O que é Cosmologia?

Cosmologia é a ciência que estuda a estrutura e evolução do Universo. 

A seguir farei uma breve explanação dos conceitos destacados em negrito. 

Por ciência eu quero dizer o uso do método científico, baseado em um conjunto de observações que resultam em um modelo capaz de fazer previsões que podem ser testadas experimentalmente. Um dos muitos exemplos do método científico é a teoria da gravitação universal desenvolvida por Isaac Newton, que usou as observações de Tycho Brahe e Joahnnes Kepler para elaborar um modelo cujas previsões foram verificadas inúmeras vezes, como por exemplo na descoberta dos planetas Urano e Plutão . Assim funciona a ciência.
Quase todas as culturas possuem um mito da criação , ou seja, uma metáfora sobre a a origem de tudo, aquela questão fundamental pela qual nossa curiosidade anseia por uma resposta. Por exemplo, no hinduísmo o Universo apareceu de um ovo que se chocou depois de um ano, gerando a Terra e o Firmamento. Outro exemplo de mito da criação mais familiar é o da cultura judaico-cristã: ``No princípio Deus criou o céu e a terra ..." 

A diferença fundamental entre mitologia e ciência é que a mitologia é basicamente um ato de fé, uma crença, enquanto a ciência têm como objetivo desenvolver um modelo baseado em observações que descreva da melhor maneira possível a natureza. Caso apareça um fenômeno (que possa ser reproduzido de maneira controlada) que não possa ser explicado pelo modelo vigente, então este modelo deve ser abandonado ou reformulado. Por exemplo, a teoria da gravitação universal de Newton não foi capaz de explicar pequenos desvios na órbita do planeta Mercúrio e de fato foi substituída nos anos de 1920 pela teoria de gravitação desenvolvida por Albert Einstein. Sabemos hoje que a teoria de Einstein também não é completa por não incorporar a mecânica quântica e os físicos teóricos estão bastante ocupados buscando uma nova teoria que o faça.
Eu não tenho nenhum problema em respeitar todas as crenças em diferentes mitos de criação , mas o propósito do meu Colóquio é levar a vocês o que conhecemos cientificamente sobre o nosso Universo. 

A estrutura do Universo se refere ao problema da forma e organização da matéria no Universo. 

A evolução do Universo é a sua história, ou seja, as diferentes fases pelas quais o Universo passou. 

Devemos nos considerar muito previlegiados, pois somos a primeira geração a ter capacidade tecnológica para estudar cientificamente o Universo, graças ao desenvolvimento de instrumentos como os grandes telescópios do Monte Wilson e do Palomar, o telescópio espacial Hubble, o satélite COBE e muitos outros. Sem o avanço tecnológico dos últimos 50 anos seria impossível formular e testar teorias sobre o Universo.

Figure 1: Foto do Telescópio Espacial Hubble, lançado no espaço em abril de 1990 pelo ônibus espacial Discovery.

Estrutura do Universo

Antes de discutirmos a estrutura do Universo temos que introduzir a unidade de distância apropriada ao seu estudo. Quando lidamos com o tamanho de uma sala, por exemplo, usamos o metro como unidade. Quando olhamos em um mapa o caminho para chegar a uma outra cidade a unidade mais apropriada é o quilômetro. Obviamente podemos expressar a distância entre duas cidades em centímetros mas certamente não parece algo natural. Da mesma maneira, quando estudamos distâncias entre objetos no Universo a unidade mais apropriada é o ano-luz, definido como a distância que a luz percorre em um ano. A velocidade da luz é de  quilômetros por segundo e portanto:
1 ano-luz = 10 trilhões de quilômetros (10.000.000.000.000)
Uma outra unidade relacionada ao ano-luz e também usada é o parsec:
1 parsec =  anos-luz.
Para se ter uma idéia de distâncias usando a velocidade da luz, notamos que:
perímetro da Terra  segundos-luz
distância Terra-Sol  minutos-luz
estrela mais próxima (Alfa Centauro)  anos-luz
galáxia próxima (Andrômeda)  milhões de anos-luz

Figure 2: Galáxia de Andrômeda, também conhecida como M31, uma galáxia espiral muito parecida com a nossa galáxia, a Via Láctea, e distante 2 milhões de anos-luz.

Medidas de distância no Universo são muito difíceis de obter, mas hoje existem diversos métodos usando a paralaxe de estrelas, estrelas variáveis e estrelas que sofrem uma explosão do tipo supernova. Foge do tema principal uma discussão mais detalhada destes métodos.
É importante notar que, quando olhamos para um objeto muito distante, estamos vendo como ele era quando emitiu a luz, ou seja, estamos olhando para o passado. A luz que observamos hoje de Andrômeda e que imprime sua imagem em uma chapa fotográfica levou 2 milhões de anos para chegar até nós e portanto mostra como era Andrômeda há 2 milhões de anos atrás!
As observações realizadas indicam que o Universo é organizado de uma maneira hierárquica até uma escala de tamanho de 300 milhões de anos-luz:
estrelas formam galáxias (tipicamente 10 bilhões de estrelas), galáxias formam aglomerados de galáxias e aglomerados de galáxias formam super-aglomerados de galáxias.

Figure 3: Nosso grupo local de galáxias.

Em escalas ainda maiores existem evidências de que o Universo é homogêneo ou uniforme, isto é, não apresenta na média regiões muito diferentes. Isto significa que não seria possível distinguir ou previlegiar uma dada região do Universo. Uma analogia seria a de uma pessoa perdida em um deserto sem oásis: é difícil se localizar devido ao fato do deserto não ter uma região muito diferente das outras. Mais ainda, o Universo também é isotrópico, ou seja, ao observar o Universo em diferentes direções os resultados são semelhantes. Novamente a analogia do deserto é válida, pois ele é parecido não importa em que direção o pobre viajante perdido olhar, dificultando ainda mais sua situação .

Concluímos portanto que não existe uma posição previlegiada no Universo, ou seja, todas as posições são equivalentes. Isto equivale a dizer que não existe um ``centro" do Universo!!

Figure 2: Galáxia de Andrômeda, também conhecida como M31, uma galáxia espiral muito parecida com a nossa galáxia, a Via Láctea, e distante 2 milhões de anos-luz.

Este fato parece ir contra a nossa intuição de que tudo tem um centro. Porém, vamos imaginar o seguinte caso, que é análogo ao que acontece no Universo:
suponha que somos pessoas ``chatas", no sentido de achatadas ou bidimensionais, ou mesmo formiguinhas pequenas, movendo-se na superfície de um balão de borracha. Neste balão de borracha podemos pintar com uma caneta algumas manchas que representam galáxias. Para a formiguinha não existe nenhum ponto previlegiado ou centro na superfície do balão . Seria a mesma coisa que nos perguntar qual é o centro da superfície do planeta Terra. Lembre-se que pelo fato da formiguinha ser achatada o espaço em que ela pode se mover é apenas a superfície curva do balão , ou seja, ela não tem acesso ao interior do balão . Esta analogia bidimensional é mais fácil de imaginar do que um espaço curvo de três dimensões , que é o caso do nosso Universo.
A humanidade sempre teve uma tendência ao antropocentrismo, ou seja, a achar que estamos no centro do Universo. Primeiramente, foi adotado como um dogma que a Terra está no centro do Universo e que tudo gira ao redor dela. Com Copérnico veio a descoberta que o Sol está no centro do sistema solar e que a Terra e os outro planetas giram ao redor dele. Posteriormente descobriu-se que o Sol não está no centro de nossa galáxia, a Via Láctea, mas sim em um de seus braços espirais. Nossa galáxia também não ocupa o centro do aglomerado local ou do super-aglomerado da qual faz parte. Portanto, estamos longe de ocupar um lugar previlegiado no Universo. No entanto, o que pode nos reconfortar é o fato de que não existe uma localização central no Universo. Parece uma brincadeira de criança: se eu não posso jogar então ninguém pode ...
Veremos mais adiante uma evidência experimental muito forte da homogeneidade e isotropia do Universo no seu passado remoto. Uma questão interessante que surge imediatamente é: como as estruturas que observamos hoje, como estrelas e galáxias, foram formadas no Universo que teve um passado altamente uniforme? A procura da resposta a esta pergunta é uma área muito ativa de pesquisa onde a Física das Partículas Elementares tem um papel fundamental. É interessante notarmos então que a física microscópica nas menores escalas que conhecemos determina as estruturas na maior escala que conhecemos, o próprio Universo, ou seja, existe uma conexão muito forte entre o micro e o macrocósmico.

Expansão do Universo

Uma das maiores descobertas do século foi sem dúvida o fato de que o Universo está em expansão . Por muito tempo pensou-se que, descontado o movimento aparente das estrelas devido à órbita da Terra ao redor do Sol, o Universo seria estático, imutável. O próprio Albert Einstein acreditava em um Universo estático, pois não havia evidências experimentais do contrário. Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble observou que as galáxias estão se afastando de nós, ou seja, que o Universo está em expansão . 

Para obter este resultado Hubble usou o chamado efeito Doppler. Todos que assistem a uma corrida de fórmula 1 percebem que os carros de corrida fazem barulhos diferentes se estão se aproximando ou afastando do microfone. O som é mais agudo quando eles estão se aproximando e mais grave quando se afastam do microfone. A mesma coisa acontece com o barulho da sirene de uma ambulância correndo nas ruas. Esta mudança no comportamento do som devido ao movimento de sua fonte com relação ao ouvinte é um exemplo do efeito Doppler. Este fenômeno ocorre com todos os tipos de onda, não apenas as ondas sonoras. Em particular, a luz, que é uma onda eletromagnética, também apresenta o efeito Doppler, mas o que muda é a cor associada à luz. Uma luz torna-se mais azulada ou avermelhada caso a sua fonte esteja se aproximando ou afastando do observador. 

Hubble comparou a luz de diversas galáxias com uma luz padrão aqui na Terra e verificou que todas as galáxias mais distantes apresentam uma luz mais avermelhada que o normal, indicando que elas estão se afastando da Terra. O Universo não é estático!

Hubble também descobriu que quanto mais longe a galáxia, maior a velocidade com a qual ela se afasta de nós. Este fato ficou conhecido como a Lei de Hubble. 

Mas será então que estamos no centro do Universo, afinal de contas todas as galáxias estão se afastando de nós?
Para responder a esta pergunta vamos voltar à analogia do balão com as manchas pintadas a caneta representando galáxias. A expansão do Universo é representada pelo enchimento do balão . À medida que o balão enche, as galáxias (manchas) vão se afastando uma das outras. De fato, formiguinhas posicionadas em cada mancha veriam todas as outras manchas se afastando dela. Cada formiguinha pensaria que está no centro da expansão , mas de fato não existe um centro!

Evolução do Universo

Vimos na seção anterior que o Universo se encontra em expansão , ou seja, que as galáxias estão se afastando uma das outras. Portanto, o Universo não é estático e sim evolui, ou seja, possue uma história. Esta história do Universo é o tema central desta palestra.
Podemos pensar na evolução atual do Universo como um filme. Rodando o filme ao contrário percebemos que no passado as galáxias estavam mais próximas umas das outras e consequentemente houve um momento onde todas as galáxias estavam juntas! Este seria o instante inicial do filme e o tempo decorrido a partir deste instante inicial até o presente é o que chamamos de idade do Universo.
Vamos imaginar que uns amigos partiram em um carro que está se movendo com velocidade constante, digamos 70 km/h, e que eles parem em um posto de gasolina para telefonar e avisar que estão a 210 km de distância. Então é fácil calcular que a viagem deles demorou 3 horas. Da mesma forma, conhecendo-se a velocidade das galáxias e as distâncias das galáxias até nós podemos estimar o tempo que levou para que as galáxias chegassem onde estão hoje. É claro que este raciocínio é uma simplificação (mas não muito longe da realidade) e de fato necessitamos da Teoria de Gravitação de Einstein complementada de dados observacionais para chegar na idade do Universo de aproximadamente 15 bilhões de anos.
À medida que rodamos o filme do Universo ao contrário notamos que, como as galáxias ficam mais próximas umas das outras, o Universo fica cada vez maisdenso. Também, devido à esta compressão , o Universo fica mais quente, da mesma maneira que quem já encheu pneu de bicicleta com uma bomba manual de ar verifica que a bomba se aquece devido à compressão do ar. Levando esta situação perto do início, concluimos que o Universo começou sua evolução a partir de um estado extremamente quente e denso. Por este motivo a teoria que descreve esta evolução é denominada de Big Bang, nome dado pelo físico teórico George Gamow, que fez importantes trabalhos na área de Cosmologia.
Quando esquentamos o gelo, ele derrete formando água e se continuamos a esquentar a água ela evapora. O gelo, a água e o vapor são diferentes fases da água. Da mesma maneira, o Universo passou por diferentes fases dependendo de sua temperatura em um momento particular. De fato, como veremos mais adiante, o Universo infante foi uma sopa quentíssima de partículas elementares. A Teoria da Gravitação suplementada de medidas observacionais e de uma Teoria da Física de Partículas Elementares fornece um modelo para a evolução do Universo, o chamado Modelo Cosmológico Padrão , nome mais pomposo que apenas Big Bang. Eis novamente a conexão entre o micro e o macrocósmico. Veremos adiante quais são as consequências observacionais deste modelo.

Arqueologia Cósmica

Na seção anterior vimos que existe um modelo que descreve a evolução do Universo. Porém, como podemos saber que este modelo é correto? Uma das diferenças entre ciência e mitologia consiste justamente no fato de que modelos devem ser verificados experimentalmente para serem comprovados ou rejeitados. Caso nossos modelos não possam ser verificados, ou seja, caso eles não façam previsões passíveis de teste, então estamos fazendo mera filosofia.
O Modelo Cosmológico Padrão faz previsões sobre fenômenos que ocorreram bilhões de anos atrás. Como podemos verificá-las? Felizmente, a evolução do Universo deixou traços destes fenômenos que podemos detectar hoje e desta maneira testar o modelo. A arqueologia cósmica a que se refere o título desta seção consiste em encontrar os fósseis deixados pela evolução do Universo. Aqui nos concentraremos em dois destes fósseis que foram decisivos para determinar o sucesso do Modelo Cosmológico Padrão : a radiação cosmológica de fundo e a abundância de elementos leves.

Radiação Cosmológia de Fundo

O Modelo Cosmológico Padrão descreve o Universo iniciando sua evolução a partir de um estado extremamente quente e denso. O Universo então se expande e esfria. O que restou hoje deste grande calor inicial equivale a uma temperatura de apenas -270 C, muito próximo do chamado zero absoluto de temperatura. Portanto, todo o espaço é permeado por este ``calorzinho" ou radiação que sobrou do Big Bang. Esta é uma previsão do modelo, realizada em 1947 por Gamow e seus colaboradores.
Em 1964, Robert Wilson e Arno Penzias estavam trabalhando no laboratório da Companhia Telefônica Bell com uma grande antena para detectar sinais fracos de rádio vindos do espaço quando perceberam um certo ruido na sua antena que não desaparecia apesar de todos os seus esforços. Eles verificaram que este ruido vinha de todo o espaço com a mesma intensidade, sendo independente da direção para onde eles apontavam a antena. Sem a menor idéia da origem deste ruido eles foram conversar com físicos da Universidade de Princeton, que ficava próxima, que imediatamente reconheceram este ruido como sendo o sinal do ``calorzinho", que denominamos radiação cosmológia de fundo. Penzias e Wilson receberam o prêmio Nobel em 1979 por sua descoberta acidental.

Abundância de Elementos Leves

Somos todos feitos de pó de estrelas. Esta frase poética refere-se ao fato de que nossos átomos de carbono, oxigênio e outros foram sintetizados no interior de estrelas, onde as altíssimas temperaturas permitem que reações nucleares ocorram para produzir estes elementos. Estes elementos são ejetados das estrelas quando estas explodem em eventos chamados de supernovas. Entretanto, alguns elementos leves como o hélio e deutério foram formados na fornalha cósmica que era o Universo infante com uma temperatura de 1 bilhão de graus, quando o Universo tinha apenas aproximadamente 3 minutos!! Este processo de formação de elementos é denominado nucleossíntese.
De fato, o Modelo Cosmológico Padrão prevê que aproximadamente a quarta parte de toda a matéria do Universo foi convertida em hélio. Cálculos muito sofisticados também resultam em previsões para a abundância no Universo de deutério e lítio. Estas previsões foram verificadas observacionalmente nos últimos 20 anos (não é simples realizar estas observações ) e estão de acordo com o modelo, representando então mais um sucesso para o Modelo Cosmológico Padrão .