Universo em expansão...

Amigos,

No último texto do blog, eu comentei sobre um artigo do Pe. José Gabriel Funes, SJ, diretor do Observatório do Vaticano, sobre a tal falsa profecia do fim do mundo, do calendário maia. Naquela ocasião, eu teci breve comentário sobre assuntos como: energia escura, expansão acelerada do universo, Big Rip... Pois bem, retornemos a esses temas.

Devo confessar que trata-se de algo que de fato me intrigava ultimamente... Vejamos o porquê.

Desde novo, eu acompanho notícias sobre ciências em meios de divulgação, e a ideia do Big Bang já me era familiar há muito tempo; aliás, já falei sobre o Big Bang antes no blog, no texto “Pe. Georges Lemaître, SJ”. Já vimos também que essa teoria nada tem de contrária à nossa fé em Deus, pois fala que o mundo (o universo) teve um início – o que está de acordo com nossa fé em Deus Criador –, e trata o mundo como criação – o que de fato é.

A teoria do Big Bang fala de uma singularidade inicial. Calma, vamos lá. Trata-se do marco zero (chamemos assim) do universo, onde toda a matéria/energia (lembremos da equivalência entre massa e energia, explicada pela teoria da Relatividade Geral de Einstein), estava concentrada em um único ponto (singularidade), tendo se expandido desde o instante inicial, até constituir tudo o que existe hoje no universo. Nesse ponto (singularidade), a densidade de matéria/energia era infinita (tendia ao infinito), dado que o volume do universo era nulo (tendia a zero). A ciência não consegue “recuar” até esse instante inicial (ou seja, estudar o que ocorreu aí), somente até 10^-43 s, o denominado tempo de Planck; as leis da física, como as conhecemos, não se aplicam antes desse tempo.

A ciência fala também de outras singularidades: os buracos negros. Lembram do texto do blog “Teorias e realidade”? Nele, eu comentei sobre o fenômeno da gravidade, e sobre as teorias propostas pela física para explica-la: primeiro, a teoria da Gravitação Universal, proposta por Newton; depois, a teoria da Relatividade Geral, proposta por Einstein, cerca de dois séculos e meio depois. Ambas explicam o mesmo fenômeno de maneiras muito diferentes...

No caso da Relatividade, a gravidade é explicada como sendo o resultado da curvatura do espaço-tempo; sim, a teoria diz que vivemos em um espaço com quatro dimensões: três espaciais e uma para o tempo. Espaço e tempo, antes tratados como entidades independentes, passaram a ser tratados como partes de uma única entidade: o espaço-tempo.

Lembram da representação do tecido ou malha, para o espaço-tempo, sobre a qual eu comentei naquele texto? Incluí até algumas ilustrações! Sugiro que acessem o texto, para recapitular mais detalhes, caso queiram. O importante é saber que, na dificuldade de se representar algo com quatro dimensões – quando só conseguimos visualizar ou imaginar coisas com no máximo três –, podemos representar o espaço-tempo quadridimensional de forma simplificada, como se fosse um tecido de apenas duas dimensões. A presença de corpos massivos introduz distorções (curvaturas) no tecido do espaço-tempo do cosmos. Na representação do tecido bidimensional, podemos imaginar os corpos como “bolas” – umas mais leves, outras mais pesadas – afundando em uma cama elástica. Nas proximidades de uma dessas depressões, causada por um corpo massivo, outro corpo seria atraído por aquele que a provocou, como que “caindo” na depressão assim formada. Logo, o efeito da atração gravitacional seria devido à distorção no espaço-tempo, causada por um corpo massivo, que criaria como que uma “bacia” de atração. Repito a figura aqui, para maior clareza; o corpo massivo não está visível nessa figura, estaria no fundo da depressão.

Bacia de atração (distorção no tecido do espaço-tempo), devido à presença de um corpo massivo.

Já os buracos negros, são corpos tão massivos – resultado da morte violenta de estrelas com massa muito elevada –, que a massa restante colapsa sob a ação da própria gravidade, implodindo sem nada que o impeça. Assim, a densidade no centro dessa massa restante tende ao infinito – causando, então, uma singularidade (lembram dela...?). Algo como um “buraco sem fundo”...

As singularidades são como aqueles pontos, em funções matemáticas, em que o valor da função tende a infinito, provocando uma descontinuidade. Pensem, então, nos buracos negros, como espécies de descontinuidades no espaço-tempo, onde a densidade tende a infinito, com o volume da massa restante tendendo a zero. Lindo isso! Não acham? Bem... aqui de longe sim; não queiram admirar um buraco negro de perto... sua gravidade, a partir de determinada região em seu entorno (chamada horizonte de eventos), faz com que nada mais escape: nem mesmo a luz! De fato, é um buraco sem fundo... e passar do horizonte de eventos leva a uma queda sem fim, e sem volta...

Segue uma ilustração da deformação no espaço-tempo causada por um buraco negro. A figura está truncada (obviamente...), pois a depressão se estenderia infinitamente. A depressão vai se afunilando cada vez mais (para baixo, na figura), indefinidamente, sem chegar nunca a se fechar em um ponto; no ponto central (singularidade), há uma descontinuidade, literalmente uma ruptura, como um “furo” no tecido do espaço-tempo cósmico, pois o “funil” se estenderia ao infinito. Lindo isso, não!? (Daqui de longe...).

Distorção extrema (descontinuidade) no tecido do espaço-tempo, causada por um buraco negro.

Pois bem, retornemos ao Big Bang e à expansão do universo. Até alguns anos atrás, os cientistas imaginavam, a partir do Big Bang, alguns possíveis cenários para a evolução do universo; por exemplo:

1-      O universo expandiria indefinidamente, sem aceleração nem desaceleração;

2-     O universo expandiria de forma desacelerada, porém sempre estaria em expansão (cada vez mais lenta);

3-     O universo expandiria de forma desacelerada, porém essa desaceleração faria o universo entrar em colapso novamente.

No último caso, a expansão desacelerada faria com que o universo parasse de expandir, em dado momento de sua história. Logo, a gravidade passaria a dominar, e o universo passaria a contrair-se, em um processo inverso ao da expansão ocorrida desde o Big Bang, terminando por colapsar em um único ponto (singularidade), novamente. Esse colapso era denominado Big Crunch – algo como grande implosão, ao contrário da grande explosão inicial (Big Bang). Seguem imagens ilustrativas. Os dois modelos da esquerda mostram um universo em expansão desacelerada, sendo o primeiro aquele em que o universo entraria novamente em colapso (Big Crunch); o terceiro modelo é o da expansão sem aceleração nem desaceleração; o quarto modelo é o da expansão acelerada, sobre o qual comentarei adiante. Na figura, há um comentário explicando algo como, se o universo estiver em expansão desacelerada, seria mais jovem; já nos outros casos (especialmente no da expansão acelerada), o universo seria mais antigo. Atualmente, há a estimativa de que o universo teria cerca de 13,7 bilhões de anos.

Possíveis modelos da evolução do universo.¹

Nos últimos anos, porém, observações astronômicas surpreenderam os cientistas, indicando uma expansão acelerada do universo! Nesse caso, a gravidade nunca dominaria o processo; pelo contrário, uma força contrária, expansiva, dominaria cada vez mais sobre a gravidade, e o universo expandiria cada vez mais, e cada vez mais rápido... O cenário final é algo difícil de imaginar, mas seria como um “esticamento” do universo, ao infinito... A expansão cada vez mais acelerada faria, a partir de certo momento, com as estrelas e galáxias se expandissem de nós tão rapidamente, que não seríamos mais capazes de vê-las; e as próprias estrelas e galáxias acabariam por se despedaçarem, no futuro, pela ação da força expansiva cada vez mais violenta, e sem nada para impedir sua ação dominante em relação à gravidade.

Mais ainda: descobriu-se que a ciência desconhece grande parte do que constitui o universo. A matéria que conhecemos contribui com apenas cerca de quatro por centro de tudo o que existe! Do que mais o universo é constituído?

Bem, em primeiro lugar, observações astronômicas indicam que parece haver mais matéria nas galáxias e aglomerados de galáxias, do que realmente há. A matéria visível, somente, não explica a dinâmica observada nas galáxias seus aglomerados; falta matéria no balanço final para explicar os efeitos gravitacionais observados... Logo, imagina-se que haja uma espécie de matéria escura (não visível), responsável pelo efeito gravitacional “observado” indiretamente a partir dos movimentos dos corpos celestes.

Mas essa matéria escura ainda não preenche tudo aquilo que é medido no universo... A matéria escura perfaz cerca de 23 % de tudo o que constitui o universo; com mais os 4 % de matéria visível, são 27 %. E os 73 % restantes?

Os 73 % restantes são atribuídos à energia escura, algo que também ainda não se conhece, mas que teria um efeito gravitacional “às avessas”; ou seja, com efeito de uma força de repulsão, ao contrário da gravidade que conhecemos, que atrai os corpos mutuamente. A energia escura seria a responsável pela expansão acelerada do universo. A partir de certo momento na história, quando os corpos passaram a estar separados suficientemente, a força provocada pela energia escura – que parece não diminuir com a expansão do universo –, passou a se sobrepor à gravidade de atração – que diminui com a expansão –, fazendo com que o universo passasse a se expandir de forma acelerada...

Para esclarecer: as medidas que indicam a expansão acelerada do universo foram realizadas a partir da observação de supernovas distantes – e, portanto, antigas. Desde que se descobriu que o universo estava em expansão (lei de Hubble, vide o texto sobre o Pe. Lemaître, SJ), a velocidade de expansão é medida através do desvio para o vermelho, da luz emitida por corpos celestes.

Lembram do efeito Doppler? É ele que explica porque ouvimos uma sirene, de um carro que se aproxima, com som mais agudo (maior frequência), enquanto ouvimos a mesma sirene com som mais grave (menor frequência), quando o veículo se afasta de nós. As ondas sonoras sofrem uma compressão quando o veículo se aproxima, aumentando a frequência do som ouvido; e são distendidas quando o veículo se afasta, causando um som com menor frequência. Vejam um “gif” animado sobre o efeito Doppler.

Ilustração do efeito Doppler, para ondas sonoras.

Bem, o mesmo ocorre com as ondas eletromagnéticas (a luz), emitida pelas estrelas e galáxias. Como o universo está em expansão, a luz emitida por esses corpos celestes chega até nós com frequência menor do que realmente possuem na origem; e em termos de luz, na escala do visível, o vermelho possui menor frequência, e o azul, maior. Logo, corpos celestes se afastando de nós, possuem desvio para o vermelho. Esse desvio pode ser medido por análise do espectro da luz recebida (que indica as frequências que compõem a luz). Pela lei de Hubble, quanto mais distantes de nós, tão mais rapidamente os corpos se afastam – é uma lei proporcional (descrita por uma reta).

Bem, como já comentamos no blog antes (vide textos “Poeira das estrelas” e “Poeira das estrelas - imagens (2)”), as supernovas (e também os buracos negros) são resultado de mortes violentas de estrelas; no caso, estrelas muito massivas. As supernovas são explosões violentíssimas, e estão entre os fenômenos mais cataclísmicos do universo! Durante sua explosão, uma supernova (decorrente da morte de uma única estrela), pode chegar a brilhar tanto quanto uma galáxia – a galáxia que a abriga, por exemplo! Fantástico, não!?

Pois bem, por esse motivo, as supernovas são tidas como verdadeiros “faróis” no universo, pois podem ser avistadas a distâncias enormes (bilhões de anos-luz!). Logo, por serem fenômenos muito distantes, são também muito antigos – pois a luz levou bilhões de anos para chegar até nós. Então, observações de supernovas distantes podem nos dar uma boa medida de como a expansão do universo era a bilhões de anos atrás. Aí está a questão: os cientistas observaram que a expansão cósmica era mais lenta num passado bem remoto do universo... Logo, a expansão está mais rápida agora, ou seja: o universo está em expansão acelerada.

Algo interessante sobre a energia escura é que ela pode corresponder à constante cosmológica que Einstein havia proposto, inicialmente, em sua teoria da Relatividade Geral. Lembram no texto que eu publiquei sobre o Pe. Lemaître, SJ, que eu expliquei que Einstein havia proposto uma suposta força de ação repulsiva, para contrabalançar a gravidade, a fim de evitar um colapso do universo? Pois bem, quando Hubble mostrou, por observação que o universo estava mesmo em expansão, Einstein reconheceu o trabalho do Pe. Lemaître, SJ (e o de Friedman; vide texto citado acima), em que a expansão seria consequência do Big Bang; e admitiu que sua constante cosmológica havia sido um equívoco. Agora, com a observação da (aparente; vide explicação no parágrafo seguinte para o “aparente”) expansão acelerada do universo, parece que a constante cosmológica voltou à cena, porém com o nome de energia escura; em todo caso, conceitualmente semelhante: uma espécie de força gravitacional repulsiva.

Há uma explicação alternativa para os resultados dessas medidas. O universo, em grandes escalas (escalas de aglomerados de galáxias), tem o aspecto de uma grande “teia”, onde os elementos dessa teia são as galáxias, “unidas” pelo efeito gravitacional entre elas (aí também há o efeito da matéria escura). Essa teia define, então, regiões com maior concentração de massa, e outras regiões que são grandes vazios, entre os aglomerados de galáxias (como que “bolhas” ente os “fios” da teia). Logo, é razoável supor que o universo esteja se expandindo de forma diferente, nessas regiões: de forma mais lenta nas regiões mais densas, devido à gravidade entre as galáxias; e de forma mais rápida nas regiões mais vazias. Se nós estivermos situados em uma dessas regiões mais vazias, teremos a impressão de que o universo estaria se expandindo de forma acelerada (de fato estaria, na nossa bolha), o que não significa que o universo, como um todo, esteja em expansão acelerada... Vejam imagem sobre a estrutura do universo em larga escala, com os aglomerados de galáxias.

Imagem (simulação) da estrutura do universo em larga escala (com os aglomerados de galáxias); é possível que, nos espaços vazios – as bolhas –, o universo esteja se expandindo de forma acelerada; porém de forma desacelerada nas teias.

Bem, confesso que a ideia da expansão acelerada e do Big Rip sempre me incomodou... Mas fiquei mais em paz ao ler o texto do Pe. José Funes, SJ, em que ele comenta sobre esse possível fim escuro e frio para o universo – caso a teoria esteja realmente correta, como ele mesmo frisa. Mas independentemente do que diz a ciência sobre o destino do universo, nós conjugamos ciência com fé. E a fé, pela Revelação Divina, a partir das Sagradas Escrituras, nos garante que, no último dia (na Segunda Vinda de Cristo, quando haverá o Juízo Final), Deus transformará a nós e a toda a criação; não será o fim, mas teremos novos céus e nova terra (vide a série de textos “Fim do Mundo...?” e “Novos Céus e Nova Terra”, cujos primeiros podem ser acessados aqui e aqui, respectivamente). Não sabemos como será; mas sabemos que ocorrerá! Pois é digno de toda confiança e credibilidade Aquele que diz! Não é qualquer um que diz que haverá novos céus e nova terra; é o próprio Senhor! Então, para nós, tanto faz se teremos Big Crunch, Big Rip, ou se o universo continuará se expandindo de outra forma, ou o que for. Nosso coração, e todo o nosso ser, se aquieta com a Palavra de Deus, que nos consola e dá um sentido último a tudo!

Espero que tenham gostado! Até a próxima, com a graça e a paz de Deus!


¹. Foto obtida do site: http://hubblesite.org; crédito de STScI, em contrato com a NASA.