Big bang quente
Hot Big Bang - este é o período do desenvolvimento do Universo, nos últimos estágios em que vivemos. Durante esse período, a parte observada do Universo era inicialmente densa e quente, e então começou a se expandir e esfriar. A expansão diminuiu até recentemente. Não se confunda: o Hot Big Bang quase certamente não começou nos primeiros momentos do universo.
Algumas pessoas chamam o Hot Big Bang (HBV) simplesmente de "Big Bang". Outros, falando do Big Bang, também implicam um período anterior. Os problemas de terminologia serão descritos no próximo artigo sobre inflação.
Quão quente estava o HBV no estado mais quente antes de começar a esfriar, e como começou?
Certamente isso ainda não é conhecido por nós. O HBV poderia começar quando o universo esquentasse no final do período de inflação. Nesse caso, o calor do HBV veio da energia escura que alimentou a inflação, e a temperatura máxima do HBV depende da quantidade de energia escura disponível.
A temperatura pode ser:
- tão grande quanto uma grande porcentagem da temperatura de Planck (e então o Universo estava tão quente que poderia criar buracos negros simplesmente devido à temperatura), e
- tão baixa quanto a temperatura correspondente à energia do Large Hadron Collider (e dificilmente seria suficiente criar partículas de Higgs).
E provavelmente não abaixo desta marca.
Às vezes, a temperatura máxima do HBV é chamada de "temperatura de reaquecimento", mas a palavra "re" pode levar a mal-entendidos. As pessoas assumiram que o Universo estava quente antes e depois da inflação, daí o "reaquecimento" - e você pode encontrar muitos sites, livros, vídeos, imagens que demonstram a mesma suposição - mas não é baseado em nada.
O que aconteceu depois?
Temos certeza de que estamos cientes dos principais marcos e de muitos detalhes do que aconteceu nos próximos 13,7 bilhões de anos. O universo expandiu-se gradualmente (o espaço se tornou maior) e, consequentemente, esfriou e ficou mais vazio. Comparado a um evento tão surpreendente como a inflação, o período subsequente foi relativamente entediante, embora marcos bastante importantes tenham sido alcançados ao longo do caminho.
Alguns minutos após o início do HBV:
- O campo de Higgs foi ativado (ou seja, seu valor médio tornou-se diferente de zero), o que garantiu que muitas das partículas que não tinham massa antes, incluindo quarks e elétrons encontrados na matéria comum, recebessem massa. Desde então, o valor do campo de Higgs permaneceu constante, pelo menos na parte observável do Universo.
- Quarks, antiquarks e gluons voando livremente se juntaram para formar hadrons, incluindo prótons e nêutrons.
- Os primeiros núcleos atômicos, diferentes do hidrogênio, formaram-se, como resultado, bastante universo de hélio e um pouco de deutério (hidrogênio pesado), além de lítio, apareceram no Universo. Mais tarde, eles se tornaram os ingredientes para as primeiras estrelas.
380.000 anos depois, tudo esfriou o suficiente para que os primeiros átomos se formassem e, a partir desse momento, o Universo se tornou na maior parte um lugar transparente, como o vemos hoje. A luz, que então teve a oportunidade de se movimentar livremente pelo universo, nos dá "relíquia de radiação".
Cerca de cem milhões de anos depois, as primeiras galáxias começaram a se formar e as primeiras estrelas se iluminaram. O prazo exato ainda não foi estabelecido por medições, mas eles estão tentando fazê-lo.
Agora vivemos cerca de 13,7 bilhões de anos após o início do HBV. Note que eu não escrevi sobre a "era do Universo" ou que ela começou 13,7 bilhões de anos atrás. Isso não é exatamente conhecido por nós. Sabemos apenas que o GBV começou há 13,7 bilhões de anos atrás - mas não sabemos se esse momento foi próximo ao começo de todo o Universo.
Inflação
A era da inflação foi provavelmente um período muito curto, mas certamente colorido, em que o espaço dentro da parte do Universo, incluindo nossa parte visível (a que podemos ver hoje), rapidamente se expandiu a uma velocidade absolutamente incrível. A velocidade de expansão era tão rápida que parecia loucura. E a única coisa que afasta essa idéia da loucura é que a teoria da inflação produz previsões que até agora são consistentes com nossas medidas de espaço (incluindo aquelas feitas pelo projeto
BICEP2 ). Isso não significa que seja verdade, mas significa que:
- existem boas razões para acreditar que isso pode ser verdade, e
- hoje ninguém pode provar que está errado.
Mais uma vez: espaço expandido. A matéria não foi rasgada no espaço: o espaço se tornou muito maior. Não
parecia uma explosão .
Quão louca foi a velocidade de expansão? Uma seção do Universo do tamanho da tela do seu computador se expandiu para o tamanho da parte do Universo observada hoje, ou ainda mais, em um tempo menor do que um quark precisa ir de um lado do próton para o outro. Nem tentarei inundá-lo com números, em parte porque não sabemos realmente quanto tempo durou a inflação, mas também porque os números indicam tamanhos muito grandes e intervalos de tempo muito pequenos para as pessoas imaginarem. De fato, um pedaço enorme do universo foi criado a partir de um pedaço minúsculo quase instantaneamente.
Como foi o universo durante essa expansão? Vazio. Extremamente vazio. Muito, muito, muito mais vazio que o espaço hoje. Muito frio Muito escuro. Tudo o que poderia estar presente antes do início da inflação foi instantaneamente rasgado e roubado por longas distâncias. Aviso: há uma captura bastante importante e muito sutil em relação a declarações sobre o universo vazio / escuro / frio, e ainda não sei como descrevê-lo com mais precisão. Seria mais preciso dizer que o Universo não era apenas “extremamente” vazio, era “máximo” vazio, escuro e frio - vazio de tudo, exceto flutuações quânticas.
O que aconteceu antes da inflação e como começou, não sabemos. Existem várias teorias razoáveis baseadas na ciência, mas todas serão especulações até que alguém invente uma maneira de testá-las usando medidas. O período "antes da inflação" pode não existir de todo - ou porque a inflação está constantemente acontecendo em algum lugar do Universo, ou porque o tempo não fará sentido se você voltar o suficiente para o passado ou por algum outro motivo. Mas em muitos contextos, isso pouco importa, como explicarei usando imagens, respondendo a algumas das perguntas mais frequentes ao longo do caminho.
O que causou a taxa de inflação insana?
O motivo foi uma grande quantidade do que geralmente é chamado:
- "Energia escura" (mas não é energia, é uma certa combinação de energia e pressão negativa) ou
- "Constante cosmológica" (erro de Einstein [não]; felizmente, isso não é uma constante, ou o Universo experimentaria inflação para sempre) ou
- "Alongamento suave e escuro" (o que é verdade, mas soa estranho e não explica nada).
Em geral, existe um pouco dessa substância no Universo, e é por isso que a taxa de expansão do Universo começou a aumentar nos últimos bilhões de anos. Mas, suspeitamos que em algum momento, por algum motivo, fosse muito maior. Por isso, a área que contém nossa parte do Universo estava se expandindo a um ritmo incrível, ou seja, estava sujeita a "inflação". As Figuras 1, 2 e 3 contêm suposições não substanciadas e provavelmente incorretas do motivo pelo qual a inflação começou e na fig. Os quatro detalhes dessas conjecturas não têm mais significado.
Fig. 1: uma conjectura completamente infundada sobre como uma seção do universo poderia parecer antes do início da inflação. Por alguma razão desconhecida, a área cinza contém uma enorme quantidade de energia escura. Dentro da área cinza, desenhei alguns objetos, indicados por pontos verdes e vermelhos. O que está fora da região cinzenta, não faço ideia, mas no final não importa.De onde veio essa enorme quantidade de energia escura?
Nós não sabemos. Existem várias suposições, algumas das quais foram rejeitadas por dados recentes. Esperamos aprender mais sobre esse tópico na próxima década.
Fig. 2: a energia escura faz com que a área cinza se expanda. Objetos na área cinza (pontos verdes e vermelhos) se afastam com a expansão do espaço que contém energia escura, que se torna cada vez mais volumosa, sem se mover além da área cinza.Por que a velocidade de expansão não diminui se a expansão expande a energia escura?
É estranho e surpreendente que, com a inflação do Universo e o crescimento de seu volume, a quantidade de energia escura em termos de um volume unitário permaneça constante. Isso significa que a inflação vai e vai e vai, sem desacelerar, até que algo faça a energia escura desaparecer.
Fig. 3: como a energia escura, diferentemente dos materiais convencionais, não se torna mais rarefeita à medida que o espaço se expande e sua densidade permanece constante, a área cinzenta continua a se expandir. A essa altura, todos os pontos verdes e vermelhos, exceto um, haviam desaparecido de vista. Qualquer que seja a temperatura da área em expansão no início, ela fica muito fria (tão fria quanto as condições permitem).Pontos verdes e vermelhos se afastam um do outro com grande velocidade.
Isso significa uma expansão incrível de que todas as coisas estavam se afastando a uma velocidade superior à velocidade da luz, um limite de velocidade universal?
É sim.
Isso viola a teoria da relatividade de Einstein?
Não, não quebra. A teoria de Einstein diz que se dois objetos se cruzam em um ponto no espaço, para um observador se movendo com um deles, a velocidade medida do outro objeto nunca excederá a velocidade da luz. Mas dois objetos em dois lugares diferentes podem se afastar um do outro mais rápido que a velocidade da luz se o espaço em si se expandir. É exatamente isso que está acontecendo no universo em expansão.
Fig. 4: a essência da era da inflação. Nesse ponto, a inflação espalhou todos os objetos que existiam na área cinza da Fig. 1 (pontos vermelhos e verdes) a distâncias extremamente grandes. A área cinzenta expandiu-se para um tamanho incompreensivelmente grande, tornou-se terrivelmente vazia e fria. E a expansão pode continuar em várias etapas. As suposições iniciais mostradas na fig. 1 e fig. 2, são completamente alheios às propriedades desta seção do Universo; se começássemos um palpite excelente na fig. 1 e 2, ainda teríamos a mesma foto. 4)Eu pensei que o Big Bang estivesse relacionado a um universo muito quente. E agora você diz que ela estava com muito frio?
É sim. Bem, quase assim. Ela é o mais fria possível; no entanto, a presença de flutuações quânticas apresenta suas próprias características. O universo ficou quente após a inflação (mais sobre isso mais tarde). Se estava quente em algum momento antes da inflação, a questão é puramente especulativa; não há evidências a favor ou contra. Porém, durante a inflação, a temperatura caiu para uma pequena fração de grau acima do zero absoluto.
Fig. 5: A expansão do site inflacionário diminui. O fato de que com o tempo se tornará uma parte observável do nosso Universo já é grande o suficiente para desenhá-lo - é indicado por uma linha pontilhada vermelha.Por que a inflação parou?
Nós não sabemos. Obviamente, existem várias suposições científicas, com equações, previsões e maneiras de testá-las - pelo menos em parte. Talvez em breve possamos aprender mais sobre isso através da exploração contínua do espaço.
O que aconteceu quando a inflação parou?
O melhor palpite (e nossas equações dizem que isso é possível, mas não fornece detalhes) - toda a energia escura se transformou em partículas, incluindo aquelas das quais somos compostas, e em muitos outros tipos de partículas conhecidas por nós e, possivelmente, em um monte de partículas sobre as quais nada sabemos. E quando isso aconteceu, o Universo ficou muito quente e denso - e continua a se expandir, embora muito mais lentamente.
Fig. 6: no final da inflação, a energia escura que preenche a seção em expansão anterior se transforma na energia do movimento e na energia da massa de partículas que aparecem em grandes quantidades, o que torna o Universo muito quente. Quanto mais energia escura por unidade de volume durante a inflação, mais quente o Universo pode se tornar depois de aquecer. Uma grande área que se estende muito além do mostrado, incluindo o que se tornará nossa parte observável do Universo, é preenchida com uma sopa de partículas densa, quase uniforme, quente e densa. A partir deste momento, o Universo se expande ainda mais, mas muito mais lentamente do que durante a inflação, e gradualmente esfria.Essa foi a fonte do Hot Big Bang. Algumas pessoas (inclusive eu) apenas dizem: Este momento é o começo do Big Bang. Outros dizem que o Big Bang inclui o Hot Big Bang e a inflação, embora seja estranho - a inflação é mais um apito do que uma explosão. Alguns dizem que a inflação levou a uma explosão no Big Bang, primeiro tornando o universo grande e em expansão, e depois aquecendo. Outra pessoa diz que o Big Bang inclui o Big Bang, a inflação e tudo o que veio antes dele. Mas esta é uma afirmação arriscada - antes da inflação poderia haver algo que não merece o termo “explosão” (um evento energético, movimentado e repentino).
Como a terminologia ainda não foi estabelecida, você pode decidir por si mesmo como exatamente chamar o termo "Big Bang". É importante apenas saber que você tem várias possibilidades e que diferentes cientistas e diferentes locais podem ter em mente diferentes conceitos, chamados de Big Bang.