Eternos Aprendizes

Esta visão detalhada de todo o céu mostra o jovem Universo a partir de 5 anos de pesquisa via WMAP. A imagem revela flutuações em torno da temperatura média do Universo de 2,725 +/- 0,0002 Kelvin (aparece nas diferenças de cor) que correspondem às sementes que cresceram para se tornarem nas galáxias. O ruído causado pela Via Láctea foi subtraído dessa imagem usando dados de várias freqüências. A imagem mostra um intervalo de temperatura de +/- 200 microKelvin (0,0002 graus K), as regiões vermelhas são as áreas mais quentes no céu e as azuis mais frias. Crédito: NASA / time do WMAP

Há quanto tempo o Big Bang aconteceu? Qual é melhor estimativa da idade do Big Bang? A resposta mais apurada é:

13,73 bilhões de anos ± 120 milhões de anos

Esta foi a mais recente conclusão do time de astrônomos que trabalhou com os últimos dados da sonda WMAP.

É importante destacar que esta estimativa da idade do Big Bang fornecida pelo time do WMAP é totalmente independente de outras 3 estimativas conhecidas da idade do Universo, tais como:

1. A idade dos elementos químicos
2. A idade dos aglomerados estelares antigos
3. A idade das anãs brancas mais antigas

Vejamos a seguir o que estes 3 métodos independentes calcularam…

1. A idade dos elementos (decaimento radioativo):

A análise da linha espectral do Urânio da estrela antiga CS 31082-001 foi usada na estimativa de sua idade.

Usa-se o decaimento radioativo para determinar qual a idade de uma dada mistura de átomos.

Assim, por exemplo, um par de isótopos que tem sido usado é Rênio e Ósmio. Re¹⁸⁷ decai transformando-se em Os¹⁸⁷ com uma meia-vida de 40 bilhões de anos. Analisando esse par de isótopos apura-se que a idade do Universo está entre 11,6 e 17,5 bilhões de anos.

Outros elementos usados para esta estimativa são o Urânio²³⁸ e o Tório²³² que tem meia-vida de 4,468 e 14,05 bilhões de anos. Análises e comparações entre esses dois elementos levam a idade do Universo a 14,5 ^+2,8 _-2,2 bilhões de anos, segundo Dauphas (2005, Nature, 435, 1203).

Aplicação deste método para apuração da idade em estrelas antigas

Cowan et al., em 1999 apuraram a idade de 15,6 ± 4,6 bilhões de anos para duas estrelas: CS 22892-052 e HD 115444.

A estrela anciã CS 31082-001 é um dos marcos para se estabelecer a idade do Universo

Outra estrela, a CS 31082-001, mostra uma idade de 12,5 ± 3 bilhões de anos baseada no decaimento do Urânio²³⁸ [Cayrel et al. 2001, Nature, 409, 691-692]. Mais tarde, Wanajo et al. refinou o cálculo pelo método do decaimento do Urânio/Tório obtendo 14,1 ± 2,5 bilhões de anos para a idade desta antiga estrela.

2. Idade dos aglomerados estelares antigos:

Quando as estrelas realizam a nucleossíntese transformando hidrogênio em hélio em seus núcleos, elas se enquadram dentro de uma curva simples dentro do diagrama H-R (criado por Hertzsprung e Russell). Esta trilha é conhecida como a ‘seqüência principal’, uma vez que a maioria das estrelas do Universo se encontra nesta fase de seu ciclo de vida. Uma vez que a luminosidade (L) varia proporcionalmente a uma potência de sua massa, entre M³ e M⁴, o tempo (T) de vida da estrela na seqüência principal pode ser calculado pela fórmula T=k/L^0,7 onde k é uma constante (T proporcional ao inverso de L^0,7).

Assim, se você medir a luminosidade da estrela mais brilhante na seqüência principal você conseguirá definir a idade limite superior do aglomerado estelar:

Idade < k/L_max^0,7

Assim, estatisticamente, para aglomerados estelares com milhares de membros essa fórmula se aplica sem distorções e a idade do aglomerado é praticamente igual a k/L_max^0,7

Usando esse método nos aglomerados globulares Chaboyer, Demarque, Kernan e Krauss (1996, Science, 271, 957) calcularam em 12,07 bilhões de anos (com 95% de certeza) a idade mínima do Universo. Gratton et al. calcularam idades entre 8,5 e 13,3 bilhões de anos sendo 12,1 o valor mais provável. Reid estimou a idade entre 11 e 13 bilhões de anos e Chaboyer et al. estabeleceram 11,5 ± 1,3 bilhões de anos para a idade média do mais velho dos aglomerados globulares mais antigos.

3. Idade das anãs brancas mais antigas:

O estudo das anãs brancas do aglomerado globular M4 permitiu o cálculo da estimativa da idade do Universo

Uma anã-branca é um objeto com a massa equivalente ao nosso Sol e raio da ordem de grandeza da Terra. A densidade de uma anã-branca é um milhão de vezes maior que a da água. As anãs-brancas brilham como resultado do seu calor residual. As anãs-brancas mais antigas são mais frias e menos brilhantes. Pesquisando e medindo a idade das anãs-brancas no aglomerado globular M4, Em 2004, Hans et al. apuraram a idade de 12,1 ± 0,9 bilhões de anos para a M4 e conseqüentemente, considerando o tempo entre o Big Bang e a formação da M4, estimaram a idade do Universo em 12,8 ± 1,1 bilhões de anos.

Como a idade do Universo pode ser medida via radiação cósmica de microondas de fundo?

O fato notável é que as 3 maneiras descritas acima de se medir a idade do Universo junto com a estimativa do time do WMAP são plenamente consistentes!

Como é que conseguimos medir a idade do Big Bang simplesmente observando a radiação cósmica de microondas de fundo (CMB – Cosmic Micro Wave Background Radiation)? Vejamos a resposta a seguir:

A radiação de microondas cósmica parece vir uniformemente de todas as direções (é claro que existem vários tipos de fontes que emitem microondas: poeira cósmica aquecida, estrelas, galáxias e até mesmo elétrons livres espiralando em nas linhas dos campos magnéticos – mas estes tem características distintas, então estas podem ser subtraídas da equação). Essas microondas foram originadas nos elétrons que rechearam o Universo há muito tempo, logo antes de terem se combinado com os prótons livres para formar os átomos neutros de hidrogênio. Naquela ocasião a matéria comum do Universo é composta apenas de gás (plasma, na realidade), com uma temperatura praticamente uniforme em todos os lugares (havia um equilibro térmico), e emitia a radiação de corpo-negro.

Assim que o plasma tornou-se um gás neutro, a radiação térmica ficou livre para fluir pelo cosmos quando o Universo tinha cerca de 380.000 anos de idade e uma pequena parte desta radiação ainda pode ser observada hoje, através de instrumentos exóticos sensíveis tais como a sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Project (WMAP) e a sonda criogênica PLANCK. Nós detectamos essa radiação na faixa do espectro das microondas por causa do efeito Doppler, desviando a freqüência para o vermelho, causado pela expansão do Universo.

A radiação cósmica de microondas de fundo (CMB) é a mais perfeita radiação de corpo negro conhecida, mas não se trata de um corpo-negro perfeito! A CMB tem um pólo quente e um mais frio, devido ao movimento de nosso sistema solar + a galáxia. Ela também apresenta flutuações da ordem de 1 até 10 µK (sim, µK quer dizer micro-Kelvin, um milionésimo de um grau de temperatura), o que parece ruído aleatório para nós (ruído branco). Mas a CMB não é aleatória, ao contrario, ela nos dá assinatura dos processos físicos primordiais, a maior parte original do tempo onde os fótons tornaram-se livres para fluir (alguns são devido aos efeitos da massa e energia ao longo do caminho entre o plasma primordial e nós). Por exemplo: o som, com em qualquer gás o som pode viajar através do plasma universal e os fótons da CMB podem reter informações sobre os últimos sons daquela época.

Os dados da WMAP revelam que o seu conteúdo inclui 4,6% de átomos, a matéria bariônica (convencional) da qual são feitas as estrelas e os planetas. A matéria escura compreende 23% do Universo (gráfico superior). A WMAP revelou uma diferente composição do Universo primordial, com a presença massiva dos neutrinos cósmicos, 10%, quando o Universo tinha 380.000 anos de idade (gráfico inferior). A matéria escura, diferente dos átomos, não emite nem absorve luz (não inteage com as radiações eletromagnéticas). A matéria escura apenas detectada indiretamente devido à interação gravitacional com a matéria convencional. 72% do Universo é composto por "energia escura", que atua como uma espécie de força repulsiva, 'anti-gravidade'. Esta energia, diferente da matéria escura, é responsável pela aceleração da expansão do Universo. Os dados da WMAP são precisos até dois dígitos, por isso o total destes números não dá exatamente 100%. Isto reflete os limites atuais da capacidade da WMAP de definir a matéria escura e a energia escura. Crédito: NASA/WMAP

Pela análise criteriosa das flutuações da CMB a densidade da matéria, junto com a energia escura, dos primórdios do Universo, pode ser enfim calculada, assim como a composição da matéria primordial (matéria comum, neutrinos e matéria escura). Colocando-se estas estimativas nas equações da Teoria da Relatividade Geral temos os resultados da dimensão da velocidade de expansão do Universo. Compare então tais resultados com a constante de Hubble que foi recentemente recalculada, que mede como o Universo se expande agora e temos a noção da idade do Big Bang. Esta página do WMAP e o artigo Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations: Cosmological Interpretation explicam o tema em mais detalhes.

Para saber mais sobre o Big Bang e as origens do Cosmos recomendamos fortemente a leitura do excelente artigo de Hubert Reeves:

Os Primeiros Momentos do nosso Universo

Fontes e referências

Sobre os 3 métodos independentes de cálculo da idade do Universo

Age of the Universe por Edward L. Wright

Independent age estimates por Emad Iskander

Nature: The U/Th production ratio and the age of the Milky Way from meteorites and Galactic halo stars

ArXiv.org:

• R-Process Abundances and Chronometers in Metal-Poor Stars
• The r-process in the neutrino winds of core-collapse supernovae and U-Th cosmochronology
• A Lower Limit on the Age of the Universe
• HST Observations of the White Dwarf Cooling Sequence of M4

ESO: How Old is the Universe? First Reading of a Basic Cosmic Chronometer with UVES and the VLT

Science Daily: Hubble Uncovers Oldest “Clocks” In Space To Read Age Of Universe

Cosmologia – UFRGS: A idade do Universo

Sobre o WMAP e o Big Bang

Os Primeiros Momentos do nosso Universo

Universe Today:

• Big Bang Age por Jean Tate
• How Old is the Universe?
• Planck Starts Collecting Light Left Over From Big Bang
• Beginning of the Universe

Palestra astronômica: How Old is the Universe?

Curso de Cosmologia do Observatório Nacional

Eternos Aprendizes:

• 5 anos do WMAP revelaram três grandes segredos do Universo: os neutrinos primordiais, o fim da idade das trevas e a inflação cósmica
• Novo modelo cosmológico tenta dar novas pistas sobre o Big Bang e o Universo inflacionário
• Estudo independente confirma: o destino do Universo é controlado pela Energia Escura

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