Marta Daniela SantosEscola Secundria Maria Amlia Vaz de Carvalho

Alguns conceitos-chave Big Bang Os Primeiros Instantes: Inflao Formao da Matria Primordial Radiao Csmica de Fundo Geometria do Universo: aberto, fechado ou plano? Ingredientes na Receita do Universo Matria Escura Energia Escura O que acontecer no futuro?

Interaces Fundamentais da NaturezaInteraco Gravtica De longo alcance, apenas tem intensidade aprecivel quando, pelo menos, um dos corpos tiver grande massa. Garante a coeso do Sistema Solar.Interaco ElectromagnticaExplica as reaces qumicas, a estabilidade dos seres vivos e a estabilidade da estrutura atmica. Os seus efeitos fazem-se sentir tanto a curta como a longa distncia. Mais intensa que a gravtica.

http://fcf.grc.nasa.gov/pics/chemistry.jpg

Interaco nuclear forteExplica a estabilidade do ncleo. de alcance muito curto, e actua de igual modo sobre protes e neutres, no estando relacionada com a carga elctrica.Interaco nuclear fracaResponsvel pelo facto de alguns ncleos se desintegrarem, dando origem a outros. menos intensa que a electromagntica, mas mais intensa do que a gravtica. O seu alcance muito curto (mais curto que o da interaco nuclear forte).Fonte: elaborao prpria

Radiao constituda por partculas sem ou quase sem massa que se movem velocidade da luz, com propriedades tanto de onda como de partcula. Exemplos conhecidos so os fotes e os neutrinos.Matria Barinica a matria dita comum, toda aquela que nos rodeia na Terra, por exemplo. constituda por tomos; estes, por sua vez, so constitudos por protes (+) e neutres (0) no ncleo, em redor dos quais orbitam electres (-).

Embora o termo Big Bang d a ideia de uma exploso colossal, neste contexto no esse o verdadeito sentido da palavra, j que o prprio espao explodiu. De acordo com as ltimas medies, o Universo ter surgido h aproximadamente 13 500 milhes de anos; inicialmente num estado inimaginavelmente quente e denso, ter-se- expandido e arrefecido, e a sua evoluo originou estruturas cada vez mais complexas.http://educar.sc.usp.br/ciencias/astro/cda/sessao-astronomia/1998/big-bang.jpg

escala subatmica, fisicamente impossvel saber o que se passa num intervalo de tempo inferior a 10-43 do segundo (tempo de Planck). Assim, esta a fronteira do conhecimento humano, e marca tambm a origem do espao-tempo, j que as noes de tempo e de espao no esto claramente separadas por intervalos mais pequenos do que este. tambm neste momento que ocorre a separao da gravidade das outras foras fundamentais. http://starchild.gsfc.nasa.gov/Images/StarChild/questions/apple_falling.gif

Como explicar a uniformidade do Universo? Galxias em lados opostos do cu comearam a brilhar h milhares de milhes de anos: um observador na Terra ao observ-las verifica que se parecem bastante entre si. No entanto, a luz de qualquer uma delas ainda no chegou outra...A resposta a este paradoxo pode estar num momento remoto e fulcral na evoluo do Universo... A poca inflacionria, que ter tido o seu incio 10-35 aps o Big Bang.Fonte: Scientific American January 1999

De acordo com a Teoria da Inflao de Alan Guth, a cada 5 x 10-35s a partir de ento o Universo duplicou o seu tamanho, tendo a expanso apenas abrandado passados 10-32s sobre o Big Bang. Nessa poca calcula-se que o Universo fosse cerca de 1050 vezes maior do que antes da inflao.http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/020622/020622_s.jpg

Na origem desta expanso ter estado a instabilidade da unio entre as foras nuclear forte e electrofraca, devido s temperaturas suficientemente baixas que foram atingidas. O excesso de energia que esta unio encerrava libertou-se sob a forma de uma fora de insuflao que fez expandir o Universo.A completa separao destas foras ter marcado o fim da inflao. Durante este perodo, quantidades colossais de matria dotada de energia positiva tero sido criadas, em oposio ao respectivo aumento da energia gravitacional negativa, resultando num saldo energtico nulo.Fonte: elaborao prpria

Findo o perodo inflacionrio, o Universo vai-se dilatando e arrefecendo, e a energia por unidade de volume vai diminuindo. Temos agora de ter em conta dois aspectos:Matria e energia podem converter-se uma na outra, atravs da clebre equao E=mc2

Desde que suficiente, a energia pode materializar-se em partculas, sempre aos pares e equivalentes: uma de matria e outra de anti-matria (princpio de simetria).http://www.webfeat.org/e=mc2.gif

Por outro lado, cada vez que uma partcula encontra a sua anti-partcula aniquilam-se, transformando-se em energia. Enquanto houver energia disponvel, as reaces de materializao e aniquilao do-se continuamente no meio de um caldo altamente energtico onde aparecem e desaparecem matria e anti-matria.

http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html

Porm, medida que a expanso avana, a temperatura vai baixando e, portanto, a densidade de energia vai diminuindo, impossibilitando a materializao de partculas cuja massa corresponde a energias mais elevadas. Surge-nos agora um dilema:Deveria ter sido dada origem a iguais quantidades de matria e anti-matria (princpio da simetria): a matria existe; onde est a anti-matria?

Um mecanismo qualquer, at agora desconhecido, permitiu o aparecimento de maior quantidade de matria do que de anti-matria, pois se existissem em iguais quantidades aniquilar-se-iam totalmente, e no estaramos aqui para nos interrogarmos sobre esta questo...Seja como for, o balano final traduziu-se num excesso de algumas partculas de matria, mergulhadas num banho de fotes. Aos 10-6s: o abaixamento da densidade de energia permitiu que se formassem os protes e os neutres. Porm, as temperaturas ainda muito elevadas no permitiam a constituio de ncleos atmicos estveis.

Aos 3min: ficam finalmente reunidas as condies para que protes e neutres se associem e formem os primeiros ncleos: nucleossntese cosmolgica.Como a temperatura continuava a baixar rapidamente, a nucleossntese s pde continuar at aos 15min.

Formaram-se apenas os ncleos de: Deutrio (1 proto e 1 neutro) Trtio (1 proto e 2 neutres) Hlio (2 protes)Os ncleos de hidrognio haviam j sido criados, pois consistem apenas num proto. Hlio-3 (2 protes e 1 neutro) Ltio (3 protes e 4 neutres)http://pegasus.phast.umass.edu/a101/images/hydrogen.jpg

As medies efectuadas indicam que o Universo composto por 75% de hidrognio, 24% de hlio e 1% dos restantes elementos, o que est de acordo com o modelo do Big Bang. Temos assim mais uma evidncia experimental a favor deste modelo.A partir deste momento, o Universo deixou de ter capacidade para criar novos elementos, ficando reduzido essencialmente a H e He, ainda hoje os principais constituintes do Universo.http://map.gsfc.nasa.gov/ContentMedia/990403b.jpg

Quando o Universo tinha 300 000 anos formaram-se por fim tomos estveis: os electres ficaram aprisionados nos tomos, desacoplando-se dos fotes e deixando-os livres: o Universo, que at a era opaco (porque os fotes estavam acoplados aos electres), tornou-se transparente.

Todos os restantes elementos qumicos que conhecemos foram formados (e continuam a s-lo) muito depois, no ncleo das estrelas, onde as temperaturas atingidas possibilitam novamente a ocorrncia de reaces nucleares: somos poeira das estrelas...http://www.immr.tu-clausthal.de/geoch/pse/pse.gif

Ao aquecer um pedao de ferro, este adquire vrias cores, dependendo da temperatura atingida .Verifica-se que, depois de muito aquecido, vai arrefecendo at temperatura ambiente, mas apresentando sempre um espectro contnuo, em que o comprimento de onda da radiao mais intensa inversamente proporcional temperatura absoluta.A este fenmeno d-se o nome de radiao do corpo negro: qualquer corpo que tenha sido uniformemente aquecido emite sempre uma radiao cujo espectro permite determinar a temperatura actual desse corpo.http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/LAD/C3/graphics/C3_radiation_03.gif

Ento, se o Universo foi submetido como um todo a temperaturas elevadssimas h muitos anos atrs, nos nossos dias deve estar a emitir uma radiao de fundo correspondente sua temperatura actual.De facto aps o Big Bang, e medida que o Universo foi ficando menos denso, a interaco da matria e da radiao tornou-se menos eficaz. Como vimos, 300 000 anos aps o Big Bang o Universo tornou-se transparente, com a formao de tomos estveis.

Assim, a radiao csmica de fundo estabelecida nesta altura, e em 1956 Penzias e Wilson detectaram finalmente a msica do Universo, a radiao indicativa de que todo o Universo tinha estado, tempos atrs, homogeneamente sujeito a elevadas temperaturas (a anlise deste espectro indica uma temperatura actual para o Universo de 2,7K).Fonte: Microsoft Encarta Encyclopedia 2000

Na RCF pode residir tambm a prova fulcral de que realmente se verificou um perodo inflacionrio: ondas gravitacionais primordiais podero ter deixado a a sua impresso.Na realidade, o vcuo a que nos referimos normalmente como sendo a completa ausncia de matria no completamente vazio, ou seja, um falso vcuo...Fonte: Scientific American January 2001

Como vimos anteriormente, pares de partculas e anti-partculas so criadas a partir do nada, orbitando-se mutuamente, para logo de seguida, em intervalos de tempo curtssimos, se desintegrarem numa exploso de energia.Uma destas partculas o gravito, intermedirio da interaco gravtica. Pares de gravites esto constantemente a aparecer e desaparecer. Porm, durante a inflao, estes gravites tero sido separados muito antes de desaparecerem; tornaram-se partculas reais.Fonte: elaborao prpria.

Ainda mais: a expanso extremamente rpida do Universo ter esticado o comprimento de onda destas partculas de uma escala microscpica a macroscpica. Assim, a inflao ter gerado um espectro de ondas gravitacionais primordiais que reflectem as condies do Universo nos primeiros momentos aps o Big Bang; se realmente forem detectadas, sero a relquia observvel mais antiga no Universo.Fonte: Scientific American January 1999

Se o Universo tivesse um lado de fora e pudssemos v-lo em perspectiva, seria tudo muito mais fcil. Porm, tal impossvel...

A nossa experincia do dia-a-dia indica-nos que o espao plano em escalas pequenas: linhas paralelas nunca se encontram; a soma dos ngulos internos de um tringulo 180; o permetro de uma circunferncia 2r...

Porm, tal como estaramos a incorrer num erro ao concluir que a Terra plana s porque uma pequena rea assim o parece, tambm errado concluir que o espao plano em larga escala s atravs destas observaes.Existem outras duas possibilidades para a sua geometria consistentes com a homogeneidade e isotropia do espao, que so a da geometria esfrica ou fechada e a geometria hiperblica ou aberta.http://www.ozskywatch.com/amaz/try/shape/intro/flat.gif

Universo planoUniverso EsfricoUniverso Hiperblicohttp://www.jyi.org/volumes/volume5/issue9/images/cull_1.jpg (imagem alterada)

Universo EsfricoUniverso Hiperblico Linhas paralelas acabam por se encontrar Linhas paralelas divergem Soma dos ngulos internos de um tringulo >180 Soma dos ngulos internos de um tringulo < 180 O permetro de uma circunferncia menor que 2r. O permetro de uma circunferncia maior que 2r. Espao finito. Espao infinito.

Estas trs geometrias tm efeitos bastante diferentes em perspectiva, o que distorce qualquer efeito que possa aparecer na radiao csmica de fundo do Big Bang. Os estudos at agora efectuados indicam que o Universo , de facto, plano.http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/wmap-findgeometrysm.jpg

Chart4

0.7

0.048

0.25

Sheet1

Energia escura70%

Matria Barinica5%

Matria escura25%

Sheet1

Sheet2

Sheet3

Tem este nome porque a sua massa no se encontra principalmente em baries (neutres e protes) que constituem todos os elementos conhecidos, mas numa outra partcula ou estrutura elementar, talvez inteiramente nova.http://www.astro.virginia.edu/~jh8h/Foundations/mikecosmo.gif

Podemos medir as massas das galxias medindo as velocidades das estrelas em rbita dentro delas. A velocidade das estrelas e o tamanho das suas rbitas do-nos a massa das galxias.Mas, quando pesamos as galxias desta forma, verificamos que elas so cerca de 10 vezes mais pesadas do que a soma das massas de todas as estrelas que as compem (caso contrrio as estrelas, com as suas altas velocidades, simplesmente afastar-se-iam, e as galxias desapareceriam igualmente).

A matria escura tambm revela a sua presena gravitacional de outras formas. A gravidade encurva os raios de luz e, assim, a concentrao de matria escura pode ser detectada e medida pela sua influncia sobre a luz de objectos que esto por detrs dela.http://www.amnh.org/exhibitions/einstein/revolution/images/a2218c_hst.jpg

Em 1929, Edwin Hubble constatou que todas as galxias se esto a afastar (ou melhor, o espao entre elas est a expandir-se). Desde ento a dvida tem sido se a gravidade resultante de toda a matria do Universo ser suficiente para travar esta expanso, facto que condiciona o seu destino ltimo.

Agora, observaes de supernovas em galxias a diferentes distncias indicam-nos que a expanso afinal est a acelerar. Como explicar este facto? Um Universo composto apenas de matria dita normal no pode comportar-se desta forma, j que a gravidade sempre atractiva...Porm, Einstein previu que a expanso pode acelerar se uma forma de energia extica, energia de vcuo, preencher todo o espao (a famosa constante cosmolgica).

Ao contrrio das formas comuns de massa e energia, a energia de vcuo adiciona gravidade repulsiva e pode conduzir o Universo a uma expanso cada vez mais rpida. Admitindo esta possibilidade extraordinria, as observaes ficam explicadas. Assim, a energia escura ser esta energia de vcuo, que est a provocar a espanso acelerada do Universo. Porm, ainda est por descobrir do que se trata realmente...http://dsc.discovery.com/news/briefs/20030908/gallery/darkenergy_goto.jpg

As ltimas observaes indicam-nos que a expanso est a acelerar. Mas onde que ela nos levar? No sabemos se a constante cosmolgica de facto constante; se no o for, o futuro do Universo depender da forma como esta variar.

E pode existir um precedente para estas variaes a expanso inflaccionria no Universo primordial. Talvez o Universo esteja a entrar numa nova era de inflao, que eventualmente ter um fim.3 Fonte: Scientific American January 1999 (imagem alterada)

HAWKING, Stephen, O Universo numa Casca de Noz, Gradiva Editora, 1 edio, Julho de 2002. GRIBBIN, John, Procura do Big Bang Cosmologia e Fsica Quntica, Editorial Presena, 1 edio, Liboa, 1988. HOGAN, Craig J., O Pequeno Livro do Big Bang Uma Cartilha Csmica, Editora Replicao, 1 edio, Maro 2001. DAVIES, Paul, The Last Three Minutes Speculating About the Fate of the Cosmos, coleco Science Masters, Editora Phoenix, 2001. MOCH, Dinah, L., Astronomia, Gradiva Editora, 1 edio, Julho de 2002, Lisboa. SILVA, Maria Helena Dias, SANTOS, Maria da Piedade Martins, SILVA, Jos Dias, Velhos Rumos Caminhos Outros Qumica A 10 ano, Pltano Editora, 1 edio, Maio 2003, Lisboa. Microsoft Encarta Encyclopedia 2000.

Revista Scientific American, January 2001 (edio americana)Revista Scientific American January 1999 (edio americana)Os vdeos apresentados ao longo deste trabalho foram retirados do site:http://archive.ncsa.uiuc.edu/Cyberia/Cosmos/CosmicMysteryTour.html