Breve História do Universo

Texto escrito por Geisiele Pereira Gomes, estudante do 2º ano do curso de Biotecnologia integrado ao Ensino Médio,  como parte de seu projeto de PIBIC-EM, em Maio de 2023.

Há aproximadamente14 bilhões de anos, todo o universo estava comprimido em um minúsculo ponto. Toda a matéria e toda a energia de todo o universo estavam ali. Era tão quente que as conhecidas forças básicas da natureza estavam fundidas em uma só.

A Era de Planck consiste no início do universo. É o intervalo de tempo entre o início de tudo e 10⁻⁴³ segundos. Aqui é onde todas as nossas teorias atuais sobre matéria e espaço são invalidadas. A teoria da relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica eram uma só. Ainda assim, espera-se que, quando a era de Planck tenha se finalizado, a gravidade tenha se libertado de outras forças da natureza (que ainda permaneciam juntas).

O universo continua expandindo, e esfriando, e o que se conhece de forças unificadas se dividiu em força eletrofraca e força nuclear forte, enquanto ocorre um rápido aumento de pelo menos 10 na quinquagésima potência do tamanho do universo. Depois disso, a força eletrofraca se dividiu em força eletromagnética e nuclear fraca. Assim, tendo 4 forças com funções distintas e complementares: a força fraca controla o decaimento radioativo, a força forte une o núcleo atômico, a força eletromagnética une as moléculas e a gravidade une a matéria condensada.

Além de tudo, partículas  subatômicas e energia na forma de fótons interagiam constantemente. O universo era quente o suficiente para converter a energia desses fótons em pares de partículas de matéria e antimatéria, que se aniquilavam logo depois de serem formados, devolvendo sua energia aos fótons. Neste momento, o universo era tido como uma sopa agitada de quarks, léptons e seus irmãos de antimatéria, e os bósons, que permitiam essas interações.

O fóton comum é da família dos bósons, os léptons mais conhecidos são o elétron e (talvez) o neutrino, e não há quarks conhecidos. Quaks são coisas imprevisíveis. Por comparação: os prótons tem carga elétrica +1, e os elétrons carga elétrica -1, e já os quarks tem cargas fracionadas em terços, e ele sempre estará junto com outros quarks. Além disso, a força que os mantém juntos é mais forte quanto mais distantes estão, o que se pode comparar a um elástico.

Em algum momento durante a separação de forças, houve um acontecimento que deixou o universo com uma pequena assimetria: Havia um pequeno excesso de matéria comparando com a antimatéria. De um bilhão e uma para um bilhão. Sem essa assimetria, o universo teria se aniquilado. O universo continua se resfriando. Aqui surgem os hádrons, formado por pares de quarks, em uma nova família. Essa transição logo formou os prótons e os nêutrons (além de outras partículas mais pesadas e menos conhecidas), todas compostos de combinações de espécies de quarks.

Um segundo da história do universo se passou. Agora, o universo tem alguns anos-luz de diâmetro (aproximadamente a distância do Sol às estrelas vizinhas mais próximas). Tendo 1 bilhão de graus, ainda está bastante quente, e ainda cozinha alguns elétrons, que, junto com seus correspondentes pósitrons, continuam a entrar e sair da existência. O que era verdade para os quarks e hádrons, se tornou verdade para os elétrons, e no final, apenas um em um bilhão sobrevive. O resto se aniquila.

Agora, um elétron para cada próton foi congelado, e com o cosmos esfriando, prótons se fundem com prótons, assim como os nêutrons, formando núcleos atômicos, em um universo em que 90% desses núcleos são hidrogênio e os outros 10% são hélio. E isso junto com os volumes residuais: deutério (“hidrogênio pesado”), trítio (hidrogênio ainda mais pesado) e lítio.

Durante os próximos 380 mil anos não aconteceria muito às partículas existentes. A temperatura permanece quente o suficiente para que os elétrons corram livremente entre os fótons, e interajam uns com os outros. Porém essa liberdade acaba quando a temperatura cai mais 3 mil Kevin (aproximadamente metade da temperatura do sol) e todos esses elétrons livres adquirem órbitas ao redor dos núcleos, formando os átomos no universo primordial.

Durante os primeiros bilhões de anos, o universo, se expandindo e esfriando, deixou formar os milhões de aglomerados de massa que hoje chamamos de galáxias, onde se formaram milhões de estrelas a partir de fusão termonuclear, que atraíam elementos mais pesados que hidrogênio usando a gravidade, formando o que hoje chamamos de planetas. Assim surgiu a Terra e outros milhões semelhantes e diferentes.

Fontes (livros): “Astrofísica para Apressados” e “Origens: Catorze bilhões de anos de evolução cósmica”