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out 01

Qual é a idade do Universo? Como calcular isso?

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

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 310082-001 ajudou na estimativa de sua idade.

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

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/L0,7 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/Lmax0,7

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/Lmax0,7

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 realizar-se a estimativa da idade do Universo

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, como 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

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

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

Palestra astronômica: How Old is the Universe?

Eternos Aprendizes

._._.

3 comentários

17 menções

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  1. José

    Interessante esta matéria e bem completa, parabéns. No judaísmo tem-se o conceito de que a ciência irá comprovar o conhecimento e sabedoria da Torah. Seguindo esta linha, nenhuma novidade a idade desde o século 11…
    Vamos a matemática do negócio..segundo Rav Itschak de Ako (Sábio judeu), que viveu no seculo 11, o universo teria exatamente (em sua época) 15 bilhoes, 340 milhoes e 500 mil anos !! Calculando… Segundo o Sefer Hatmuná (seculo 12), o mundo terá 7 ciclos de 7 mil anos cada e segundo esta teoria e stamos no ultimo ciclo (1223 anos restantes). Portanto ja se passaram 6 ciclos antes da criacao de Adam Harishom (o primeiro homem). Entao 6 ciclos x 7 mil anos = 42.000 anos se passaram antes deste ciclo que estamos (no ano judaico 5770). Uma vez que estes anos se referem a um periodo anterior a criacao do Homem, entao a contagem deles seriam de acordo com os anos Divinos. Um dia Divino vale mil anos terrestres (segundo fontes judaicas de 2000 anos atraz, Midrash), portanto um ano Divino vale? Vamos la, regra de tres, todos nos aprendemos no colegio…1 ano = 365 ¼ dias. Se um dia vale 1000 anos, entao 365 ¼ valem 365.250 anos. Ou seja um ano Divino vale 365.250 anos terrestres. Portanto os 42 000 anos multiplicados por 362.250 anos resultam em 15.340.500.000 anos !!! No ano de 1100 este valor ja circulava pelos meios dos alunos do Ramban, o Rav Itschak de Ako…
    Fonte: Bisker, S. Saiba oque responder: Perguntas e Respostas Sobre Temas Centrais do Judaísmo. (Portuguese Edition). 248p. 2014.

  2. Anderson

    Sou fascinado pela astronomia e aprendi muito com este site.

    Seria interessante colocar vídeos ou links do youtube aqui no site. tem muita coisa legal lá sobre astronomia.

    EX: History Channel – O Universo: Galáxias Longínquas
    History Channel – O Universo: Vida e Morte de uma Estrela
    History Channel – O Universo: Vivendo no Espaço
    History Channel – O Universo: Extra-Terrestre
    History Channel – O Universo: Super Novas
    History Channel – O Universo: Buracos Cósmicos
    History Channel – O Universo: Planetas Externos
    History Channel – O Universo: Vênus e Mercúrio
    History Channel – O Universo: Rostos Alienígenas
    History Channel – O Universo: Fenômenos Cósmicos

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