A teoria do Big Bang representa as melhores tentativas dos cosmólogos para reconstruir a história de 14 bilhões de anos do universo, com base na fatia de existência visível hoje.
Pessoas diferentes usam o termo "Big Bang" de maneiras diferentes. De maneira geral, ilustra o arco do universo observável à medida que se afinava e esfriava de um estado inicialmente denso e quente. Essa descrição se resume à idéia de que o cosmos está se expandindo, um princípio amplo análogo à sobrevivência do mais apto em biologia que poucos considerariam discutível.
Mais especificamente, o Big Bang também pode se referir ao nascimento do próprio universo observável - no momento em que algo mudou, dando início aos eventos que levaram até hoje. Os cosmologistas discutem há décadas sobre os detalhes dessa fração de segundo, e a discussão continua hoje.
A teoria clássica do Big Bang
Durante a maior parte da história humana, os observadores do céu o consideraram eterno e imutável. Edwin Hubble deu a essa história um golpe experimental na década de 1920, quando suas observações mostraram que as galáxias fora da Via Láctea existiam e que a luz delas parecia esticada - um sinal de que estavam fugindo da Terra.
George Lemaître, um físico belga contemporâneo, interpretou dados de Hubble e outros como evidência de um universo em expansão, uma possibilidade permitida pelas equações de campo da relatividade geral recentemente publicadas por Einstein. Pensando ao contrário, Lemaître deduziu que as galáxias separadoras de hoje devem ter começado juntas no que ele chamou de "átomo primitivo".
O primeiro uso público do termo moderno para a idéia de Lemaître veio realmente de um crítico - astrônomo inglês Fred Hoyle. Em 28 de março de 1949, Hoyle cunhou a frase durante uma defesa de sua teoria preferida de um universo eterno que criou a matéria para cancelar a diluição da expansão. Hoyle disse que a noção de que "toda a matéria do universo foi criada em um big bang em um determinado momento no passado remoto" era irracional. Em entrevistas posteriores, Hoyle negou intencionalmente inventar um nome calunioso, mas o apelido continuou, muito para a frustração de alguns.
"O Big Bang é um termo muito ruim", disse Paul Steinhardt, cosmologista de Princeton. "O Big Stretch capturaria a idéia certa". A imagem mental de uma explosão causa todo tipo de confusão, segundo Steinhardt. Implica um ponto central, uma fronteira em expansão e uma cena em que estilhaços leves voam mais rápido que pedaços mais pesados. Mas um universo em expansão não se parece nada com isso, disse ele. Não há centro, nem borda, e galáxias grandes e pequenas se separam da mesma maneira (embora galáxias mais distantes se afastem mais rapidamente sob a influência cosmologicamente recente da energia escura).
Independentemente de seu nome, a teoria do Big Bang encontrou ampla aceitação por sua capacidade incomparável de explicar o que vemos. O balanço da luz com partículas como prótons e nêutrons durante os primeiros 3 minutos, por exemplo, permite que elementos iniciais se formem a uma taxa que prediz as quantidades atuais de hélio e outros átomos de luz.
"Havia uma pequena janela no tempo em que era possível formar núcleos", disse Glennys Farrar, cosmologista da Universidade de Nova York. "Depois disso, o universo continuou se expandindo e eles não conseguiram se encontrar, e antes estava muito quente."
Um plasma nublado encheu o universo pelos próximos 378.000 anos, até que um resfriamento posterior permita que elétrons e prótons formem átomos de hidrogênio neutros, e o nevoeiro diminua. A luz emitida durante esse processo, que desde então se estendeu para microondas, é o primeiro objeto conhecido que os pesquisadores podem estudar diretamente. Conhecida como radiação de fundo cósmico de micro-ondas (CMB), muitos pesquisadores a consideram a evidência mais forte do Big Bang.
Uma atualização explosiva
Mas, à medida que os cosmologistas recuavam nos primeiros momentos do universo, a história se desenrolava. As equações da relatividade geral sugeriram uma mancha inicial de calor e densidade ilimitados - uma singularidade. Além de não fazer muito sentido físico, uma origem singular não correspondia ao CMB liso e plano. Flutuações na formidável temperatura e densidade da partícula produziriam faixas de céu com propriedades diferentes, mas a temperatura da CMB varia apenas uma fração de grau. A curvatura do espaço-tempo também parece bastante plana, o que implica um equilíbrio de matéria e curvatura inicialmente quase perfeito que a maioria dos cosmólogos considera improvável.
Alan Guth propôs uma nova imagem da primeira fração de segundo na década de 1980, sugerindo que o universo passou seus primeiros momentos crescendo exponencialmente mais rápido do que hoje. Em algum momento, esse processo parou, e pisar no freio produziu uma bagunça densa e quente (mas não infinitamente tão) de partículas que toma o lugar da singularidade. "Na minha opinião, penso nisso como o Big Bang, quando o universo esquentou", disse Farrar.
A teoria da inflação, como é chamada, agora possui uma infinidade de modelos concorrentes. Embora ninguém soubesse muito sobre o que fez o universo se expandir tão rapidamente, a teoria se tornou popular por sua capacidade de explicar o aparentemente improvável CMB: a inflação preservou pequenas flutuações (que se desenvolveram nos aglomerados de galáxias de hoje), enquanto achatava as principais. "É uma história muito agradável", disse Steinhardt, que ajudou a desenvolver a teoria. "É o que dizemos aos nossos filhos."
Além da inflação
Pesquisas recentes introduziram duas rugas na narrativa cósmica da teoria da inflação. O trabalho de Steinhardt e outros sugere que a inflação teria parado em algumas regiões (como nosso universo observável), mas continuaria em outras, produzindo uma variedade de territórios separados com "todo conjunto concebível de propriedades cosmológicas", como Steinhardt coloca. Muitos físicos acham esta imagem do "multiverso" desagradável, porque ela faz um número infinito de previsões não testáveis.
Na frente experimental, os cosmologistas esperam que a inflação tenha produzido ondas gravitacionais abrangendo galáxias no CMB, assim como produziu pequenas variações de temperatura e densidade. As experiências atuais devem ser sensíveis o suficiente para encontrá-las, mas as ondulações primordiais no espaço-tempo não apareceram (apesar de um alarme falso em 2014).
Muitos pesquisadores aguardam medições mais precisas de CMB que poderiam matar ou validar os muitos modelos de inflação que ainda permanecem. Outros físicos, no entanto, não vêem a suavidade do cosmos como um problema - ele começou uniforme e não precisa de explicação.
Enquanto os experimentalistas lutam por novos níveis de precisão, alguns teóricos se afastaram da inflação para procurar outras maneiras de esmagar o universo. Steinhardt, por exemplo, está trabalhando em um modelo de "grande salto", que adia ainda mais o relógio de partida, para um período anterior de contração que suavizou o espaço-tempo e preparou o terreno para uma expansão explosiva. Ele espera que, em pouco tempo, novas assinaturas, além de problemas como a falta de ondas gravitacionais primordiais, estabeleçam os cosmólogos com uma nova história da criação para contar. "Existem outros recursos observáveis para procurar?" Steinhardt disse: "Pergunte-me novamente em alguns anos e espero ter uma resposta".
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