quarta-feira, 13 de Fevereiro de 2008

Trabalho sobre a Teoria do Big Bang

Escola Secundária de Cascais

Trabalho apresentado à disciplina de
Físico – Químicas




Teoria do Big Bang



Arquitectura do Universo






Docente: Fernando Oliveira

Discente: Leonor Veríssimo Nº16 10ºB
Susana Ferreira Nº20 10ºB
Vera Seguro Nº24 10ºB

Cascais, 24 de Outubro de 2007



Introdução

No âmbito da disciplina de Físico-Químicas, foi-nos solicitada a execução de um trabalho escrito, relativamente ao tema “Arquitectura do Universo”, dentro do qual nos foi dado o subtema “A Teoria do Big Bang”.
Os assuntos a focar no trabalho seriam:
- A Expansão do Universo;
- O que diz a Teoria do Big Bang;
- Os factos a favor desta teoria;
- As suas limitações;
- Outras teorias que expliquem o nascimento do Universo.
Para facilitar a leitura do trabalho, organizámo-lo pelos seguintes tópicos:
- Teoria do Big Bang:- Teoria do Big Bang;
- Teoria da Relatividade;
- Lei de Hubble;
- Nucleossíntese;
- Radiações cósmicas de fundo;
- Limitações da teoria do Big Bang e outras teorias.

Espero que goste do nosso trabalho!

Teoria do Big Bang

No início do século XX, a Astronomia desviou a sua atenção das estrelas e dos planetas. Nos últimos 80 anos, a Cosmologia voltou a sua atenção para as galáxias e espeço exterior. Um dos muitos responsáveis por esta mudança de perspectiva foi Edwin Hubble.
O Big Bang, é a teoria científica que diz que o Universo emergiu de um estado extremamente denso e quente há cerca de 15 mil milhões de anos. A teoria baseia-se em diversas observações que indicam que o universo está em expansão de acordo com um modela Friedmann-Robertson-Walker, baseado na teoria da relatividade geral, dentro das quais a mais tradicional e importante é a relação entre os redshifts e distâncias entre objectos longínquos, conhecida como Lei de Hubble, e na aplicação do Principio Cosmológico.
Fig. 1- Expansão do Universo
O Big Bang, ou grande explosão, também conhecido como modelo de grande explosão térmica, parte do princípio de Friedmann, onde, enquanto o Universo se expande, a radiação contida e a matéria arrefecem.
Em 1927, o padre cosmólogo belga Georges Lemaître (1894-1966), derivou independentemente as equações de Friedmann a partir das equações de Einstein e propôs que os desvios espectrais, observados em nebulosas se deviam à expansão do universo, que por sua vez seria o resultado da explosão de um átomo primordial.
Segundo esta teoria, o universo surgiu há pelo menos 15 mil milhões de anos, a partir de um estado primordial de temperatura e desunidade altamente elevados. Embora essa explicação tenha sido proposta na década de 1920, a sua versão actual, é da década de 1940 e deve-se ao grupo de George Gamow, que deduziu que o Universo teria surgido após uma grande explosão resultante da compressão de energia.
Segundo Gamow, na expansão do universo a partir do seu estado inicial de alta compressão, numa explosão repentina, o resultado foi uma violenta redução de densidade e temperatura, após este ímpeto inicial, a matéria passou a predominar sobre a antimatéria.
Ainda segundo Gamow, toda a matéria existente hoje no universo encontrava-se concentrada no chamado “átomo inicial” ou “ovo cósmico”, e que uma incalculável quantidade de energia, depois de intensamente comprimida, repentinamente explodiu, formando posteriormente gases, estrelas e planetas.
Fig. 2 – Teoria do Big Bang, desde a explosão até à formação das galáxias.
Num sentido mais preciso, o termo “Big Bang” designa a fase densa e quente pela qual passou o universo. Essa fase marcante de início da expansão comparada a uma explosão foi assim chamada pela primeira vez, de maneira desdenhosa, pelo físico inglês, Fred Hoyle proponente do modelo do universo Estacionário.
O termo “Big Bang” é também afirmado como uma aproximação para designar aquilo que também se costuma chamar de “Modelo Cosmológico Padrão”. Este consiste, numa aplicação da Relatividade Geral ao universo como um todo. Isto é feito, num primeiro momento, assumindo-se que o universo é homogéneo e isotrópico em larga escala. Num segundo momento, introduzem-se flutuações de densidade no modelo e estuda-se a evolução destas até às formações de galáxias.
O Modelo Cosmológico Padrão é extremamente bem testado experimentalmente e possibilitou a previsão da radiação cósmica de fundo e da razão entre as abundâncias de hidrogénio e hélio.
O termo Big Bang também designa o momento inicial, no qual o factor da escala (que caracteriza como crescem as distâncias com a expansão) tende a 0.

Teoria da Relatividade Geral
A Teoria da Relatividade geral é universal no sentido de ser válida mesmo nos casos em que os campos gravitacionais não são negligências. Trata-se na verdade da teoria da gravidade, descrevendo a gravitação como a acção das massas nas propriedades do espaço e do tempo, que afectam o movimento dos corpos e outras propriedades físicas.
Enquanto na teoria de Newton, o espaço é rígido, descrito pela geometria Euclidiana, na Relatividade Geral, o espaço-tempo é distorcido pela presença da matéria que ele contém.
Um ano depois de propor a teoria da relatividade geral, em 1917, Einstein publicou o seu artigo histórico sobre cosmologia, construindo um modelo directamente a um Universo estático de raio finito, mesma dificuldade encontrada com a teoria de Newton, Einstein modificou as suas equações, introduzindo a famosa constante cosmológica, para obter um universo estático, já que ele não tinha razões para crer que o universo se expandia ou contraía.
As observações mostram que o universo é homogéneo em escalas de 10 a 100 milhões de anos-luz e maiores. Para escalas menores, podemos ver estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, mas em larga escala os elementos de volume são homogéneos. A hipótese de que o universo seja homogéneo e isotrópico é chamada de Principio Cosmológico.

Os movimentos galácticos e a Lei de Hubble
Edwin Hubble dedicou-se ao estudo das galáxias, medindo as suas distâncias, localizando a sua distribuição no espaço e analisando os seus movimentos. Cada galáxia distante afasta-se da Via Láctea numa velocidade proporcional à distância em que se encontra desta, quanto maior a distância, maior a velocidade. Assim, os objectos conhecidos mais distantes da Terra são núcleos super brilhantes de galáxias distantes ou quasares, que se encontram a 10.000 milhões de anos-luz.
Aparentemente, o Universo está a expandir-se à nossa volta, isto não deve ser afirmado como antropocentrismo, pois, todos os pontos do universo, estão a afastar-se relativamente uns aos outros.
Fig. 3 – Afastamento das galáxias.
A observação, feita em 1929, por Hubble, significa que, no início do tempo-espaço, a matéria estaria de tal forma compacta que os objectos estariam muito mais próximos uns dos outros. Mais tarde, observou-se, que entre 10 a 20 mil milhões de anos atrás, toda a matéria estava no mesmo lugar, portanto, a densidade do Universo seria infinita.


Nucleossíntese

A nucleossíntese foi a formação inicial dos primeiros núcleos atómicos elementares (Hidrogénio, Hélio). Esta ocorreu porque a actuação da força nuclear forte, acabou por atrair protões e neutrões que se comprimiram em núcleos primitivos.
Presume-se que a nucleossíntese ocorreu 100 segundos após o impulso inicial, e que esta foi seguida de um processo repentino de arrefecimento devido à irradiação.
A nucleossíntese demorou cerca de 1 milhão de anos, iniciando a era da formação atómica.
Em função da nucleossíntese, a matéria passou a dominar o universo primitivo, pois, a densidade de energia em matéria, passou a ser maior do que a densidade em forma de radiação.
Depois de 380 000anos, a temperatura era aproximadamente de 3000K, os electrões combinaram-se com os núcleos, formando átomos neutros. Como não existem mais electrões livres para espalhar os fotões, o Universo passa de opaco para transparente e, a partir de então, a matéria e a radiação evoluem independentemente.
Esta radiação de 3000K, é o que detectamos como radiação de fundo do universo. Somente milhões de anos depois é que as galáxias se começam a formar.
Os protões e neutrões começam a ficar ligados em núcleos quando o Universo tem 4 minutos, e a sua temperatura é de 900 milhões K, formando hidrogénio, deutério (isótopo do elemento hidrogénio), e hélio.
A abundância dos elementos formados depende da densidade de protões e neutrões. Se o número de protões e neutrões for alto, mais frequentemente eles colidem e mais Hélio é produzido. As abundâncias de deutério e Hélio decrescem quando aumenta a densidade porque estes nucleões são formados por uma sequência de reacções incompleta. Dado o tempo suficiente, o deutério e o Hélio transformam-se em Hélio . Já o Lítio é produzido por várias reacções e, portanto, depende da densidade de forma mais complexa.
A nucleossíntese no Big Bang só formou os elementos leves: hidrogénio, deutério, hélio e lítio. Todos os elementos químicos mais pesados foram produzidos mais tarde, no interior das estrelas.
Fig. 4– Esquema da sequência de acontecimentos que se supõe ocorrido durante a evolução do Universo.
Instante 0/10 segundos: neste curto espaço de tempo, chamado Tempo de Planck, não se aplicam as leis da Física que conhecemos.
10 e 10 segundos: as forças gravítica, electromagnética, nuclear fraca e nuclear forte, começam a diferenciar-se.
10 /10 segundos: surgem os protões, devido ao arrefecimento do Universo e a consequente união de quarks, que mais tarde irão juntar-se aos neutrões e electrões para formar a matéria do Universo. O Universo ainda é muito quente e opaco. A luz não consegue viajar através dele.
10 /10 segundos: perto do tempo 10 segundos, surgem os electrões.
10 /10 anos: O Universo foi arrefecendo. Surgem o hidrogénio, o deutério e o hélio, em quantidades semelhantes às que temos hoje.
10 /10 anos: a luz pode viajar pelo Universo sem chocar constantemente com uma grande quantidade de partículas. O Universo é transparente. Os núcleos de hidrogénio, deutério e hélio originam átomos mais pesados: a chamada Era Atómica. A temperatura, agora mais baixa, favorece a síntese das primeiras estrelas.
10 /Hoje: actuando sobre os gases estrelares, a gravidade contribui para a formação das primeiras estrelas. Estrelas, como o nosso Sol, nascem e morrem. A poeira cósmica contém agora núcleos mais pesados e formam-se os planetas. Surgem os primeiros seres microscópicos e, finalmente, a vida inteligente.
Radiação cósmica de fundo

George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, cientistas de Física Nuclear, elaboraram uma previsão teórica – a existência da radiação cósmica de fundo – cuja comprovação prática veio apoiar a Teoria do Big Bang. De acordo com estes cientistas, logo após o Big Bang, a temperatura do Universo seria extremamente elevada, mas, diminuiria progressivamente, com o passar do tempo.

Fig. 5 – Radiação cósmica de Fundo

Enquanto a temperatura estivesse acima de um certo valor, os electrões teriam valores de energia muito elevados, pelo que não se juntariam aos protões e, portanto, não se formariam átomos.
Estando livres, os electrões podiam absorver fotões (partículas de energia radiantes), com qualquer valor de energia e, por isso, podiam absorver qualquer radiação. Assim, todo o Universo era opaco à radiação, porque a absorvia.
Quando a temperatura atingiu um valor de arrefecimento, os electrões puderam ligar-se aos protões e a radiação esparsa no Universo passou a estar livre para se espalhar, pois já não era totalmente absorvida.
Pode-se dizer que o universo passou a ser transparente à radiação. O espectro desta radiação residual é característico da temperatura que se verificava no instante em que o Universo se tornou transparente à radiação.
Mas, à medida que o Universo se expande, o comprimento de onda desta radiação fica deformado, pois a escala espacial do Universo aumenta.
O principal efeito que se verifica na radiação é que o seu comprimento de onda será progressivamente maior (menor valor de energia). Naturalmente, a temperatura associada ao espectro da radiação de fundo seria mais baixa.
Gamow, Alpher e Herman previram que essa radiação de fundo poderia ser observada na região de microondas (radiações que constituem o espectro electromagnético, que são caracterizadas pelo seu valor de energia) e apresentaria uma temperatura de 3K (aproximadamente -270ºC).

Fig. 6 – Esquema da dilatação do comprimento de uma onda.

A radiação cósmica de fundo foi observada, em 1964, e medida, em 1965, por Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, confirmando a previsão de Gamow e dos seus colegas. Com esta descoberta, a Teoria do Big Bang passou a ter mais apoiantes dentro comunidade científica.
Os cientistas verificaram que esta radiação se distribuía invariavelmente em todas as direcções. Esta foi considerada uma evidência importante de que a matéria estaria distribuída de maneira homogénea no momento do início do Universo, e que a sua formação teria origem nessa época primordial.


Limitações da teoria do big bang e outras teorias

Limitações da Teoria do Big Bang
A Teoria do Big Bang é, entre as que explicam a origem do Universo, a que tem maior sustentação teórica. A previsão da proporção de Hélio em relação ao Hidrogénio, é um dos grandes factos que sustenta esta teoria, como podendo ser a mais credível.
Esta Teoria é criticada por alguns cientistas, porque descreve o resultado de uma explosão, mas não descreve o que explodiu ou o que causou essa explosão. Ou seja, não explica porque ocorreu essa explosão nem o que havia antes dela.
A Teoria não explica, igualmente, como algo é criado do nada, nem se o Universo continuará em contínua expansão.
Outra crítica apontada é a de que a teoria não justifica a uniformidade do Universo que se assume ter ocorrido logo após a expansão.
Alguns cientistas referem que a expansão do Universo pode ser apenas um fenómeno localizado, existente apenas nos limites do Universo observável ou ao alcance dos actuais telescópios e que e pode existir a possibilidade de não se observar esse fenómeno, em todo o Universo, quando surgirem novos telescópios com maior resolução.
Se assim for, a Teoria do Big Bang, perde os argumentos que lhe deu origem: a expansão do Universo.

Teoria da Expansão Permanente
Defende que o Universo expandir-se-á para sempre, com as galáxias a afastarem-se umas das outras. Observações astronómicas sustentam esta Teoria.



Fig. 7 – Teoria da Expansão Permanente

Teoria do Universo Oscilante ou Pulsátil
Segundo esta teoria, verificar-se-á um retardamento progressivo da expansão até à sua situação extrema de se inverter o sentido do movimento das galáxias, que passarão a aproximar-se. Iniciar-se-á, então, uma contracção do Universo, que culminará com um novo Big Bang, recomeçando tudo de novo.


Fig. 8 – Teoria do Universo Oscilante ou Pulsátil



Conclusã0

Com este trabalho aprendemos que a Teoria do Big Bang, é a teoria científica que diz que o Universo emergiu de um estado extremamente denso e quente há cerca de 15 mil milhões de anos.
Essa explicação foi proposta na década de 1920 mas, a sua versão actual, é da década de 1940 e deve-se ao grupo de George Gamow, que deduziu que o Universo teria surgido após uma grande explosão resultante da compressão de energia.
Aprendemos também que o termo “Big Bang” é também afirmado como uma aproximação para designar aquilo que também se costuma chamar de “Modelo Cosmológico Padrão”. Este consiste, numa aplicação da Relatividade Geral ao universo como um todo.
A Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein diz-nos que a gravitação como a acção das massas nas propriedades do espaço e do tempo, afecta o movimento dos corpos e outras propriedades físicas.
Edwin Hubble através das suas observações do Universo, afirmou que cada galáxia distante afasta-se da Via Láctea numa velocidade proporcional à distância em que se encontra desta, quanto maior a distância, maior a velocidade e em, 1929, afirmou que no inicio da formação do Universo a matéria estaria muito mais compacta num espaço.
A nucleossíntese foi a formação inicial dos primeiros núcleos atómicos elementares após 4 minutos da grande explosão, que ocorreu porque a actuação da força nuclear forte, acabou por atrair protões e neutrões que se comprimiram em núcleos primitivos.
Em função da nucleossíntese, a matéria passou a dominar o universo primitivo, pois, a densidade de energia em matéria, passou a ser maior do que a densidade em forma de radiação, com a formação do Hidrogénio, Hélio, Deutério e Lítio.
George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, cientistas de Física Nuclear, elaboraram uma previsão teórica – a existência da radiação cósmica de fundo – cuja comprovação prática veio apoiar a Teoria do Big Bang.
Os cientistas verificaram que esta radiação se distribuía invariavelmente em todas as direcções. Esta foi considerada uma evidência importante de que a matéria estaria distribuída de maneira homogénea no momento do início do Universo, e que a sua formação teria origem nessa época primordial.
A previsão da proporção de Hélio em relação ao Hidrogénio, é um dos grandes factos que sustenta esta teoria, como podendo ser a mais credível.
Esta Teoria é criticada por alguns cientistas, porque descreve o resultado de uma explosão, mas não descreve o que explodiu ou o que causou essa explosão, não explica como algo é formado do nada, nem a uniformidade do Universo que pode ter ocorrido após a expansão.
Para explicar a criação do Universo foram criadas igualmente outras teorias como a Teoria da Expansão Permanente e a Teoria do Universo Oscilante ou Pulsátil, que são pouco credíveis dentro do seio da comunidade científica.
Concluímos assim, que a Teoria do Big Bang é uma teoria muito fundada, mas que ainda necessita de algumas explicações que podem ser fulcrais para a sua credibilidade.
Gostámos de realizar este trabalho, encontrando certas dificuldades em conseguir informação sobre a radiação cósmica de fundo.



Bibliografia

Bibliografia:
- Ribeiro, Laila (2007). Física e Química 10º/11º Ano – Manual de Química – 2007, Edições ASA, Portugal

- Medonça, Lucinda Sandos; Dantas, Maria da Conceição; Ramalho, Marta Duarte. Química A Bloco 1 10º/11º Ano – Jogo de Partículas – 2004, Texto Editora, Lda. Lisboa

- Hodges, Mary Jane et alii. - O Novo Atlas do Mundo – 1990, Reader’s Digest.

Webgrafia:
- http://pt.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

- http://br.geocities.com/chemicalnet/bb_txt2.html

- http://cosmo.fis.fc.ul.pt/~crawford/contents_NP.htm

- http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/mat_esp/big_bang/big_bang.htm

- http://astro.if.ufrgs.br/univ/

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