Era uma vez, quase 14 bilhões de anos atrás, um evento espetacular aconteceu.

O universo e tudo o que ele contém, incluindo matéria, radiação, partículas exóticas, e talvez conceitos ainda mais abstratos, como tempo e leis físicas, entrou em existência.

Ao estudar como o universo evoluiu ao longo do tempo, é possível "calcular retroativamente" e formar uma imagem das condições físicas de um bilhão de anos, mil anos, um dia, um segundo, ou um nanossegundo após o Big Bang. Quanto mais para trás no tempo, quanto mais extremas as condições eram, e quanto mais rápido o universo evoluiu.

Mas uma coisa é entender as equações que descrevem a temperatura, ou a criação de novas partículas, ou outra coisa. Qual seria a sensação de realmente testemunhar isso? Qual seria a sua aparência? O que você experimentaria?

Vamos descobrir. Devemos primeiro equipar nosso observador - vamos chamá-la de Alice, já que estou ouvindo a música "Alice" de Tom Waits, e, uma vez que é um nome popular para vítimas de experimentos mentais, com um traje espacial mágico ^TM , capaz de suportar calor extremo, pressão, densidade, radiação, e esticar. Ela também precisará de um par de óculos de sol, porque até o universo ter um milhão de anos ele era incrivelmente brilhante.

Você pode acompanhar a jornada de Alice no gráfico interativo abaixo. Mas antes de partirmos, precisamos estabelecer algumas coisas.

Como sabemos o que aconteceu?

Porque a luz não viaja infinitamente rápido, vemos tudo como era no passado. Quando você verifica seu telefone, você olha um nanossegundo para trás no tempo, já que foi esse o tempo que as partículas de luz levaram para percorrer 30 centímetros. Quando você olha para a Lua, você parece um bom segundo de volta no tempo, porque a Lua tem 400, 000 quilômetros de distância. E quando você observa uma galáxia a um bilhão de anos-luz de distância, você está, na verdade, olhando um bilhão de anos atrás no tempo.

Podemos medir a densidade, temperatura, e outras quantidades físicas do universo. Observar a velocidade das galáxias nos mostra que o universo está se expandindo. Se calcularmos para trás, podemos calcular as condições físicas em épocas anteriores.

Desta maneira, na verdade, temos bastante certeza sobre o que aconteceu até menos de um segundo após o Big Bang. Isso ocorre porque não podemos apenas calcular, mas também realizar experimentos em grandes aceleradores de partículas, como o CERN, para recriar as condições que prevaleciam naquela época, e confirme que não estamos completamente errados.

Mas não sabemos nada sobre a primeira fração de uma fração de segundo - a chamada "Época de Planck". Neste momento, as condições eram tão extremas que as leis físicas falham. Talvez nem mesmo faça sentido falar sobre espaço e tempo neste ponto da história do universo. Quão grande é o universo?

Infinito ... Talvez ...

Não sabemos quão grande é o universo. Só podemos ver a parte de onde a luz teve tempo de chegar até nós. Esta parte é chamada de "universo observável, "e porque o universo tem 13,8 bilhões de anos, você pode pensar que podemos olhar 13,8 anos-luz em todas as direções. Mas porque se expande, é um pouco maior, na verdade, uns bons 46 bilhões de anos-luz.

Nós presumimos, embora não tenhamos certeza, que o universo fora de nossa pequena bolha continua para sempre. Se isso for verdade, então "nasceu" infinitamente grande. Embora realmente faça sentido físico falar sobre um universo infinitamente grande que cresce ou encolhe, é sem dúvida difícil de visualizar. Portanto, normalmente consideramos o tamanho do universo observável.

É importante saber que, não importa o tamanho do universo, o Big Bang não foi uma "explosão" no sentido de que uma massa densa de matéria começou a se espalhar pelo espaço. Em vez, foi a criação do espaço, e talvez o próprio tempo, e a subsequente expansão deste espaço.

Isso levanta a questão, "em que se expande?" e "o que está lá fora?" É difícil imaginar um universo infinito em expansão, muito menos um universo finito que não está embutido em algum espaço dimensional maior. Mas, no entanto, isso é o que pensamos que está acontecendo. Em outras palavras, está simplesmente se expandindo "em si".

Agora, com "Cosmologia 101 'fora do caminho, vamos nos juntar a Alice quando ela começar sua jornada.

Inflação no escuro

Como acima mencionado, não sabemos nada sobre a primeira fração de segundo. Nós sabemos, Contudo, que tudo era extremamente denso, porque o que mais tarde se tornará nosso universo observável é neste momento menor do que um núcleo atômico.

Primeiro, a gravidade é criada, e então a força nuclear "forte". Algumas partículas exóticas precipitam desta densidade de energia extrema, incluindo o bóson de Higgs, que é responsável pelo próprio conceito de massa.

Mas no inicio, Alice não aprecia nada deste inferno. A luz ainda não foi criada, então para ela, tudo está escuro.

De repente, o próprio espaço começa a se expandir exponencialmente rápido.

Esta era é chamada de "inflação, "e quando chega a hora de parar, o que mais tarde se tornará o universo observável, em uma fração de segundo, cresceu de ser menor que um núcleo atômico para 20 metros de diâmetro. Ainda é apenas do tamanho de uma casa, mas relativamente falando, o universo cresceu tanto durante essa fração de segundo quanto desde então.

O que quer que esteja no espaço deve seguir a expansão. Exceto o traje espacial mágico de Alice, é claro, e que sorte, porque sem ela a cabeça e os pés, que neste momento são muito maiores do que o universo observável, seria dilacerado em 20 bilhões de anos-luz.

Depois da inflação, tudo continua a se expandir. Ao mesmo tempo, a temperatura cai. É como quando o gás de um isqueiro apagado parece frio:o gás é comprimido dentro do isqueiro, mas quando escapa, ele se expande e esfria.

... e havia luz

Durante a inflação, o universo esfria brevemente a partir de um bilhão de bilhões de bilhões de graus, a quase zero absoluto. Mas quando a inflação acabar, assim como Alice pensa "Brrr ... talvez esteja ficando um pouco frio, "o chamado processo de reaquecimento aumenta a temperatura novamente para 10 bilhões de trilhões de graus. Neste momento, novas espécies de partículas são criadas, incluindo luz na forma de fótons.

Porque a temperatura é incrivelmente alta, todas as partículas são muito ricas em energia, e a grande maioria dos fótons são, portanto, raios gama. Mas uma pequena parte do espectro de luz se estende sobre os raios-x, luz ultravioleta, e luz visível, o que é do maior interesse para Alice.

Então, qual é a primeira cor que Alice observa? Qual era a cor do Big Bang?

O termo "cor" é de fato um conceito psicológico. A cor que o cérebro percebe depende da distribuição da luz nas três faixas de comprimento de onda detectadas pelos cones dos olhos, ou seja, vermelho, verde, e azul.

Se algo emite luz porque está quente, você pode calcular seu espectro e, posteriormente, descobrir sua cor em vermelho, verde, e azul. A própria Alice não é tão calorosa, então ela emite principalmente na luz infravermelha de fraca energia, e um olho humano não é sensível o suficiente para perceber a pequena parte dele que fica no espectro visível.

Um pedaço quente, o ferro incandescente emite principalmente no vermelho. Se ficar muito quente, ele emite quase igualmente em vermelho, verde, e azul, e isso é interpretado pelo cérebro como "luz branca".

Se a temperatura estiver suficientemente alta, o espectro atinge o pico no azul, e no limite de uma temperatura infinita, a cor se aproxima de um matiz azul safira.

Assim, o que Alice vê ao seu redor é o azul safira desta sopa quente de plasma quark-gluon, conforme mostrado na imagem abaixo.

O traje espacial de Alice é, obviamente, equipado com um medidor eletrônico de cores, e ela mede a saturação de cores do universo em 63 por cento, 71 por cento, e 100 por cento em vermelho, verde, e azul, respectivamente.

Isso é, ela faria se tivesse funcionado, mas o universo ainda tem apenas 1/100 de um milionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo de idade, e eletricidade ainda não existe.

Alice deve esperar um picossegundo completo (0,000000000001 segundos) antes que a força eletromagnética seja criada. Isso pode não parecer uma longa espera, mas como tudo no espaço e no tempo, tudo é relativo. Para Alice, esse tempo de espera adicional é igual a cem quintilhões de vezes mais do que todo o seu tempo de viagem até agora.

Alice ganha peso

Neste momento, a força "fraca" também é criada. Isso significa que todas as quatro forças do universo agora estão estabelecidas, os outros três são a força eletromagnética, gravidade, e a força "forte".

Estritamente falando, todas essas forças já existiam, mas eles foram fundidos como uma única força unificada até que começaram a se separar em suas forças "individuais".

Com essas quatro forças no lugar, partículas agora podem interagir com o bóson de Higgs e, portanto, ganhar massa. Para Alice, isso significa que ela agora pesa alguma coisa. Mas, uma vez que os padrões de moda pervertidos não existirão por mais 13,8 bilhões de anos, ela não está tão preocupada com esse aumento repentino de peso.

Caroços na sopa

Os arredores de Alice são muito chatos; tudo está completamente distribuído uniformemente, então não importa para onde ela olhe, ela vê a mesma coisa.

Mas espere ... pequenas irregularidades são formadas pelo princípio da incerteza da mecânica quântica, que diz que há um limite inferior fundamental, em termos de quão exato faz sentido ser ao falar sobre a posição de um objeto.

A mecânica quântica descreve processos em escalas muito pequenas, do tamanho dos átomos e abaixo. Mas por causa da extrema expansão, as pequenas não homogeneidades são aumentadas em proporções consideráveis.

E que sorte. Se tudo tivesse corrido bem, permaneceria assim para sempre. Mas ao invés, existem protuberâncias muito pequenas que pesam um pouquinho mais do que seus arredores e, portanto, podem puxar um pouco mais de matéria. Isso permite que eles cresçam e, eventualmente, formem a estrutura do universo que se transforma em galáxias, estrelas, planetas, e finalmente, nós.

Matéria escura para o resgate

Mas é a matéria capaz de se aglomerar o suficiente, antes que a expansão o separe demais? (Alerta de spoiler:Sim, ou então você não estaria lendo isso.)

Na realidade, se a única coisa que existisse fosse o que Alice pode ver, então isso não poderia acontecer. Mas felizmente, para cada grama de matéria existem cerca de cinco gramas de alguma outra, matéria invisível que fornece a gravidade adicional necessária para permitir que a matéria se aglomere. Nós chamamos isso, matéria escura.

O universo agora esfriou para 10 milhões de bilhões de graus e é quase tão grande quanto a distância da Terra ao Sol hoje. A moita que um dia se transformará na Via Láctea tem um raio de 100 quilômetros, aproximadamente o tamanho de Serra Leoa.

O universo fica mais lento

O universo continua se expandindo por causa da velocidade que adquiriu com a inflação, mas a taxa de expansão desacelera lentamente devido à atração mútua de todas as partículas.

Contudo, mesmo um nanossegundo completo após o Big Bang, a expansão é tão rápida que objetos a mais de um metro de distância de Alice, estão se afastando dela mais rápido do que a velocidade da luz. Apenas um microssegundo depois, está frio o suficiente para que os quarks se fundam para formar nêutrons e prótons.

O universo agora é do tamanho do Sistema Solar, mas a densidade da matéria e da radiação ainda é 1, 000 vezes maior do que uma estrela de nêutrons, a coisa mais compacta que existe hoje.

Gêmeos malvados

Alice agora não vê apenas partículas, mas também antipartículas que passam a existir.

Uma antipartícula é como o gêmeo do mal da partícula, e se uma partícula encontra sua antipartícula, ambas deixam de existir e novas partículas são criadas. Algumas dessas novas partículas são fótons - luz.

Por razões que ainda não entendemos, para cada 10 bilhões de antipartículas que existiam, havia 10 bilhões e uma partícula, dar ou pegar.

Com uma grande velhice de um segundo, o universo agora aumentou para 10 anos-luz de raio, e todos os antiprótons foram aniquilados com prótons, antineutrons com nêutrons, e assim por diante. O minúsculo excedente de partículas "normais" é o que hoje compõe o cosmos visível.

Quente e brilhante, com risco de nevoeiro

Mais dez segundos se passam e os elétrons e antielétrons aumentam. O universo agora esfriou a alguns bilhões de graus, mas desde 99,99999999 por cento de todas as partículas são convertidas em luz pura, o universo de repente brilha com uma luz deslumbrante.

No início deste inferno de partícula come partícula, a densidade é tão alta que Alice literalmente não consegue ver uma mão na frente de seu rosto porque a luz é constantemente espalhada pelos elétrons.

Mas quando, de repente, a maioria dos elétrons desaparece no azul (safira), a visibilidade aumenta para ... rolo de tambor, por favor ... quão grande pode ser? Um zilhão de anos-luz? Ah, não, 20 metros. Não é muito impressionante. Mas isso realmente não importa, pois não há muito para ver ainda de qualquer maneira:Atrás do véu enevoado está, Nós vamos, Apenas mais do mesmo.

Depois de alguns minutos, a temperatura caiu abaixo de um bilhão de graus, e uma época importante na história do universo começa - a nucleossíntese. Agora está frio o suficiente para que os prótons, que são na verdade o mesmo que hidrogênio, fundir-se para formar elementos mais pesados.

Ai, a felicidade tem vida curta:a densidade do universo está diminuindo devido à expansão, e aos 15 minutos, tem aproximadamente a mesma densidade da água na Terra. A nucleossíntese está chegando ao fim.

Até aqui, apenas o hélio e um pouco de lítio tiveram tempo de se formar. Todos os átomos mais pesados ​​não serão formados por centenas de milhões de anos, nas estrelas e suas explosões mortais.

É isso, pessoal. Depois de apenas um quarto de hora, o Big Bang acabou, e agora nada acontece durante milhares de anos.

Cada vez que um átomo neutro tenta se formar, o elétron é imediatamente arrancado por um fóton altamente energético. Mas em 380, 000 anos, a temperatura do universo caiu para 3, 000 graus, adquiriu uma bela tonalidade laranja-avermelhada, e é frio o suficiente para que os átomos de hidrogênio permaneçam neutros.

Consequentemente, o nevoeiro véu de elétrons é levantado e a luz escapa - se desacopla - da matéria.

O resplendor do Big Bang

O universo agora tem quase um milhão de anos-luz de diâmetro, e a luz flui livremente por todo o universo, como tem feito desde então.

Os pedaços de matéria que Alice viu se tornaram maiores, mas estão no momento do desacoplamento ainda muito pequenos; as regiões mais densas são 1/100, 000 vezes mais denso do que as regiões mais diluídas. No entanto, isso é suficiente para que a radiação liberada não exiba o mesmo comprimento de onda em todos os lugares.

E esta luz - o brilho ligeiramente irregular do Big Bang, conhecido como "fundo de micro-ondas cósmico" - é agora a coisa mais distante que podemos ver. Muito do que sabemos sobre o Big Bang, e do universo em geral, que colhemos do estudo desta luz.

Linha do tempo do Big Bang (e a história do universo)

Alice teve o melhor momento de sua vida e agora pode colocar seu traje espacial e óculos de sol de volta na prateleira.

Se nesse meio tempo você perdeu a noção do espaço e do tempo, você encontrará uma linha do tempo gráfica estendida do Big Bang (e do resto da história do universo) aqui.

Enquanto escrevia este artigo, escrevi um código chamado timeline que calcula as propriedades (tamanho, temperatura, cor, taxa de expansão, e mais) do universo em vários momentos de sua história. O código é escrito na linguagem Python, e pode ser recuperado aqui.

Esta história foi republicada por cortesia da ScienceNordic, a fonte confiável de notícias científicas em inglês dos países nórdicos. Leia a história original aqui.