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!