Cosmologia
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Conteúdo Abordagens da Cosmolgia Sistemas do Mundo Cosmologia Científica Universo em Expansão Formação de Galáxias O que é o Universo e como ele surgiu ? (Se é que surgiu mesmo!) Abordagens da Cosmologia Mitológica • Superstição • Religião • Filosofia • Fé Científica • Matemática • Física • Química • Pesquisas • Fé (!?) Sistemas do Mundo Mundo na Antigüidade Estrelas (6000) Lua Marte Mercúrio Júpiter Vênus Saturno S l Tales ( Grego, séc. VI aC. ) Terra A Terra é um disco chato num Universo infinito de água Sistema Geocêntrico ( Aristóteles, grego, séc. IV a .C. ) Lua Mer Vên Ter Sol Mar Júp Sat Esfera das estrelas fixas Sistema Heliocêntrico ( Copérnico, séc. XVI ) Mer Vên Sol Ter Lua Mar Júp Sat Esfera das estrelas fixas Observações a olho nu e com telescópios Galileu Era pré-telescópio Era pós-telescópio 1609 Cosmologia Científica Cosmologia É o estudo do Universo como um todo. Universo é tudo que: Nos influenciou no passado Nos influencia no presente Nos influenciará no futuro Outros Universos? Outro Universo Nosso Universo Se se puder descobrir “outro” Universo, então ele pertence ao Nosso, pois ele me “influenciou”! Além do Universo... ? Universo ? “Representação” do Universo! Nosso Universo Limitado ou ilimitado? ? Modelos cosmológicos • Estático • Expansivo • Estacionário • Pulsante Cor do céu noturno Hipóteses : •Universo infinito •Distribuição uniforme de estrelas Conclusão : •O Céu deveria ser claro à noite! Explicação do Paradoxo de Olbers O céu deveria ser claro à noite. Como não é ... •O Universo é finito •A idade do Universo é finita Evidência de que o Universo não é estático Galáxias muito mais vermelhas do que deveriam ser! Por quê? Propagação de ondas fRec. = fEmis. Emissor em repouso fRec. = fEmis. Efeito Doppler-Fizeau 0 1 2 Som mais grave 3 1 fR < fE Luz mais avermelhada Som mais agudo 0 Desloc. 3 2 4 fR > fE Luz mais azulada Efeito Doppler-Fizeau “Red-Shift” z = v/c v/c = ( lR - lE ) / lE Espectro do astro observado l Espectro de astro em repouso Radiação de fundo Atual 13,6 cm Universo em Expansão Passado Presente Futuro “Big-bang” Óvulo primordial Big-bang Universo em expansão Vendo o passado ! Viagem da Luz Posição real, Nossa Galáxia mas que não vejo ainda Como vista hoje t2 Outra galáxia Posição no momento de saída da luz que Nossa Galáxia só vai me alcançar no futuro t1 Outra galáxia Universo Cíclico Passado Presente Futuro Raio do Universo Universo Pulsante Ciclo atual Ciclo anterior Ciclo futuro Hoje Tempo Big Bang Big Bang Big Bang Big Bang O que você acha mais razoável? Universo ... e fez-se...! Universo eterno ! Raio do Universo Tipos de Universo em Expansão Expansão freada Expansão linear Expansão acelerada Expansão limitada Pulsação Tempo Universo Formação de galáxias por fragmentação Galáxia Formação do Universo e formação da Terra Big-Bang Formação da Terra 13 bilhões de anos Terra Atual 4,6 bi Cosmogonia Cosmologia Origem (?) e Evolução do Universo Big-bang Pré-big-bang (!?!) Pós-big-bang Existia? Ocorreu? Havia matéria? Como evoluiu? Havia energia? Como será o futuro? Como era? Óvulo primordial Dúvidas deixadas pelos modelos atuais 1. Assimetria matéria-antimatéria (há mais matéria que antimatéria) 2. Universo observado parece “plano” (pouca probabilidade teórica) 3. Galáxias tão velhas como o Universo (exigem flutuações locais de densidade, que não são previstas pelas teorias atuais) A Cosmologia é uma sub-área da astronomia que se preocupa com o Universo como um todo. Procura responder como é o Universo, como ele evolui e talvez a mais difícil de todas as questões, como é que o ele surgiu. No passado a Cosmologia estava muito ligada à mitologia, ou à religião. Era natural que para explicar a nossa própria origem ou o nosso próprio futuro precisássemos recorrer à divindades. Hoje a Cosmologia se apóia firmemente em resultados científicos, vindos das mais diversas áreas da ciência, como a Física, a Química e a Matemática. Naturalmente que num terreno tão difícil do conhecimento nossas convicções filosóficas desempenham papel importante e muitas vezes se fundem com nossas interpretações científicas dos fatos. A primeira noção de Cosmologia surgiu ao se olhar para o céu e se deparar com o movimento dos astros. Notou-se que alguns, os planetas e a Lua, não se moviam como outros, as estrelas. O Sol, por sua exuberância ou por gerar temor, passou a ser um astro dominador, um rei, ou um deus. Aqueles astros, planetas, que de alguma forma seguiam o Sol também foram associados à divindades. Como já dissemos anteriormente, a astronomia grega se distinguia das demais por procurar por explicações racionais para o que era observado no Universo. Um dos primeiros modelos para o Universo foi o de Tales, sec. VI a.c., que dizia que a Terra era chata imersa num Universo constituido de água. Idéia bastante razoável para alguem que está numa praia e não tem idéia se existe algo mais além do mar. No século IV a.c. Aristóteles concebia um Universo cuja forma predominaria no pensamento humano por séculos: a Terra é redonda e está no centro do Universo; os planetas, a Lua e a esfera celeste giram em torno da Terra. Os quatro elementos ar, terra, fogo e água combinados constituiriam todo o Universo. Este é o chamado modelo de Universo Geocêntrico. A nossa concepção sobre o Universo passou por uma revolução com as idéias de Copérnico, sec. XVI, colocando a Terra, os demais planetas e mesmo as estrelas, a girar em torno do centro do Universo, o Sol. Esse é o modelo heliocêntrico. Foi fundamental para a aceitação do modelo heliocêntrico as observações feitas com luneta nos anos que se seguiram à criação desse modelo. Galileu foi o primeiro a utilizar esse instrumento de forma sistemática (ele não inventou o telescópio e nem foi o primeiro a utilizá-lo em astronomia). Ele observou as luas de Júpiter, as crateras na Lua, as manchas solares, e talvez sua observação mais importante, as fases do planeta Vênus, indicando que Vênus de fato gira em torno do Sol. Em 1671 Isaac Newton apresentou um novo instrumento de observação que no lugar da lente da luneta usava um espelho: é o que chamamos de telescópio (as vezes a palavra telescópio também é usada para se referir a uma luneta). A qualidade era muito superior a do instrumento de Galileu, em particular não apresentava aberração cromática típica das lentes (separação da luz branca em colorida). No início esse instrumento não despertou muita atenção, mas com o tempo os astrônomos perceberam seu potencial e até hoje ele é impressindível. William Herschel (1738-18220), um dos maiores astrônomos, construiu telescópios considerados imensos para a sua época. Na verdade, Herschel era músico e começou a estudar matemática apenas para poder ensinar harmonia musical. Gostou tanto de matemática que acabou estudando também ótica, na época baseada nos ensinamentos de Newton que, naturalmente, descrevia sua invenção o telescópio. Herschel ( e seu irmão) começaram, então, a construir telescópios. Daí foi um pulinho para começar a estudar astronomia. Procurando detetar a paralaxe de estrelas, até então nunca observada mas que se acreditava existir já que por essa época todos já admitiam o movimento da Terra em torno do Sol, Herschel acabou descobrindo o planeta Urano em 1781. Desde a atiguidade que não se descobria nenhum planeta, daí você pode imaginar o impacto dessa descoberta, que deu a Herschel um grande status. Em 1807 Herschel havia catalogado inúmeros sistemas binários de estrelas, revelando que uma estrela orbitava a outra, o primeiro exemplo de movimento orbital fora do Sistema Solar. A contribuição importante de Herschel para a cosmologia viria de seu estudo, conjuntamente com sua irmã Caroline (1750-1848), da Via Lactea. Embora a Via Lactea fosse conhecida desde a antiguidade, apenas com o casal Herschel é que se começou um estudo mais científico. Eles assumiram que o Sol era o centro de uma grande nuvem de estrelas, a Via Lactea, e que seria possível descobrir o seu tamanho e forma contando as estrelas em diferentes direções. Concluiram que o formato era o de uma roda de moinho de grãos, ou seja, um Universo chato. Jacobus Kapteyn (1851-1922) analisando brilhos e distribuição de inúmeras estrelas derminou que essa roda teria 10 kpc de diâmetro e 2 kpc de espessura. Harlow Shapley (1885-1972) estudando aglomerados abertos contendo estrelas de brilho variável concluiu que a Via Lactea era bem maior que isso: tinha 100 kpc de diâmetro. Essa medida foi exagerada, pois, ele não sabia que havia poeira interestelar que absorvendo a luz das estrelas deixas mais fraca e com aparência de distantes. A distância hoje aceita é de 30 kpc. O mais importante do trabalho de Shapley é que ele determinou que o Sol não estaria no centro da Via Lactea, mas sim a 10 kpc. A melhor estimativa hoje é de 8.5 kpc, ou seja, moramos na periferia da Via Lactea. Veja que no início dos tempos, a Terra era o centro do Universo, depois foi o Sol, e agora, será que a nossa Via Lactea é o centro do Universo? Por um bom tempo durante a evolução da Astronomia já com o uso do telescópio, os astrônomos se preocupavam em catalogar objetos no céu, mesmo sem saber exatamente o que eram. Muitos desses objetos tinham uma aparência difusa ou nebulosa. São conhecidos até pelo nome de Nebulosa (como a de Órion, do Anel,..). Em 1913, V. M. Slipher estudando o espectro desses objetos concluiu que eram galáxias, ou seja, ilhas formadas de estrelas, semelhantes a nossa Via Lactea. Em 1929, Edwin Hubble e Milton Humason anunciam um estudo vasto desses objetos com determinação de suas distâncias e velocidades. Veja, então, que a nossa Galáxia, a Via Lactea, é apenas mais uma entre muitas outras. Estaria ela no centro da distribuição dessas inúmeras galáxias? Como ela surgiu, como ela evolui? Como surgiram tantas galáxias no Universo? Como esse Universo evolui? São perguntas fáceis de serem feitas, mas para nenhuma temos a resposta. A Cosmologia procura reunir ferramentas e observações que nos possibilite estudar o Universo como um todo e procurar responder mesmo que parcialmente a essas questões. Um primeiro passo será definirmos tanto quanto possível nossa linguagem, ou seja, definir o que é Universo por exemplo. Universo, o conjunto de tudo quanto existe (dicionário Aurélio). Assim, não existem dois ou mais universos; ele é único. Ele é o conjunto de tudo que já existiu, existe e existirá. Também não tem sentido perguntar o que há além do Universo, pois, se houvesse algo, mesmo que fosse o nada, também faria parte do Universo. A melhor maneira, então, de representar o Universo é por uma esfera, que contem tudo o que podemos observar até o momento. Podemos, contudo, perguntar se o Universo é finito, ou infinito em sua extensão. Ou seja, será que um telescópio de poder infinito revelaria que por mais distante que pudéssemos olhar sempre veríamos algum objeto? Também podemos perguntar se o Universo sempre foi, ou será, como ele é hoje. Será que ele teve um nascimento? Será que ele terá uma morte? E se ele morrer, poderá ressuscitar? Ao longo da história recente da Cosmologia várias hipóteses foram lançadas nessa direção. Os modelos cosmológicos acabaram sendo de quatro tipos: estático (sempre foi e será como o observamos hoje), expansivo (está inchando), estacionário (expande, mas não muda de forma local) e pulsante (expande, contrai, expande, …). A maneira científica de responder a perguntas como essas é apelar para a observação. Uma das mais simples e intrigantes é a seguinte, que ficou conhecida como paradoxo de Olbers: se o Universo fosse preenchido uniformemente de estrelas e se fosse infinito as noites seriam claras! Olbers discutiu esse problema em 1826, mas na verdade outros cientistas, como Thomas Digges (1576), Kepler (1610) e E. Halley (1721) já haviam discutido antes, mas é Olbers que leva os créditos. Além do que não deve haver paradoxos em ciência. De acordo com esse paradoxo, cada direção que olhássemos encontraríamos uma estrela Numa distribuição uniforme quanto mais distante olhássemos mais estrelas veríamos o que compensaria o menor brilho dessas estrelas longínquas. Hoje explicamos que as noites não são claras argumentando que o Universo foi criado num instante no passado, tem um tempo de vida (13 bilhões de anos) e ainda não deu tempo da luz dos objetos mais distantes chegar até nós. Em outras palavras o que observamos seria parte do Universo que podemos chamar de Universo observável; este seria finito, portanto. Finito no espaço e no tempo, mas será que o Universo já nasceu como o vemos hoje, ou ele evoluiu no tempo? Observações indicam que espectros de galáxias muito distantes estão deslocados para o vermelho. Vamos ver o que isso significa começando por entender o que é o efeito Dopler-Fizeau. Suponha que uma fonte sonora esteja emitindo um som com certa freqüência. Observadores em repouso com relação à fonte ouvirão exatamente a mesma freqüência. No entanto, se a fonte se aproximar do ouvinte o som será mais agudo, ou seja, houve um deslocamento para freqüências maiores; para aqueles em que a fonte se afasta o som será mais grave, ou seja, um deslocamento para freqüências menores. Parados num acostamento de estrada observamos facilmente esse efeito no ronco dos carros que passam por nós: quando se aproximam o ronco é agudo e quando se afastam o ronco é grave. Esse efeito é característico de uma onda, seja ela sonora ou luminosa, de forma que acontece também com a luz. Assim, se a fonte luminosa e o observador se aproximam a freqüência da luz é deslocada para o azul (luz de mais alta freqüência) enquanto se o observador e a fonte se afastam a luz se desloca para o vermelho (luz de menor freqüência). Então, como observamos que para a grande maiorias das galáxias o deslocamento do espectro é na direção da luz vermelha, concluímos que elas estão se afastando de nós. Como esse deslocamento em freqüência é proporcional à velocidade relativa da fonte e do observador, sua medida através do espectro releva a velocidade da galáxia em relação a nós. O Universo, portanto, não é estático, e sim está evoluindo na forma de uma expansão, que supostamente deve ter se originado num instante do passado. Hoje medidas levam à estimativa de que o Universo surgiu cerca de 13 bilhões de anos atrás (isso é muito ou pouco?). Em 1940 apareceu uma teoria de que talvez o Universo sempre esteve se expandindo, nunca teve um início e sempre foi como nós o vemos hoje. É a teoria do estado estacionário, e se deve aos cosmologistas F. Hoyle, T.Gold e H. Bondi. Nessa teoria átomos de hidrogênio teriam que aparecer do nada para que o Universo tivesse sempre a mesma aparência apesar de sua expansão. Isso parece estranho, mas não é mais estranho que o próprio surgimento do Universo como um todo num determinado instante do passado. O que derrubou essa teoria? A teoria do estado estacionário foi derrubada quando se detectou a radiação de fundo originária da grande explosão que teria acontecido no início da formação ou criação do Universo. Que tenha havido tal explosão parece natural se pensarmos que estando o Universo (coleção de tudo que existe e não apenas do observável) em expansão um dia no passado ele foi muito pequeno. Tudo teria, então, surgido de um Universo óvulo, que por razões desconhecidas (que podemos chamar de instabilidade primordial) explodiu e os pedaços - galáxias e tudo mais continuam viajando pelo espaço até hoje (na verdade esses pedaços definem o que chamamos de espaço; sem esses pedaços não haveria evento nenhum, portanto, nem espaço nem tempo). Essa é a teoria do big bang, traduzindo, grande explosão. Observe que a explosão se deu igualmente no óvulo inteiro, assim não tem sentido hoje tentarmos achar o centro dessa explosão: não existe tal centro, ou qualquer ponto do Universo pode ser considerado o centro já que a explosão se deu no Universo inteiro. Então, não é que as galáxias estejam se afastando de nós (se fosse nós seríamos o centro do Universo), mas elas estão se afastando umas das outras. Se aconteceu há 13 bilhões de anos, como posso ter a chance de estudar isso? Quando olhamos para um objeto estamos vendo a luz que saiu (refletida ou emitida) por ele e chegou até nossos olhos. A velocidade da luz sendo finita, significa que estamos sempre vendo como os objetos eram no momento que a luz saiu deles. Então, supondo que num instante t 2 atual eu esteja observando uma galáxia, a luz viajou milhões de anos desde sua saída no instante t1 dessa galáxia. Assim, a informação que me chega é da galáxia como ela era há milhões de anos. Quanto mais longínqua a galáxia observada mais no passado estaremos olhando-a. Dizer que a idade do Universo é de 13 bilhões de anos significa que os objetos mais distantes que conseguimos ver hoje (os quasares) estão a 13 bilhões de anos luz de distância de nós. Esse é o tamanho do Universo observável. Se tiver alguma coisa além dessa distância sua luz ainda não teve tempo para chegar até aqui (ou chegou tão fraca que não conseguimos detectar). Que o Universo teve um início com o big bang parece fato consumado, corroborado pelas observações da expansão e da radiação de fundo. Mas será que ele terá algum fim? Bem, os seres humanos mal entendem o que observam no Universo atual, querer responder como ele surgiu é aldacioso, mas temos chance já que sempre estamos olhando o passado, agora, saber como será o Universo amanhã parece muita petulância. Que possibilidades temos: o Universo poderá expandir eternamente, ou um dia poderá parar de expandir; poderá expandir parar e começar a encolher e desaparecer. Que tal expandir, parar, começar a implodir dando origem novamente a um big bang e então começar o ciclo de expansão de novo. Este é o Universo Pulsante. Será que já existiram outros ciclos? Pode ser que isso jamais possamos saber! O que você acha mais atraente, a idéia de um Universo que surgiu num instante no passado remoto, sem que houvesse nada antes, ou um Universo eterno, sem começo e nem fim? O gráfico mostra o raio do Universo em função do tempo para as diversas possibilidades colocadas. A resposta deve vir de observações astronômicas. Recentes dados astronômicos apontam para um Universo em expansão acelerada eternamente! Como era o Universo momentos após o big bang? Nada parecido com o que vemos hoje. Era extremamente quente, de maneira que a matéria não poderia existir ainda. Apenas radiação, elétrons e prótons (mas não ligados um ao outro formando átomos). Gamov em 1950 descreveu um modelo para o início do Universo em que com um segundo de idade sua temperatura teria sido de 15 bilhões de graus! Essa teoria previa que a temperatura hoje do Universo seria de cerca de 20 kelvins. Diversas modificações da teoria do big bang original foram necessárias. Por exemplo, na década de 80, Alan Guth introduziu a idéia de que o Universo teve uma rápida expansão pouco antes do seu, pasme, trilionésimo de segundo de vida! É a chamada teoria do Universo Inflacionário. Isso implicou que o Universo era bem maior do que se supunha e por isso sua curvatuva era tão pequena. Nessa teoria certas grandezas chamadas campos (não como os elétricos, magnéticos ou gravitacionais que conhecemos bem) desempenham papel importante. A compreensão do que são esses novos campos depende de avanços em áreas da Física como Relatividade ou Mecânica Quântica. Por isso Cosmologia hoje se funde com a Física e é um dos ramos mais sofisticados da ciência. O grande mérito da teoria do big bang (com ou sem suas modificações atuais) é o de explicar a abundância dos vários elementos químicos. Imediatamente após o big bang a temperatura era muitíssimo alta para que átomos pudessem existir. Apenas após dezenas de minutos é que a temperatura baixou suficientemente para que prótons e neutrons pudessem se juntar e formar núcleos atômicos. Cerca de 25% da massa era hélio (essa fração é calculada baseada na teoria do big bang e é confirmada observando-se estrelas muito velhas). O núcleo de hidrogênio, como é apenas um próton, sempre existiu e representava cerca de 75% da massa; cerca de 0.1% da massa era deutério (um próton e um neutron ligados). Somente após cerca de 1 milhão de anos é que os elétrons puderam se ligar aos núcleos e formar átomos neutros: a temperatura já teria abaixado para cerca de 3000K. Antes desse momento a radiação não era capaz de viajar muito longe pois sempre encontrava um elétron solto que a espalhava: o Universo era opaco. Após esse momento a radiação pode caminhar mais livremente pelo Universo, que se tornou então transparente. Essa radiação é detectada hoje como um fundo preenchendo o Universo inteiro e é parecida com a radiação de calor de um objeto com 3 graus kelvins. Provavelmente somente após alguns milhares de anos é que a densidade de matéria tornou-se significativa (se comparada com a densidade de radiação) e então começou a atração gravitacional ser importante entre partes da matéria: formação de nuvens que com a crescente atração gravitacional formaram, após milhões de anos, galáxias ou até aglomerados de galáxias. O nosso Sistema Solar teria se formado a cerca de 5 bilhões de anos e a Terra a cerca de 4.6 bilhões. Somos relativamente jovens se comparados ao Universo. O estudo da origem do Sistema Solar e da Terra denomina-se Cosmogonia. Podemos resumir num slide toda a preocupação da Cosmologia de hoje. Por se relacionar com as partes mais interessantes da Física, ela é a divisão mais fascinante da Astronomia, e porque não dizer de toda exploração científica. Embora se possa dizer que a Cosmologia evoluiu muito em relação ao que ela era no início do século passado, ainda há muitas perguntas fundamentais a serem respondidas. Mais do que isso, ainda temos que aprender a fazer as perguntas certas!
