Por Amelia Williamson Smith
Publicado na Symmetry Magazine
Como podemos calcular quando o universo começou?
Olhando além do nosso planeta, no vasto conjunto de estrelas, os seres humanos sempre fizeram perguntas centrais sobre a nossa origem: como tudo isto aconteceu? Sempre existiu? Se não, como e quando começou?
Como podemos determinar a história de algo tão complexo se não estávamos por perto para testemunhar seu nascimento?
Os cientistas usam vários métodos: a verificação da idade dos objetos mais antigos do universo, usar a taxa de expansão do universo para traçar uma linha para o passado, e usando medições da radiação cósmica de fundo para descobrir as condições iniciais do universo e sua evolução.
Hubble e um universo em expansão
No início de 1900, não havia nenhuma noção da idade do universo, diz o professor associado da Universidade de Stanford Chao-Lin Kuo do SLAC National Accelerator Laboratory. “Os filósofos e físicos pensavam que o universo não tivesse começo nem fim.”
Em seguida, na década de 1920, o matemático Alexander Friedmann previu um universo em expansão. Edwin Hubble confirmou isto quando descobriu que muitas galáxias estavam se afastando da nossa própria em altas velocidades. Hubble mediu várias dessas galáxias e em 1929 publicou um artigo afirmando que o universo está ficando maior.
Os cientistas então perceberam que poderiam usar essa expansão para voltar no tempo a um ponto em que tudo começou. “Então, até Friedmann e Hubble não havia o conceito de como nascimento do universo começou”, diz Kuo.
Traçar a expansão do universo de volta no tempo é chamado de encontrar sua “idade dinâmica”, diz o laureado com o Nobel Adam Riess, professor de astronomia e física da Universidade Johns Hopkins.
“Nós sabemos que o universo está se expandindo, e achamos que entendemos a história da expansão”, diz ele. “Assim como um filme, você pode rebobina-lo até que tudo esteja a par de tudo no big bang”.
A taxa de expansão do universo é conhecido como a constante de Hubble.
O enigma de Hubble
A constante de Hubble não foi fácil de medir, e o número foi alterado várias vezes desde a década de 1930, diz Kuo.
Uma maneira de verificar a constante de Hubble é comparar a sua previsão para a idade do universo com a idade dos objetos mais antigos que podemos ver. No mínimo, o universo deve ser mais velho do que os objetos que ele contém.
Os cientistas podem estimar a idade de estrelas muito antigas que esgotaram seu combustível – chamadas anãs brancas – determinando quanto há tempo elas esfriaram. Os cientistas também podem estimar a idade de aglomerados globulares, grandes aglomerados de estrelas velhas que se formaram mais ou menos ao mesmo tempo.
Eles estimaram que os objetos mais antigos têm entre 12 bilhões a 13 bilhões de anos.
Na década de 1990, os cientistas ficaram intrigados quando descobriram que sua estimativa da idade do universo – com base em sua medição da constante de Hubble – era vários bilhões de anos mais jovem do que a idade dessas estrelas mais antigas.
No entanto, em 1998, Riess e Saul Perlmutter colegas do Lawrence Berkeley National Laboratory e Brian Schmidt, do Australian National Lab encontraram a raiz do problema: o universo não estava se expandindo a uma taxa constante. Estava acelerando.
Eles descobriram isso observando um tipo de supernova, a explosão de uma estrela no final de sua vida útil. Supernovas do tipo 1A explodem com brilho uniforme, e a luz viaja a uma velocidade constante. Ao observar várias supernovas do tipo 1A, os cientistas foram capazes de calcular sua distância da Terra e quanto tempo a luz levou para chegar aqui.
“As supernovas são usadas para determinar quão rápido o universo está se expandindo em torno de nós”, diz Riess. “E, olhando para supernovas distantes que explodiram no passado e cuja luz levou um longo tempo para chegar até nós, podemos também ver como a taxa de expansão recentemente está mudando”.
Usando este método, os cientistas estimaram que a idade do universo é cerca de 13,3 bilhões anos.
Receita para o universo
Outra forma de estimar a idade do universo é usando o radiação cósmica de fundo em microondas (CMB), a radiação remanescente do que aconteceu em seguida ao big bang, que se estende em todas as direções.
“A CMB informa as condições iniciais e a receita do início do universo – que tipos de coisas havia nele”, diz Riess. “E se nós entendermos isso bem o suficiente, em princípio, poderemos prever o quão rápido o universo fez essas coisas com essas condições iniciais e como o universo se expandiria em pontos diferentes no futuro”.
Usando a sonda Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP) da NASA, os cientistas criaram um mapa detalhado das variações de temperatura da CMB. Eles então compararam o padrão de flutuação com diferentes modelos teóricos do universo que preveem padrões da CMB. Em 2003, eles encontraram um que se encaixava.
“Usando essas comparações, temos sido capazes de descobrir o formato do universo, sua densidade e dos seus componentes”, diz Kuo. O WMAP descobriu que a matéria comum representa cerca de 4% do universo, a matéria escura cerca de 23% e os 73% restantes é a energia escura. Usando os dados do WMAP, os cientistas estimaram que a idade do universo é 13,772 bilhões anos, com uma margem de erro de 59 milhões anos para mais ou para menos.
Em 2013, o telescópio espacial Planck da Agência Espacial Europeia criou um mapa ainda mais detalhado das flutuações de temperatura da CMB e estimou que o universo tem 13,82 bilhões anos de idade, mais ou menos 50 milhões de anos um pouco mais velho do que a estimativa do WMAP. O Planck também fez medições mais detalhadas dos componentes do universo e encontrou um pouco menos energia escura (cerca de 68%) e um pouco mais de matéria escura (cerca de 27%).
Novos enigmas
Mesmo com essas medições extremamente precisas, os cientistas ainda têm enigmas a resolver. A medida atual da taxa de expansão do universo tende a ser cerca de 5% maior do que a previsto pela CMB, e os cientistas não sabem ao certo o porquê, diz Riess.
“Pode ser um sinal de que nós não compreendemos totalmente a física do universo, ou poderia ser um erro em qualquer uma das duas medidas”, diz Riess.
“É um sinal de enorme progresso na cosmologia ficarmos chateados e preocupados com uma diferença de 5%, ao passo que daqui 15 ou 20 anos as medições da taxa de expansão podem diferir por um fator de dois”.
