A questão de como o Universo começou e como vai terminar tem intrigado a humanidade durante milénios. Os antigos gregos e muitas outras civilizações acreditavam que o nosso Universo é eterno. Aristóteles foi um dos primeiros a pensar de forma diferente, sugerindo que o Universo estava confinado naquilo que chamou de "esfera celestial". Para surpresa de todos, por volta de 1930 foi descoberto que o Universo não é infinitamente velho, mas tem uma idade finita. O astrónomo Edwin Hubble fez a incrível observação de que todas as galáxias se afastam umas das outras. Portanto, deve assumir-se que estavam mais próximas há 1000 anos do que estão hoje, mais próximas ainda há 1 milhão de anos e assim por diante. Finalmente, em algum momento no passado, há cerca de 13,7 mil milhões de anos, toda a matéria no Universo deve ter sido comprimida a uma densidade e temperatura enormemente grandes.

O Big Bang. Fonte da imagem: Counterbalance Foundation

Como a expansão a partir deste estado inicial prossegue como uma explosão gigantesca, esta teoria ficou rapidamente conhecida como o Big Bang. Originalmente, o nome "Big Bang" foi usado ironicamente e cunhado pelos opositores da teoria, porque na década de 1930 parecia inconcebível a muitas pessoas que o universo não fosse infinitamente velho. No entanto, o nome Big Bang é usado desde então porque apelou à imaginação de cientistas e leigos.

Atualmente, a teoria do Big Bang é a teoria mais aceite sobre a origem do Universo — mas está longe de estar completa. A teoria do Big Bang explica como o Universo pode ter evoluído após a sua criação, mas há muitas outras questões cosmológicas. Como aconteceu o Big Bang? E se o nosso Universo está a expandir-se, em que se está a expandir? Algumas destas questões são novos e emocionantes desafios para os astrônomos, enquanto outras são simplesmente desconcertantes. Por exemplo, sabemos o que aconteceu ao Universo a partir de uma fração de segundo após o Big Bang, mas não podemos explicar completamente a primeira fração de segundo, onde o espaço e o tempo foram criados. Portanto, se perguntar o que havia antes do Big Bang? Bem, nada, porque o espaço e o tempo não existiam até ao Big Bang, por isso não há antes do Big Bang e não havia nenhum lugar para nada estar.

A teoria do Big Bang afirma que toda a matéria existia desde o início, mas estava toda num único lugar. Antes do Big Bang, não havia tempo nem espaço. Hubble descobriu que as galáxias se afastavam umas das outras, o que levou à ideia do espaço em expansão. Isso significa que não é o movimento das próprias galáxias que as afasta umas das outras. É o próprio espaço que está a mover as galáxias para longe umas das outras.

Na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, ele explica como cada objeto no espaço está imerso no espaço e é o próprio espaço que está a expandir-se, aumentando a distância entre os objetos. Todos os pontos de matéria e espaço estavam num único ponto antes do Big Bang, o que significa que o Big Bang aconteceu em todo o lado.

Pode ser mais fácil pensar num balão de borracha. O balão representa o espaço (bidimensional neste caso). No balão colocam-se centenas de marcadores para representar galáxias. Se encher o balão, os marcadores parecem afastar-se uns dos outros, mas na realidade a pele do balão entre cada marcador esticou-se e afastou todas as "galáxias".

Edwin Hubble percebeu que todas as galáxias se afastavam umas das outras ao observar a luz de fontes extremamente distantes. Descobriu que esta luz se tinha deslocado para o extremo vermelho do espectro visível. Isso pode ser explicado pelo Efeito Doppler, que afirma que a luz emitida por uma fonte que se afasta do observador é observada com uma frequência mais baixa.

Uma frequência mais baixa significa que a luz observada parece mais avermelhada do que a luz emitida pela fonte, e este efeito é chamado desvio para o vermelho.

Ilustração do Efeito Doppler. Fonte da imagem: epicphysics.com

O Efeito Doppler aplica-se a todos os tipos de ondas, mas é mais fácil de explicar usando o som. Imagine uma mota a mover-se em direção a um observador B. O seu motor está a emitir ondas sonoras (ruído) em todas as direções, mas, à medida que a mota avança, está a apanhar as ondas sonoras que emitiu anteriormente, o que significa que a distância entre cada frente de onda sucessiva fica menor. Isso aumenta a frequência das ondas sonoras, o que significa que B ouve um som mais agudo. Atrás da mota, o efeito é inverso, com o espaçamento entre as frentes de onda a aumentar à medida que a mota se afasta do observador A, que ouve um som mais grave.

A luz vai experimentar um efeito semelhante. Para objetos emissores de luz que se movem em direção ao observador, as ondas serão comprimidas, o que significa uma frequência mais alta e comprimentos de onda mais curtos que parecem azulados. Para as galáxias que se afastam de nós, a luz será deslocada para frequências mais baixas (comprimentos de onda maiores) e parecerá mais vermelha.

Esta imagem mostra que a luz das galáxias distantes é vermelha em vez de amarela porque se estão a afastar de nós. Fonte: ESA/NASA

As teorias sobre como era o Universo muito cedo são altamente especulativas, pois é muito difícil saber em detalhe sobre coisas que aconteceram há 13,7 mil milhões de anos.

Sabemos que no início do Universo a temperatura era tão alta que toda a matéria estava dissolvida em partículas elementares como quarks, eletrões e fotões. Não havia núcleos atómicos, átomos, estados sólidos, planetas ou estrelas. Neste ponto do tempo, apenas partículas elementares podiam existir.

Cerca de um milissegundo após o Big Bang, as temperaturas tinham arrefecido o suficiente para permitir a formação de protões e neutrões através da fusão de três quarks elementares.

Existem seis tipos diferentes de quarks. Dois deles constituem quase toda a matéria: o quark up e o quark down. Três quarks podem juntar-se para formar um protão (2 up + 1 down) ou um neutrão (1 up + 2 down).

Em 1965, dois cientistas americanos, Penzias e Wilson, construíram uma nova antena de rádio de sensibilidade sem precedentes para medir sinais de satélite. Descobriram acidentalmente uma misteriosa radiação de micro-ondas proveniente do espaço profundo, mas não faziam ideia da sua origem. Mais tarde descobriu-se que esta radiação foi criada no Big Bang. Chama-se radiação cósmica de fundo de micro-ondas e eleva a temperatura do espaço de zero até 2,7 K. A radiação é quase perfeitamente uniforme em todas as direções.

Pode até observar a radiação de fundo por si próprio! Qualquer pessoa que já tenha visto uma televisão analógica antes de estar devidamente sintonizada sabe que mostrará "estática" no ecrã. Cerca de 10% do cintilamento que se vê deve-se à radiação de fundo. Claro que isto não acontece com as televisões digitais.

De onde vem?

Após a criação dos primeiros núcleos atómicos de hidrogénio, hélio e traços de lítio, estes elementos leves ficaram imersos num mar de eletrões que teve origem em momentos ainda mais anteriores da história do Universo. Cada eletrão tem uma carga elétrica negativa, enquanto cada protão tem carga positiva. Estes protões e eletrões atraem-se mutuamente devido às suas cargas opostas, e os eletrões tentam formar nuvens em torno dos protões.

No entanto, a alta temperatura dissolvia imediatamente as nuvens e enviava protões e eletrões por caminhos aleatórios. Demorou 300.000 anos para o Universo se expandir e arrefecer o suficiente para atingir uma temperatura à qual uma nuvem de eletrões permanecesse estável. Núcleos com os eletrões que os acompanham são o que conhecemos hoje como átomos.

Os caminhos dos fotões (partículas de luz) podem ser alterados por colisões com cargas elétricas, mas não interagem com átomos neutros. Portanto, os fotões originais do Big Bang continuaram sem perturbações nos seus caminhos, uma vez que todos os eletrões foram incorporados em átomos, e vemos esses fotões hoje como a radiação cósmica de fundo. Assim, esta radiação fornece um instantâneo do Universo na sua "infância" de 300.000 anos.

A figura mostra uma imagem detalhada de todo o céu do universo jovem criada a partir de nove anos de dados do WMAP. As diferentes cores nesta imagem mostram que o Universo 300.000 anos após o Big Bang não era igual em todo o lado. As diferenças de cor indicam flutuações de temperatura que correspondem às sementes que cresceram para se tornarem as galáxias. Fonte: NASA/WMAP

Existe alguma prova da Teoria do Big Bang? De facto, esta teoria é apoiada pelas seguintes observações:

1. A expansão do Universo, pela qual as galáxias se afastam umas das outras. Isso significa que toda a matéria do Universo deve ter sido comprimida a temperaturas e densidades enormemente grandes na época do Big Bang.
2. A abundância de núcleos leves ²H, ³He, ⁴He e ⁷Li só pode ser explicada se se assumir que foram criados nos primeiros minutos após o Big Bang.
3. A observação da radiação cósmica de fundo proveniente do espaço profundo. A origem desta radiação pode ser explicada assumindo que se originou pouco depois do Big Bang.

Durante cerca de mil milhões de anos após o Big Bang, o Universo consistia apenas em hidrogénio e hélio em forma gasosa. Não havia estrelas nem planetas. Eventualmente, algumas nuvens de gás começaram a colapsar sobre si mesmas para formar protoestrelas que eventualmente ficaram quentes o suficiente para se acenderem, criando as primeiras estrelas. A partir das estrelas, formaram-se galáxias e planetas. No entanto, o nosso Sol não se formou até que gerações de estrelas tivessem surgido e desaparecido, 8 a 9 mil milhões de anos após o Big Bang.

Um único grão de pó do início do Sistema Solar. Fonte: NASA

O pó e o gás circundantes fundiram-se lentamente sob o efeito da gravidade, à medida que pedaços maiores atraíam pedaços menores. À medida que cresciam, o seu peso acabou por os tornar esféricos e eles tornaram-se planetas.

Temos sorte de que o nosso Sistema Solar se tenha formado bastante tarde. O nosso planeta é feito de rocha que não existia nos tempos anteriores do Universo. Estes elementos pesados tiveram de ser produzidos por outras estrelas e depois lançados de volta ao espaço quando as estrelas morreram. Esta matéria coletou-se então em torno do nosso Sol e formou não só a Terra, mas também Mercúrio, Vénus e Marte.

O sistema solar, constituído pelo Sol e pelos planetas, formou-se a partir de uma nuvem de gás e pó que se parecia com isto. Fonte: NASA

Mesmo que se possa medir a rapidez com que as galáxias se afastam umas das outras, não é fácil prever o que acontecerá no futuro do Universo. A expansão do Universo é principalmente impulsionada pelo Big Bang, mas a matéria no Universo pode gravitacionalmente puxar tudo de volta para o centro.

Há uma série de possibilidades e tudo depende da densidade do Universo:

1. Se a densidade do Universo for baixa, então a atração gravitacional da matéria no Universo não conseguirá superar a expansão, pelo que o Universo continuará a expandir-se para sempre. Quanto menor for a densidade, mais rapidamente se pode expandir. Isto é conhecido como o modelo do Universo Aberto.
2. Se a densidade do Universo for alta, então o Universo vai expandir-se durante algum tempo, mas vai abrandar à medida que avança até atingir um tamanho máximo. Depois, a gravidade vai puxar tudo de volta até que o Universo colapse de volta à singularidade com que começou — o que chamamos o Grande Colapso. Isto chama-se Universo Fechado, pois tem um tamanho finito e pode levar a outro Big Bang produzindo um novo Universo.
3. Se a densidade estiver exatamente na fronteira entre os dois modelos — o que chamamos densidade crítica — o Universo vai continuar a expandir-se, mas a taxa de expansão vai abrandar.

A figura ilustra os três modelos de expansão do Universo. As observações atuais parecem apoiar o modelo do Universo Aberto.

A Terra tem cerca de 4.600 milhões de anos. No início, a Terra era tão quente que tudo estava fundido. Após 500 milhões de anos a Terra tinha arrefecido o suficiente para que os oceanos se pudessem formar e o planeta se tornasse habitável. Então apareceram as primeiras formas primitivas de vida nos oceanos. Depois demorou um tempo enormemente longo (cerca de 4.000 milhões de anos) para a vida se desenvolver das primeiras formas de vida primitivas para as plantas, depois para os animais e finalmente para os seres humanos.

Os seres humanos vivem na Terra apenas há 4 milhões de anos. E apenas há menos de 100 anos a humanidade tem uma compreensão de como o Universo está estruturado e como surgiu no Big Bang.

As condições na Terra eram exatamente certas para a vida. A temperatura é exatamente certa para água líquida, suficientemente perto do Sol para usar a sua energia, oxigénio para respirar e uma lua para estabilizar o nosso clima.

Esta ilustração representa os fenómenos naturais que criaram a vida tal como a conhecemos na Terra. Fonte: California Space Institute

Muitos cientistas acham que há vida fora da Terra. Com milhares de milhões de outros sistemas estelares, parece absurdo acreditar que a Terra é o único planeta capaz de albergar vida. No nosso sistema solar, os locais mais prováveis onde poderia existir vida primitiva são Marte e uma das luas de Júpiter. Em Marte, há evidências de que existiu água no passado, e os cientistas pensam que em Europa um oceano gigantesco está sob a superfície gelada.

Em 2011, mais de 500 planetas fora do Sistema Solar tinham sido descobertos e mais planetas estão a ser encontrados o tempo todo. Em alguns deles, poderia haver exatamente as condições certas para a vida. Talvez existam civilizações técnicas muito mais avançadas do que nós. No entanto, algumas pessoas sentem que se houvesse tantos alienígenas lá fora, já teríamos visto alguns. Isto chama-se o paradoxo de Fermi, porque foi Enrico Fermi que formulou esta ideia pela primeira vez. Uma das explicações mais plausíveis para isso é que as enormes distâncias entre as diferentes civilizações avançadas não permitem o contacto. Mesmo que houvesse 1000 civilizações avançadas, se estivéssemos todos a 1000 anos-luz uns dos outros, é improvável que alguém viesse visitar a Terra.

Alguns cientistas sentem que é incrivelmente sortudo que, de todas as possibilidades infinitas de como o nosso Universo poderia ter evoluído, aconteceu que evoluiu para criar exatamente as condições certas para nós sobrevivermos. Por exemplo, na época do Big Bang havia apenas um pequeno excedente (um milionésimo de milhar) de matéria em relação à antimatéria no Universo. Se as quantidades tivessem sido exatamente iguais, toda a matéria e antimatéria teriam sido aniquiladas e transformadas em radiação, levando a um Universo aborrecido sem nada sólido, incluindo nós próprios. Se o excedente de matéria tivesse sido apenas um pouquinho maior ou menor do que o valor real, nenhuma vida teria sido possível. Se tivesse sido um pouco maior, o Universo teria colapsado devido à atração gravitacional. Simplesmente não teria havido tempo suficiente para desenvolver vida. Por outro lado, se o excedente de matéria tivesse sido apenas um pouco menor, a expansão teria sido tão rápida que nenhuma estrutura ligada poderia ter-se formado e o Universo conteria apenas partículas elementares.