O Big Bang completa 50 anos

Arno Penzias e Robert Wilson não sabiam, em 1964, que haviam descoberto a radiação cósmica de fundo. Seus dados coincidiam com as previsões teóricas

Arno Penzias (esquerda) e Robert Wilson, em 1993, em frente à antena dos laboratórios Bell com a qual descobriram, em 1964, a radiação cósmica de fundo.
Arno Penzias (esquerda) e Robert Wilson, em 1993, em frente à antena dos laboratórios Bell com a qual descobriram, em 1964, a radiação cósmica de fundo.roger ressmeyer (corbis)

Há vezes em que a descoberta científica vem de onde menos se espera. No caso de Arno Penzias e Robert Wilson, eles nem sequer sabiam o que seus dados continham até que físicos teóricos começaram a fazer especulações sobre os primórdios do universo. Aconteceu que sua descoberta e aquelas hipóteses coincidiram, tanto que a então incipiente teoria do Big Bang convenceu o mundo científico, enquanto que revolucionou a visão cosmológica da humanidade. O universo, no século 20, deixou de ser estático (para a maioria) e imutável, para adquirir uma história, uma evolução e um começo. Foi há 50 anos e os fatos daquela descoberta de Penzias e Wilson da radiação de fundo de micro-ondas, às vezes chamada de eco do Big Bang, ainda são fascinantes. Um avanço: o Instituto Smithsonian lembrava há alguns dias “como duas pombas ajudaram os cientistas a confirmar a teoria do Big Bang”.

“Começamos procurando um halo em torno da Via Láctea e encontramos outra coisa”, lembra Wilson. “Quando um experimento vai mal, normalmente, é o melhor; o que vimos foi muito mais importante do que o que estávamos procurando: foi realmente o início da cosmologia moderna”. Em 1978, ele recebeu, com Penzias, o Prêmio Nobel de Física.

Entre os cientistas interessados no cosmos, a emoção vinha desde a descoberta de Edwin Hubble, em 1929, de que as galáxias no universo estão se afastando umas das outras e, quanto mais distantes, maior a sua velocidade de recessão. Então, se alguém retrocede a sequência fazendo com que as galáxias se aproximem umas das outras, chegaria um momento em que todo o universo estaria concentrado em um ponto de máxima densidade e temperatura a partir da qual, colocando o filme para frente, teríamos o cosmos na expansão que os astrônomos observaram. Curiosamente, foi uma ridicularização da ideia em si mesma por parte de Fred Hoyle, que nunca concordou com ela, a que deu o nome de Big Bang, a grande explosão inicial.

Mapa de variações de temperatura na radiação cósmica de fundo realizado com os dados do telescópio espacial ‘Planck’.
Mapa de variações de temperatura na radiação cósmica de fundo realizado com os dados do telescópio espacial ‘Planck’.ESA

Vários físicos teóricos haviam estado explorando como e quando os elementos nesse cosmos superdenso inicial teriam se formado, e seus cálculos coincidiam perfeitamente com os dados observados. A ideia do Big Bang como a história do universo estava ganhando corpo. E chegou a hora de Penzias e Wilson. Em 1963, estes dois radioastrônomos estavam dispostos a preparar uma antena de comunicações nos laboratórios Bell para pesquisar o céu. Eles tinham que calibrar os equipamentos para subtrair a radiação terrestre e galáctica, assim como o ruído da própria antena, das observações científicas que fizeram.

Mas, em seguida, surgiu “o problema”, lembrava Wilson na semana passada, no dia do aniversário da descoberta realizada no Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica. O problema era um ruído de fundo imprevisto. Eles não chegaram a identificar a sua origem, revisaram tudo de novo e de novo e, inclusive, chegaram a suspeitar do “material dielétrico branco” – como Penzias o chamou muito elegantemente – depositado por dois pombos que rondavam a antena. Eles limparam e o sinal continuava lá. A direção em que apontavam para o céu era indiferente. Passaram a primavera e o verão de 1964 neste trabalho sem serem capazes de explicar a origem da radiação de micro-ondas que parecia envolver tudo e que tinha uma temperatura igual a cerca de 3,5 graus acima do zero absoluto.

Uma conversa com um colega rendeu uma pista: um grupo de físicos teóricos da Universidade de Princeton trabalhava com a hipótese de que a radiação daquele universo primitivo, superconcentrado e superquente teria se resfriado pela expansão do universo e seria, agora, equivalente a poucos graus acima do zero absoluto.

A descoberta, que confirmou a ideia da grande explosão, foi publicada em 1965

Penzias e Wilson publicaram o artigo histórico sobre sua descoberta da radiação em torno de 3,5 graus em maio de 1965, sem fazer qualquer interpretação da mesma e citando uma nota na mesma revista Astrophysical Journal de quatro cientistas de Princeton (Robert H. Dicke, Jim Peebles, P.G. Roll e David Wilkinson) sobre a interpretação cosmológica da radiação de fundo de micro-ondas. A verdade é que vários cientistas também tinham avançado nessas hipóteses.

“Então, soubemos que não só a vida é um fenômeno evolutivo e espontâneo, mas que todo o universo também é. A hipótese contrária já não era mais necessária e, quando digo soubemos, me refiro a quem não nega sistematicamente todas as evidências”, resume Álvaro de Rújula, físico teórico do Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) e o Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) .

“A descoberta de Penzias e Wilson marcou um antes e depois para a teoria do Big Bang. Desde então, como não levá-la sério? Sua experiência inaugurou o que chamamos de cosmologia observacional”, comenta Enrique Fernández, catedrático da Universidade Autônoma de Barcelona.

Mas o que era essa radiação difusa de micro-ondas na abóbada celeste?

Durante os primeiros tempos após a explosão inicial, o universo estava muito quente para que os átomos fossem estáveis. Neste ambiente de núcleos e elétrons soltos, os fótons de luz não podiam circular livremente e o cosmos era como uma sopa opaca. Mas quando o universo tinha cerca de 380.000 anos, havia se resfriado o suficiente para que se formassem átomos neutros e os fótons começaram a viajar livremente. O universo se tornou transparente. Aqueles fótons eram, então, de altíssima energia, mas agora, 13,820 bilhões de anos depois, se resfriaram no universo em expansão até essa temperatura equivalente de poucos graus kelvin da radiação que Penzias e Wilson descobriram.

Os dois cientistas detectaram o inesperado sinal ao calibrar uma antena

Surgiu, então, outro problema com o Big Bang: se aquela radiação primitiva era tão uniforme, como explicar a origem das galáxias e os grupos delas vistos no céu? Os cientistas demoraram a resolver o paradoxo: em 1992, o satélite COBE descobriu que essa radiação de fundo não era uniforme, mas que tinha variações minúsculas de temperatura, o que abria a porta para uma explicação. Tais flutuações seriam como sementes das galáxias e grupos galácticos. Depois, outro satélite, o WMAP, conseguiu captar mais detalhes sobre o universo primitivo. E o último mapa feito pelo telescópio espacial europeu Planck, por ora, tem uma maior resolução das minúsculas variações de temperatura, da radiação de fundo.

“Meio século após a descoberta da radiação de fundo de micro-ondas, nos encontramos em uma época dourada da cosmologia de precisão”, diz Enrique Martínez, pesquisador do Instituto de Física de Cantábria. “Seu maior expoente", enfatiza, são os resultados do Planck, que “permitiram determinar os parâmetros cosmológicos do modelo padrão [do Big Ban] com uma precisão melhor do que 1%”.

“A descoberta da radiação cósmica de fundo, prevista pela teoria do Big Bang, não só convenceu a comunidade científica da validade da origem quente do universo, mas abriu as portas para a busca das flutuações que mais tarde cresceriam para dar lugar às galáxias e toda a estrutura em grande escala do universo, que foi descoberta 30 anos mais tarde e que nos está permitindo hoje em dia conectar o universo primitivo (a teoria da inflação cósmica) com o universo atual em expansão acelerada”, resume Juan García Bellido, professor da Universidade Autônoma de Madrid.

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