A cosmologia é a ciência do universo. O seu objetivo final é responder questões cruciais: de onde surgiu o universo, como ele se organiza e para onde ele vai. Os cosmólogos são físicos e astrônomos, que atuam tanto nas esferas teóricas quanto experimentais e observacionais.
O universo pode ser contemplado como um conjunto de pontos, onde cada ponto é uma galáxia. A Via Láctea é a nossa galáxia, um sistema de bilhões de estrelas, entre elas o nosso Sol. O universo contém pelo menos centenas de bilhões de galáxias. A cosmologia estuda o universo das galáxias e pretende, desta forma, responder as questões apresentadas acima.
A teoria cosmológica dominante no momento é conhecida popularmente como a 'teoria do Big Bang'. Esta teoria é baseada na teoria da gravitação -- a teoria que descreve o peso das coisas -- de Albert Einstein (1879-1955), a chamada Teoria da Relatividade Geral.
Muitos físicos teóricos e astrônomos contribuíram para o estabelecimento do atual modelo padrão da cosmologia. A propósito, um modelo é chamado de 'padrão', quando ele goza de maior apoio científico em determinado momento, apesar de não ser ainda comprovado.
Tudo começou em 1917, portanto, há pouco mais de 90 anos, quando Einstein propôs o primeiro modelo cosmológico relativístico, isto é, baseado na Teoria da Relatividade Geral. Este modelo, hoje considerado ultrapassado, serviu como semente, bastante profícua, de uma série de estudos teóricos que visavam a entender a estrutura geral do universo, tanto espacialmente quanto temporalmente. O modelo de Einstein marca o início da cosmologia relativística.
O modelo padrão da cosmologia atual é a modificação de um dos modelos relativísticos históricos: o modelo do cosmólogo russo Alexander Friedmann (1888-1925). Logo após a proposta de Einstein, Friedmann publicou, no início da década de 1920, os seus estudos.
Eles se constituíam em soluções das equações da relatividade geral, aplicadas ao universo, sob uma hipótese simplificadora, que ficou conhecida, posteriormente, como o 'princípio cosmológico'.
Um 'princípio' científico é uma afirmação que é aceita, como hipótese de trabalho, embora não possa ser demonstrada teoricamente, ou verificada de maneira experimental ou observacional.
Muito bem, o princípio cosmológico afirma que, em determinado instante, o universo é o mesmo em todos os lugares. Isto significa que, exceto por irregularidades locais,
o universo nos apresenta, em média, a mesma aparência, no que diz respeito à distribuição das galáxias. Dizemos, então, que o universo é 'homogêneo' e 'isotrópico'. Isotrópico significa 'o mesmo, em qualquer direção'.
Ora, as equações da relatividade são de uma complexidade matemática muito grande, mas com o princípio cosmológico elas são grandemente simplificadas, e elegantes soluções são possíveis. As soluções obtidas por Friedmann resultaram no seguinte modelo de universo:
(1) o espaço tridimensional evolui no tempo -- expande-se --, a partir de uma
'singularidade', isto é, de um universo de tamanho igual a zero. Obviamente, isto é uma idealização, nada pode ser realmente de tamanho zero! Mas deixemos esta questão de lado, pelo menos por enquanto. Uma determinada quantidade de energia também é criada neste instante inicial. Posteriormente, parte da energia transforma-se em matéria.
(2) A maneira como ocorre a expansão depende da quantidade de energia criada no instante inicial. Teremos três possibilidades, as quais recebem os nomes de 'universo fechado', 'universo crítico', ou 'plano', e 'universo aberto'. A seguir descreveremos estes três 'universos'. Antes porém, façamos uma analogia, que nos será bastante esclarecedora. As evoluções dos universos de Friedmann podem ser comparadas com os movimentos possíveis de uma pedra arremessada, verticalmente para cima, por alguém que tenha capacidade de imprimir à pedra uma velocidade inicial tão grande quanto ele queira.
Neste caso, temos também três possibilidades, dependendo da velocidade, isto é, da energia inicial da pedra: primeiro, a pedra sobe até uma certa altura e retorna ao chão; segundo, a pedra sobe indefinidamente, escapa da atração gravitacional da Terra, e atinge o estado de repouso numa distância muito grande do chão -- no 'infinito'; e, terceiro, a pedra sobe indefinidamente, mas nunca atingirá um estado de repouso, nem mesmo a uma distância infinita da Terra.
O universo fechado corresponde à primeira pedra. A expansão do universo eventualmente cessará, e o universo colapsará sobre si mesmo. Um novo evento de 'criação' ocorre e temos um novo ciclo de expansão. Teoricamente, o universo fechado é cíclico. Mas pode não ser, já que as teorias físicas atuais deixam de ser válidas, quando o tamanho do universo se aproxima de zero.
A ciência não contém a chave de todos os mistérios da natureza, como gostaríamos. O espaço do universo fechado é curvo. Ele é curvo como é curva a superfície bidimensional de uma esfera. Só que, em nosso caso, o espaço tridimensional é que é curvo. Curvo como a superfície tridimensional de uma hiperesfera no hiperespaço -- matemático -- de quatro dimensões. A geometria deste universo não é euclidiana. Por exemplo, a soma dos ângulos internos de um triângulo cósmico é maior do que 180 graus.
O conteúdo de matéria e energia do universo é grande o suficiente, de modo a parar a expansão. A taxa de expansão diminui progressivamente até que a expansão cessa. Ela está sendo freada pela massa e energia contidas no universo. Neste instante -- ao cessar a expansão --, o universo possui um tamanho finito. Dizemos, então, que o universo é fechado e finito.
Representação bidimensional das geometrias dos modelos fechado, aberto e plano de Friedmann. Em vermelho, os triângulos 'cósmicos'. (Crédito: Domínio público)O universo crítico, ou plano, corresponde à segunda pedra. A expansão só cessará quando o universo tiver um tamanho muito, muito grande, o que é chamado em matemática, de 'infinito'. A geometria é plana, ou seja, ela obedece aos postulados de Euclides (século III a.C.), que são os fundamentos de nossa geometria usual. O conteúdo de matéria e energia do universo é apenas o suficiente para que a expansão cesse no infinito. A taxa de expansão diminui também, como no universo fechado, e vai a zero no infinito. O universo é plano e infinito.
O universo aberto corresponde à terceira pedra. A energia e a matéria criadas no Estrondão não são suficientes para conter a expansão. Mesmo ao atingir um tamanho infinito, o universo estará em expansão. A geometria é análoga àquela que vigora sobre a superfície bidimensional de uma sela de cavalo. A soma dos ângulos internos de um triângulo cósmico é menor do que 180 graus. Imagine agora -- nós conseguimos, a imaginação é livre, infinita! -- uma sela tridimensional imersa num hiperespaço de quatro dimensões. É assim o modelo aberto de Friedmann. A taxa de expansão estará diminuindo, como nos outros universos de Friedmann, mas a expansão nunca cessará. O universo é aberto e infinito.
Os modelos de Friedmann são muito bonitos e ricos, do ponto de vista conceitual. Entretanto, já se sabe que eles não se aplicam ao universo real. O que é, verdadeiramente, uma pena! Mas os cosmólogos do modelo padrão não desistiram deles. Eles introduziram novas idéias -- por exemplo, as idéias das existências da 'matéria escura' e da 'energia escura' --, de modo a torná-lo consistente com o que eles acreditam ser o universo real, isto é, o universo observado.
A conclusão final é que ainda não possuímos um modelo cosmológico satisfatório. Ainda não sabemos como se organiza e evolui o universo das galáxias. Os esforços continuam. Isto é o que nos anima e entusiasma!
O autor agradece o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG).