Por milhares de anos, os humanos observaram as estrelas e se perguntaram como o universo surgiu. Mas não foi até os anos da Primeira Guerra Mundial que os pesquisadores desenvolveram os primeiros instrumentos de observação e ferramentas teóricas para transformar essas grandes questões em um campo preciso de estudo: cosmologia.
"Penso na cosmologia como um dos assuntos mais antigos de interesse humano, mas como uma das ciências mais recentes", disse Paul Steinhardt, cosmólogo da Universidade de Princeton que estuda se o tempo tem um começo.
Em poucas palavras, a cosmologia estuda o cosmos como uma entidade, em vez de analisar separadamente as estrelas, buracos negros e galáxias que o preenchem. Este campo faz grandes perguntas: de onde veio o universo? Por que possui estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias? O que vai acontecer a seguir? "A cosmologia está tentando fazer uma imagem em grande escala da natureza do universo", disse Glennys Farrar, físico de partículas da Universidade de Nova York.
Como essa disciplina lida com muitos fenômenos, das partículas no vácuo ao tecido do espaço e do tempo, a cosmologia se baseia fortemente em muitos campos, incluindo astronomia, astrofísica e, cada vez mais, física de partículas.
"A cosmologia tem partes totalmente da física, partes totalmente da astrofísica e partes que vão e voltam", disse Steinhardt. "Isso faz parte da emoção."
Uma história da história do universo
A natureza interdisciplinar do campo ajuda a explicar seu início relativamente tardio. Nossa imagem moderna do universo começou a se unir apenas na década de 1920, logo após Albert Einstein desenvolver a teoria da relatividade geral, uma estrutura matemática que descreve a gravidade como conseqüência da flexão do espaço e do tempo.
"Antes de entender a natureza da gravidade, você não pode realmente fazer uma teoria de por que as coisas são do jeito que são", disse Steinhardt. Outras forças têm maiores efeitos sobre as partículas, mas a gravidade é o principal ator na arena de planetas, estrelas e galáxias. A descrição da gravidade de Isaac Newton também costuma trabalhar nesse domínio, mas trata o espaço (e o tempo) como um pano de fundo rígido e imutável para medir eventos. O trabalho de Einstein mostrou que o próprio espaço podia se expandir e contrair, deslocando o universo do palco para o ator e trazendo-o para a briga como um objeto dinâmico a ser estudado.
Em meados da década de 1920, o astrônomo Edwin Hubble fez observações do telescópio Hooker de 25 polegadas, recentemente construído, de 254 centímetros, no Observatório Mount Wilson, na Califórnia. Ele estava tentando resolver um debate sobre a localização de certas nuvens no espaço que os astrônomos podiam ver. Hubble provou que essas "nebulosas" não eram pequenas nuvens locais, mas sim vastos aglomerados de estrelas distantes, semelhantes à nossa Via Láctea - "universos de ilhas" na linguagem da época. Hoje, nós as chamamos de galáxias e sabemos que elas são numeradas em trilhões.
Os maiores transtornos na perspectiva cósmica ainda estavam por vir. O trabalho de Hubble no final dos anos 20 sugeriu que galáxias em todas as direções estão se afastando de nós, desencadeando décadas de mais debates. Eventuais medições do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) - luz que sobrou dos primeiros anos do universo e desde então esticada em microondas - na década de 1960 provaram que a realidade correspondia a uma das possibilidades sugeridas pela relatividade geral: começando pequeno e quente, o universo ficando maior e mais frio desde então. O conceito ficou conhecido como a teoria do Big Bang e abalou os cosmólogos porque implicava que mesmo o universo poderia ter um começo e um fim.
Mas pelo menos esses astrônomos podiam ver o movimento das galáxias em seus telescópios. Uma das mudanças mais sísmicas da cosmologia, disse Farrar, é a idéia de que a grande maioria das coisas lá fora é feita de outra coisa, algo completamente invisível. O material que podemos ver representa pouco mais que um erro de arredondamento cósmico - apenas cerca de 5% de tudo no universo.
O primeiro habitante dos outros 95% do universo, que passou a ser chamado de "setor sombrio", ergueu a cabeça na década de 1970. Naquela época, a astrônoma Vera Rubin percebeu que as galáxias estavam girando tão rápido que deveriam se separar. Mais do que coisa difícil de ver, disse Farrar, o material que mantinha as galáxias unidas devia ser algo totalmente desconhecido para os físicos, algo que - exceto por sua força gravitacional - ignora completamente a matéria e a luz comuns. Um mapeamento posterior revelou que as galáxias que vemos são simplesmente núcleos no centro das colossais esferas da "matéria escura". Os filamentos de matéria visível que se estendem pelo universo estão pendurados em uma moldura escura que supera as partículas visíveis de cinco para um.
O Telescópio Espacial Hubble, em seguida, descobriu sinais de uma variedade inesperada de energia - que os cosmólogos dizem agora ser responsável pelos 70% restantes do universo depois de contabilizar a matéria escura (25%) e a matéria visível (5%) - nos anos 90, quando registrou a expansão do universo acelerando como um trem em fuga. A "energia escura", possivelmente um tipo de energia inerente ao próprio espaço, está separando o universo mais rapidamente do que a gravidade pode unir o cosmos. Em um trilhão de anos, todos os astrônomos deixados na Via Láctea se encontrarão em um verdadeiro universo insular, envolvido pela escuridão.
"Estamos em um ponto de transição na história do universo, de onde é dominado pela matéria para onde é dominado por uma nova forma de energia", disse Steinhardt. "A matéria escura determinou o nosso passado. A energia escura determinará o nosso futuro."
Cosmologia moderna e futura
A cosmologia atual empacota essas descobertas marcantes em sua conquista, o modelo Lambda-CDM. Às vezes chamado de modelo padrão de cosmologia, esse conjunto de equações descreve o universo a partir do primeiro segundo em diante. O modelo assume uma certa quantidade de energia escura (lambda, por sua representação na relatividade geral) e matéria escura fria (MDL) e faz suposições semelhantes sobre a quantidade de matéria visível, a forma do universo e outras características, todas determinadas por experimentos e observações.
Faça o filme do universo do bebê avançar 13,8 bilhões de anos, e os cosmologistas obtêm um instantâneo que "estatisticamente tem tudo o que podemos medir até certo ponto", disse Steinhardt. Esse modelo representa o objetivo a ser atingido, à medida que os cosmologistas aprofundam suas descrições do universo no passado e no futuro.
Por mais bem-sucedido que o Lambda-CDM tenha sido, ele ainda tem muitas torções que precisam ser resolvidas. Os cosmologistas obtêm resultados conflitantes quando tentam estudar a expansão atual do universo, dependendo se a medem diretamente nas galáxias próximas ou a inferem do CMB. Este modelo também não diz nada sobre a composição de matéria escura ou energia.
Depois, há aquele primeiro segundo problemático de existência, quando o universo presumivelmente passou de partículas infinitesimais a bolhas relativisticamente bem-comportadas. "Inflação" é uma teoria popular que tenta lidar com esse período, explicando como um breve momento de expansão ainda mais rápida explodiu minúsculas variações primordiais na desigualdade em larga escala das galáxias de hoje, bem como como as entradas do Lambda-CDM obtiveram seus valores .
Ninguém sabe como a inflação funcionou em detalhes, no entanto, ou por que parou onde provavelmente deveria. Steinhardt disse que a inflação deveria ter continuado em muitas regiões do espaço, o que implica que o nosso universo é apenas uma fatia de um "multiverso" contendo todas as realidades físicas possíveis - uma ideia não testável que muitos experimentalistas acham inquietante.
Para progredir em questões como essas, os cosmólogos buscam medições de precisão de telescópios espaciais como o Telescópio Espacial Hubble e o próximo Telescópio Espacial James Webb, bem como experimentos no campo emergente da astronomia de ondas gravitacionais, como a National Science Foundation. Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser. Os cosmologistas também se juntam a físicos de partículas e astrofísicos em uma corrida interdisciplinar para detectar partículas de matéria escura.
Assim como a cosmologia não poderia começar até que outros ramos da física amadurecessem, ela não poderá terminar de revelar a história do universo até que outras áreas sejam mais completas. "Para esclarecer a história, você precisa trabalhar essencialmente tudo as leis da física em todas as escalas de energia e em todas as condições ", disse Steinhardt. "E uma mudança em qualquer um deles pode mudar radicalmente a história cosmológica".
Farrar disse que não sabe se isso vai acontecer, mas admira que as pessoas tenham compreendido as complexidades do universo tanto quanto elas. "É incrível que o cérebro humano tenha evoluído a tal ponto que aparentemente essas perguntas possam ser respondidas", disse ela. "Alguns deles, pelo menos."
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