O Big Bang

Como o universo cresceu de um começo quente e denso até uma teia de galáxias, ao longo de 13,8 bilhões de anos

Passo a passo

O universo hoje

Galáxias enfileiradas numa teia de filamentos em volta de vazios: o universo 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. O próprio espaço continua se esticando e afasta as galáxias umas das outras.

A região mostrada tem cerca de 800 milhões de anos-luz de largura. Suas galáxias se juntam em paredes e filamentos em volta de vazios de cem milhões de anos-luz ou mais, o padrão revelado pelos levantamentos que mapeiam milhões de galáxias. A teia aqui é desenhada por um modelo simples, e não mapeada: parece a real sem ser ela.

As galáxias distantes se afastam de nós tanto mais depressa quanto mais longe estão: cerca de 67 km/s a mais a cada 3,26 milhões de anos-luz. Elas não voam pelo espaço; é o espaço entre elas que cresce. Voltando o relógio, tudo deve ter estado, um dia, bem apertado.

Voltando o relógio

Com o tempo correndo para trás, as galáxias se amontoam, se desfazem em gás uniforme e somem numa luz cada vez mais quente. Não há centro: de qualquer lugar, tudo se aproxima do mesmo jeito.

O Big Bang não foi uma explosão num ponto do espaço. O próprio espaço era menor em todo lugar ao mesmo tempo, e cada parte do universo atual fez parte dele. Escolha qualquer galáxia: voltando no tempo, todas as outras se aproximam dela, assim como se aproximam da nossa.

Tudo o que podemos ver hoje, agora com 93 bilhões de anos-luz de largura, cabia, um segundo após o Big Bang, numa região de cerca de 18 anos-luz. O que aconteceu no primeiro instante, ou se houve um antes, ninguém sabe ainda: nossa física só consegue acompanhar o universo até quando ele já tinha uma minúscula fração de segundo.

O primeiro segundo

Um milionésimo de segundo depois, o espaço está cheio de quarks, glúons e luz a trilhões de graus. Por volta de um cem-milésimo de segundo, os quarks se juntam em prótons e nêutrons.

Nada hoje é tão quente, nem mesmo o núcleo de uma estrela. O universo inteiro era uma sopa espessa das menores partículas, que colidiam com frequência demais para que qualquer coisa se mantivesse unida. Com o crescimento do espaço, ele esfriou, e a cerca de dois trilhões de graus os quarks se agruparam de três em três: prótons e nêutrons.

No início havia tantos nêutrons quanto prótons. Os nêutrons são um pouco mais pesados, então foram ficando mais raros ao esfriar, até que, pouco mais de um segundo depois, pararam de se transformar uns nos outros: um nêutron para cada seis prótons. Àquela altura os neutrinos já tinham escapado; eles ainda enchem o espaço hoje.

Os primeiros minutos

Entre cerca de três e vinte minutos, prótons e nêutrons se fundem em hélio, até que um quarto de toda a matéria comum seja hélio. Depois disso o universo está frio demais para fazer mais.

Prótons e nêutrons primeiro se unem em deutério, mas por alguns minutos a luz ainda é quente o bastante para quebrar esses pares. Quando ela esfria abaixo de cerca de um bilhão de graus, os pares sobrevivem e logo se juntam em hélio. Quase todo nêutron acaba dentro de um núcleo de hélio.

O resultado, cerca de três quartos de hidrogênio e um quarto de hélio em massa, com traços de deutério e lítio, é o que os astrônomos encontram no gás e nas estrelas mais antigos. É uma das provas mais fortes de que o Big Bang aconteceu, e aconteceu nos primeiros vinte minutos do universo.

Uma névoa brilhante

Pelos 370 mil anos seguintes, o universo é uma névoa brilhante de núcleos, elétrons e luz. A luz não consegue ir longe sem ricochetear num elétron, então não se vê nada através dela.

É como estar dentro de uma estrela, mas cada vez mais rala e fria à medida que o espaço cresce. Matéria e luz se empurram e se puxam, e ondas sonoras percorrem a névoa. As ondulações que deixam são minúsculas, de uma parte em 100 mil; aqui estão desenhadas milhares de vezes mais fortes.

Aos poucos a névoa esfria de centenas de milhões de graus para alguns milhares, e seu brilho muda de cor como o de uma estrela que esfria: de branco azulado para amarelo e depois laranja. Há cerca de 1,6 bilhão de partículas de luz para cada próton ou nêutron.

A névoa se dissipa

A cerca de 3.000 graus, uns 370 mil anos após o Big Bang, os elétrons se prendem aos núcleos e a névoa fica transparente. A luz liberada então ainda nos chega de todos os lados: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Quando os elétrons ficam presos em átomos de hidrogênio e hélio, a luz passa livremente entre eles. Essa luz viaja desde então. Esticada pelo universo em crescimento até comprimentos de onda mil vezes maiores, ela chega hoje como micro-ondas, a 2,7 graus acima do zero absoluto.

Suas minúsculas ondulações, manchas de cerca de um grau no céu, são as sementes de todas as galáxias. Satélites as mapearam em detalhe, do COBE ao WMAP e ao Planck; o mapa real está entre as fotos. O padrão delas nos diz a idade do universo e do que ele é feito.

A idade das trevas

Enquanto o espaço continua crescendo, o brilho residual avermelha e se apaga. Depois de alguns milhões de anos não resta luz visível nenhuma, só escuridão, enquanto a gravidade junta silenciosamente a matéria nas ondulações.

Por alguns milhões de anos o céu ainda brilhou num vermelho fosco, como brasas. Depois sua luz passou para o infravermelho e o universo ficou escuro. Ainda não havia estrelas, só gás de hidrogênio e hélio esfriando.

Na escuridão, a matéria escura, que nem brilha nem bloqueia a luz e pesa cinco vezes mais que a matéria comum, foi se juntando onde as ondulações a tinham deixado um pouco mais densa, e o gás foi atrás. Aqui ela é desenhada em azul; na realidade é invisível.

Primeira luz

Entre cem e duzentos milhões de anos depois, as primeiras estrelas se acendem nos nós mais densos da teia, e as primeiras galáxias se reúnem. Sua luz clareia aos poucos o gás em volta delas.

As primeiras estrelas eram provavelmente enormes, quentes e de vida curta, feitas só de hidrogênio e hélio; nenhuma foi encontrada ainda. O Telescópio Espacial James Webb já viu galáxias brilhando menos de 300 milhões de anos após o Big Bang.

A luz ultravioleta das galáxias jovens voltou a separar os átomos de hidrogênio à sua volta, e por volta de um bilhão de anos o gás entre as galáxias estava transparente. Suas estrelas também forjaram os primeiros elementos mais pesados, do carbono ao ferro, de que depois foram feitos estrelas e planetas.

A teia cresce

Ao longo de bilhões de anos as galáxias crescem e se fundem ao longo da teia. O Sol se forma 9,2 bilhões de anos após o Big Bang, e há seis bilhões de anos o espaço cresce cada vez mais depressa.

A maioria das estrelas nasceu quando o universo tinha entre dois e seis bilhões de anos; desde então o nascimento de estrelas caiu cerca de dez vezes. O Sol e a Terra se formaram de um gás já enriquecido por gerações de estrelas anteriores, há cerca de 4,6 bilhões de anos.

Em 1998 astrônomos descobriram que estrelas distantes que explodem eram mais fracas do que o esperado: a expansão está acelerando. O que a impulsiona, chamado energia escura, forma hoje cerca de 68% do universo. O que ela é continua sendo uma das maiores perguntas em aberto da física.