2010): 1940–1946, doi:1111/j.1365-2966.2010.16581.x.
8. Geraint F. Lewis e Brendon J. Brewer, “Detection of the Cosmological Time Dilation of High-Redshift Quasars”, Nature Astronomy 7 (3 de julho de 2023) lançamento on-line antes da edição impressa, doi:10.1038/s41550-023-02029-2.

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Traduzido de New Test Reaffirms Big Bang (RTB)

Etiquetas:

astronomia - astrofísica - cosmologia - teoria do Big Bang