De que é feito o universo?

A composição do Universo ainda é um grande mistério. Cerca de 95% do cosmo é formado por algo cuja natureza desconhecemos: matéria escura e energia escura. Essa aparente ignorância, contudo, resulta de um feito notável da ciência e, para alguns, indica uma nova e profunda revolução em nossa visão do mundo. É o que mostra o artigo a seguir, publicado originalmente pela Folha e de autoria de Felipe Tovar Falciano, doutor em física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro.


Em conversas informais com amigos, a pergunta mais frequente que me fazem quando descobrem que sou físico e trabalho em cosmologia é a seguinte: O homem realmente pisou na Lua? Acho divertido ver a incredulidade das pessoas. Imagino que ninguém duvide que o avião voe. Então, por que seria tão absurdo uma espaçonave viajar até nosso satélite natural? Talvez o ceticismo se explique pela ideia de que o homem tocou o divino. Mas o céu, embora divino, também é acessível à ciência. Hoje, com telescópios e satélites, pesquisadores conseguem não só entender o Universo mas também desvendar sua forma e constituição. Quem sempre morou em cidades grandes pode desconhecer o deslumbre de uma noite estrelada. É fascinante a intensidade do breu entre a infinidade de singelos pontos luminosos. Imaginar que alguns desses pontinhos de luz sejam aglomerados com milhares de galáxias chega a causar angústia.

Cosmólogos têm esse hábito: exagerar na grandiosidade dos assuntos. Mas pense em todas as coisas que você conhece, como árvores, baleias, chips de computador, livros, montanhas, cometas, estrelas, planetas, bactérias, vírus… Tudo isso é feito do que chamamos matéria comum (ou bariônica) e – pasme! – representa só 5% da massa do Universo. O restante é formado por dois elementos misteriosos que nunca foram detectados em experimentos na Terra e são fundamentais para a evolução do Universo. Eles são denominados matéria escura e energia escura. “Escura” porque não emitem luz como o faz a matéria comum. E isso torna sua detecção muito difícil.

A afirmação de que existem a matéria escura e a energia escura é consequência direta das observações cosmológicas. Mas, em cosmologia – área da física que estuda a estrutura e a evolução do Universo –, até questões corriqueiras são complicadas. Por isso, antes de falarmos sobre o cosmo, visitemos nossa vizinhança. Você já pensou como os astrônomos sabem do que o Sol é feito? O Sol está a míseros 150 milhões de quilômetros da Terra, o que, em astronomia, é tão perto quanto ao alcance das mãos. Aliás, a Nasa (agência espacial dos EUA) planeja lançar neste ano a sonda Parker, com a qual espera tocar a atmosfera solar. Esse, porém, não é o procedimento de investigação mais usado em astronomia e cosmologia. Conhecer a constituição solar só foi possível porque os elementos químicos têm uma espécie de impressão digital. Cada um deles possui uma forma muito específica de absorver luz e devolvê-la ao meio. Sabendo disso, astrônomos podem dizer que o Sol é composto basicamente por hidrogênio (75%), hélio (24%) e uma pequena quantidade de elementos mais pesados, incluindo metais.

Parece fácil, não? Na verdade, é um pouco mais difícil. A luz que chega à Terra vem apenas da superfície do Sol. Para conhecer o núcleo do astro, precisamos de boas teorias científicas para modelar tanto os fenômenos que ocorrem no interior de uma estrela quanto o que se passa com a luz no longo caminho até nós. Ou seja, o que nossos telescópios detectam é a mistura (convolução) de três fatores: do que se passa no Sol, do que ocorre com sua luz viajando até nós e dos efeitos da atmosfera sobre essa mesma luz. O estudo do Universo segue mais ou menos essa técnica: a partir da detecção da radiação eletromagnética (luz), extraímos informações sobre os objetos astrofísicos.

Na década de 1920, o astrônomo americano Edwin Hubble (1889-1953) observou que certas galáxias se afastavam da Terra. Isso era uma indicação da expansão do Universo – uma das maiores descobertas da ciência. Com a expansão, o Universo foi se resfriando. A partir de certa temperatura, isso permitiu à atração gravitacional moldar as estruturas que observamos. Hoje, sabemos que os objetos astrofísicos organizam-se de forma hierárquica. Os planetas giram em torno de estrelas, que se movem ao redor das galáxias, as quais se agrupam em arranjos ainda maiores (aglomerados), e assim sucessivamente, até as grandes estruturas, como os chamados filamentos, que se estendem por quintilhões de quilômetros e separam regiões de uma vastidão quase vazia.

Em astronomia, há uma relação íntima entre o micro e o macro. Assim, para entender a proporção de elementos químicos do Sol, precisamos conhecer a história térmica do Universo. Cientistas em todo o mundo – como os do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro – desenvolvem conjuntamente pesquisas para ampliar nosso conhecimento nessa área. Os resultados do esforço internacional têm sido muito positivos. Nas últimas cinco décadas, essa comunidade estabeleceu o chamado modelo padrão da cosmologia. Isso significa que a maioria dos cientistas da área concorda em adotar uma única descrição do Universo. De acordo com esse modelo, os elementos químicos mais leves, como o hidrogênio e o hélio, foram formados no Universo primordial, ou seja, o período mais longínquo que conhecemos: cerca de 13,7 bilhões de anos.

O que aconteceu antes? Não sabemos; é uma incógnita. Até o momento, a ciência não tem dados suficientes para afirmar se o Universo foi criado em um dado instante ou se é eterno. A parte da história que conhecemos começa com um universo extremamente quente e com altíssima densidade, como um caldeirão de partículas elementares (elétrons, quarks, fótons, neutrinos etc.). Em seguida, temos a formação dos elementos químicos leves (do hidrogênio até o berílio), fase denominada nucleossíntese primordial. Todos os outros elementos químicos da natureza – mais de cem – formaram-se em reações nucleares das estrelas. Por isso, o astrônomo norte-americano Carl Sagan (1934-1996) costumava dizer que nós, humanos, somos restos mortais de uma estrela, por sermos constituídos de vários elementos pesados, como o carbono e o ferro.

O fato de encontrarmos na Terra essa diversidade de elementos químicos nos diz que o Sol é uma estrela de segunda geração. Ou seja, antes dele, houve um astro que se desenvolveu por milhares de anos e explodiu, ejetando material para o espaço sideral. A partir da nuvem de dejetos, por um processo parecido com a sedimentação, formaram-se tanto o Sol quanto nosso Sistema Solar (planetas, asteroides, luas etc.). Mas vale lembrar: galáxias, aglomerados, buracos negros, Sol, Terra, animais, plantas etc., tudo isso representa só 5% da massa do Universo. O restante é matéria escura e energia escura. Se não podemos vê-las, como os cosmólogos sabem que existem?

Quando um astrônomo aponta seu telescópio ou outro equipamento para o céu, a única coisa que consegue observar é a luz que emana dos objetos astrofísicos. Ou seja, só consegue ver o que está “aceso” ou o que reflete a luz de outro objeto. Como a matéria escura não emite luz, ela escapa à observação direta. Entretanto, um astrônomo atento é capaz de identificá-la por sua única forma de interagir com a matéria comum: atração gravitacional. Ao estudar o movimento das estrelas, o astrônomo nota que a quantidade de matéria produzindo atração gravitacional é maior que a esperada. Por um tempo, considerou-se que a massa faltante poderia ser formada de pequenos planetas ou mesmo buracos negros. Porém, ao combinar observações com dados cosmológicos, conclui-se que a matéria invisível não poderia ser constituída de algo que conhecemos. Ou seja, matéria escura existe, mas não sabemos do que é feita.

Se a matéria escura já produz certa surpresa, a energia escura é ainda mais instigante. Como a matéria escura, ela interage apenas gravitacionalmente, mas, em vez de gerar atração, produz um tipo de repulsão gravitacional. Até pouco tempo atrás, acreditava-se que tudo que existia produzia atração gravitacional. Mas a energia escura produz o efeito contrário: sua “antigravidade” é responsável por fazer com que a expansão do Universo ocorra de forma acelerada – fenômeno descoberto em 1998. Hoje, a observação do céu – uma das práticas mais antigas da humanidade – é uma área de intensa renovação. Há quem diga que a matéria e a energia escuras são sinais de uma revolução em nossa visão de mundo. Algo tão profundo quanto foram a mecânica quântica (teoria que lida como os fenômenos atômicos e subatômicos) e a relatividade geral, formulada por Einstein.

Recentemente, abriu-se uma nova janela para o Universo, com a detecção das ondas gravitacionais. Embora seu uso em cosmologia seja embrionário, essa ferramenta promete a possibilidade de estudarmos o cosmo por uma perspectiva nova e independente dos dados observacionais que temos atualmente. A ciência evita ideias preconcebidas. Entre suas tarefas está perguntar o que é a natureza e buscar respostas por meio de experimentos. Até o momento, todas as evidências apontam para um Universo com matéria escura e energia escura. A história tem nos ensinado a não subestimar ideias científicas, por mais inovadoras que sejam. O que nos cabe é desvelar os segredos por trás das respostas que a natureza nos oferece.


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