Cosmologia - Prof Dr Antonio Junior

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Prof. Dr. Antonio Carlos Martinho Junior 
1ª Edição 
Cosmologia	
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Era uma noite fria e de céu limpo no 
Parque Nacional do Itatiaia, região 
sudeste do Brasil. Apesar de toda a 
escuridão da noite, parecia haver mais 
estrelas do que de costume. A 
ausência de iluminação artificial 
permitia que brilhantes que pareciam 
cintilar no céu noturno. Seu pai, 
Henrique, era um famoso professor de 
Física que possuía uma paixão 
incomum: saber qual teria sido a 
origem de todas as coisas. 
 Henrique tinha consciência de 
que saber a origem de todas as coisas, 
em seus mais profundos segredos, era 
algo inconcebível para qualquer 
mente humana, até mesmo para 
aquelas que possuíam um talento 
especial. Durante anos estudara nas 
melhores universidades brasileiras, 
mas seu ápice ocorreu no ano de 2008 
quando foi estudar num dos mais 
renomados institutos de pesquisas do 
mundo, o CERN. 
 Naquela noite de acampamento, 
Théo viu pela primeira vez uma estrela 
cadente. Intrigado, foi perguntar ao 
pai o que era aquele rastro de luz que 
cruzara o céu bem diante de seus 
olhos. Será que as estrelas começaram 
a cair? Ficou com medo. Como todos 
os pais fazem, Henrique quis explicar o 
que havia acontecido, mas 
diferentemente do que normalmente 
ocorre com a maioria dos pais, 
Henrique sabia profundamente do que 
iria falar, só precisava acertar o tom. É, 
ia ser uma longa noite de perguntas e 
respostas. 
 - Estamos sendo constantemente 
bombardeados por diversos 
meteoritos, mas quando eles entram 
na atmosfera, essa região que possuir 
“ar”, ele entra em atrito e se desfaz 
completamente. O que você viu foi 
exatamente isso, um meteorito que 
entrou em nossa atmosfera e foi 
aniquilado por ela -, explicou o pai, 
1. Introdução 
	
  
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entusiasmado. 
 Encantado com o fato de que 
nosso planeta está sendo 
constantemente bombardeado por 
meteoritos, mas que eles não atingem 
o solo, Théo lembrou-se 
imediatamente de uma foto que vira 
nas aulas de ciências. Era uma foto da 
Lua, cuja superfície, nas palavras do 
pequeno, parecia um queijo cheio de 
buracos. Logo surgiu a pergunta, 
quase em tom de afirmação: 
 - Mas pai, quer dizer então que 
na Lua não existe essa tal de 
“atmosfera”? Então lá não dá para ver 
estrelas cadentes? 
 - Exatamente, Théo. Henrique 
ficou surpreso com a destreza 
intelectual do filho. 
 Apesar de decepcionado com o 
fato de não poder ver uma estrela 
cadente caso um dia fosse a Lua, Théo 
começou a pensar o que seriam todos 
aqueles pontos brilhantes no céu. 
Naquele dia, seu pai havia levado um 
telescópio novinho em folha que havia 
comprado. 
 Após alguns minutos observando 
as estrelas, as quais pareciam ter sido 
colocadas à mão em posições que 
formavam as mais diferentes figuras, 
desde picolés a personagens de 
desenho animado, Théo sucumbiu o 
silêncio com uma pergunta cuja 
resposta iria mudar para sempre sua 
forma de ver as coisas, aliás, todas as 
coisas. 
 - Pai, de onde vem as estrelas? 
 
 
 Talvez você não se pareça com Théo, mas muito provavelmente já parou, nem 
que por alguns segundos, para olhar o céu numa noite estrelada. A partir desse 
momento você vai fazer uma viagem no espaço-tempo de 13,7 bilhões de anos. 
Tudo que será visto aqui servirá de base para a compreensão não somente das 
demais disciplinas que compõem a grade de Ciências, mas principalmente lhe 
abrirá portas para você entender por que você está aqui e por que tudo está aqui 
do jeito como o percebemos. Física, Química e Biologia são disciplinas que tem um 
objetivo em comum, porém com focos distintos. O importante é ter em mente que 
elas compõem algo único, que é simplesmente entender a natureza. 
 
 As questões que responderemos nas próximas páginas tem uma 
particularidade essencial – elas conduzem a mais perguntas, mais complexas que as 
primeiras. Isto é ciência! Seja bem-vindo ao seu próprio Universo, mas de um jeito 
completamente diferente do que você pode imaginar. 
 
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De uma forma ou de outra, todos os 
povos que já habitaram a superfície 
terrestre tentaram explicar a origem 
do Universo. Entende-se por mito de 
criação as explicações não baseadas 
em evidências científicas para a 
origem do Universo. 
 Dentro dos mitos de criação 
podemos encontrar toda sorte de 
ideias. Um deus ou múltiplos deuses, 
caos e ausência de uma origem são 
apenas algumas das respostas a 
questão mais difícil de ser respondida. 
Afinal de contas, como tudo começou? 
 Os índios Yanomami (América do 
Sul) e Maori (Nova Zelândia), mesmo 
separados pela distância, não somente 
física, como também cultural, 
compartilham a crença de que o 
Universo surgiu do nada. Por outro 
lado, os taoistas (crença de origem 
chinesa) creem que o Universo surgiu 
do caos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 No Egito antigo existiam 
diversos mitos de criação e dentro 
deles podemos contar mais de 10 
divindades criadoras. Um dos mitos de 
criação egípcios conta que o Universo 
surgiu de uma água primordial. 
Acreditavam que antes de todas as 
coisas não havia nada senão trevas e 
água primordial. Essa água primordial 
era chamada de Nun, um oceano à 
semelhança do rio Nilo que continha 
todos os germes da vida. 
 Já a mitologia grega da criação 
nos conta que o Universo surgiu do 
Caos, a existência indistinta. Depois 
nasceram a Terra (chamada de Gaia) e 
Eros. O Caos gerou a Noite que, por 
conseguinte, gerou o Dia. Sob a 
2. Mitos de 
Criação 
	
  
Figura 2.1 – Índios Maoris (esquerda) e Ianomamis (direita), mesmo com suas culturas separadas 
por milhares de quilômetros, compartilhavam a mesma ideia para explicar a origem do Universo. 
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responsabilidade de Gaia ficaram a 
criação do Céu (chamado de Urano), 
das Montanhas e do Mar. Gaia uniu-se 
a Urano e deles originaram-se os Titãs, 
Réia, Têmis, os Gigantes, Cronos (o 
tempo) dentre outros. 
 Independente do mito de 
criação escolhido, a criação do 
Universo ocorreu em algum momento 
do passado. Naturalmente, com o 
avanço das sociedades, os mitos de 
criação passaram a ser questionados e 
diversos cientistas de todas as partes 
do mundo, independente de seus 
posicionamentos religiosos, políticos 
ou culturais, passaram a investigar o 
assunto de maneira cada vez mais 
profunda. Essas investigações levaram 
ao desenvolvimento de diversas 
teorias científicas sobre a origem de 
tudo. Todas elas, exceto a do Big 
Bang, foram rejeitadas por não 
conseguirem explicar, de fato, o 
Universo como ele se apresenta 
atualmente. Esse é o mecanismo 
básico que torna a Ciência diferente 
de qualquer tipo de religião: você 
pode testar, a qualquer momento, as 
propostas e rejeitá-las ou, pelo 
contrário, testar uma proposta e 
verificar que ela é realmente válida. 
Qualquer um pode fazer isso, inclusive 
você. Basta ser curioso e se empenhar 
para se tornar um bom cientista. 
 
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 Para o mundo ocidental, os gregos foram os 
primeiros a tentar explicar a origem do Universo de 
maneira racional, não apoiada em mitos de criação. 
Aristóteles propôs, 340 a.C., que a Terra seria o centro do 
Universo, sob a qual orbitariam todos os outros planetas 
conhecidos, bem como o Sol. A primeira órbita, a mais 
próxima da Terra, seria a da Lua, seguida por Mercúrio, 
Vênus, Sol, Marte, Júpiter, Saturno e, por último, a órbita 
das estrelas (Figura 3.2). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Primeiras 
tentativas 
baseadas na 
razão 
Figura 3.1 – O filósofo grego Aristóteles 
foi o primeiro, pelo menos na história 
ocidental, a tentar explicar a origem do 
Universo. 
Figura 3.2 - Modelo 
Heliocêntrico proposto por 
Aristóteles: o planeta Terra 
fica no centro do Universo e o 
Sol, a Lua e os demais astros 
giram em torno dela. 
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 Alémde posicionar a Terra no 
centro do universo, Aristóteles 
também afirmou que todos os corpos 
que a orbitavam eram formados por 
uma substância genérica chamada de 
Quintessência, ou Éter. Ainda, entre a 
Terra e a Lua, existiam todos os 
elementos que nos tornavam únicos na 
imensidão do Cosmo. Esses 
elementos, o ar, a terra, a água e o 
fogo, permitiam a existência de 
reações quando estivessem fora do 
seu lugar natural. Mas como assim? 
 Aristóteles acreditava que uma 
pedra só caía por que seu local de 
origem não é no ar, e sim na terra. 
Essa foi a primeira explicação baseada 
no racionalismo, mesmo que incorreta, 
para a gravidade. A ampliação das 
ideias sobre a gravidade permitiu a 
Aristóteles chegar a conclusão de que 
um um objeto mais pesado que outro 
cai mais rapidamente. Novamente, 
Aristóteles estava enganado, e esse 
erro perdurou por mais de 1800 anos 
até ser corrigido por Galileu Galilei. 
 Talvez você esteja se 
perguntando por que um erro como 
esse durou tanto tempo. Para 
compreender isso devemos voltar 
nossos olhos para a história daquela 
época. A Igreja Católica dominou toda 
a Europa durante todo o primeiro 
milênio, impondo suas teorias sobre a 
origem do Universo. Posicionar a Terra 
no centro do Universo dava aos 
homens um destaque de altíssima 
importância perante a criação divina. 
Assim, durante quase dois milênios 
perdurou a teoria incorreta de 
Aristóteles. Contudo, a ascensão do 
protestantismo na Europa na segunda 
metade do século XVI começou a 
abalar o poder da Igreja Católica. 
Dentro de pouco tempo alguns 
pensadores começaram a questionar a 
veracidade das proposições 
aristotélicas quanto ao seu 
pensamento geocêntrico. 
 O polonês Nicolau Copérnico foi 
o primeiro intelectual a questionar o 
geocentrismo aristotélico. Copérnico, 
mesmo sem a ajuda de um telescópio 
- que ainda não tinha sido inventado - 
foi capaz de afirmar que na verdade 
não era o Sol que orbitava a Terra, mas 
pelo contrário, a Terra orbitava o Sol. 
 Após a invenção do telescópio, 
que originalmente foi criado para a 
guerra, as coisas podiam ser 
efetivamente vistas. Galileu Galilei, 
num súbito genial, resolveu apontar 
pela primeira vez o telescópio para o 
céu. Desse fato em diante, toda a 
história da humanidade tomaria um 
novo rumo. 
 As observações de Galileu Galilei 
apoiavam a teoria heliocêntrica de 
Nicolau Copérnico. Todavia, a 
divulgação dos resultados de suas 
observações não foram bem vistas 
pela Igreja Católica. Galileu Galilei, 
para evitar ser queimado vivo pela 
inquisição, foi obrigado a afirmar que 
sua teoria estava incorreta e, daí em 
diante, viver em prisão domiciliar pelo 
resto da sua vida. 
 De qualquer forma, a certeza de 
um mundo geocêntrico havia 
começado a ruir. Era só uma questão 
de tempo até outros cientistas 
começarem a publicar trabalhos 
afirmando a veracidade da descoberta 
de Galileu Galilei. 
 Não tardou muito e Johannes 
Kepler foi o primeiro cientista a dar um 
tratamento matemático as 
observações do astrônomo 
dinamarquês Tycho Brahe, o qual 
havia feito medições celestes com 
precisão não vista na época. Kepler foi 
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chamado por Brahe para realizar os 
cálcuos necessários para comprovar a 
teoria do geocentrismo. Contudo, de 
posse das medições realizadas por 
Brahe, Kepler acabou comprovando, 
de maneira inverossímil, a teoria 
heliocêntrica. Pela primeira vez na 
história a astronomia era descrita por 
leis físicas, dando origem a um novo 
ramo da ciência: a Astrofísica.
 
 
 
 
 
 Difícil imaginar alguém que 
tenha nascido prematuro, sem pai e 
que tenha sido abandonado pela mãe 
aos 3 anos de idade possa 
revolucionar o mundo da maneira que 
Isaac Newton fez. 
 Newton foi o primeiro cientista a 
não somente dar uma explicação 
correta para o motivo pelo qual os 
objetos caem, mas também a criar 
uma nova matemática para explicar a 
gravidade. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
E	
  Deus	
  então	
  disse:	
  Faça-­‐se	
  
Newton!	
  
E	
  tudo	
  se	
  iluminou.	
  
Figura 3.3 – O britânico Isaac Newton (esquerda) e o alemão Gottfried Wilhelm von Leibniz 
(direita). Ambos desenvolveram o cálculo independentemente e, por isso, existe uma eternal 
brig pela “paternidade” de tal ferramenta matemática. 
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 Compreender a força da 
gravidade é de vital importância para 
entender o mecanismo de evolução 
do Universo. A gravidade é uma força 
que age a distância (não precisa haver 
contato) e é sempre uma força atrativa. 
Matematicamente podemos descrever 
a força da gravidade pela equação da 
gravitação universal: 
 
 
 
 
 
 
 
Como podemos ver pela equação 
acima, a força da gravidade é tão 
maior quanto forem maiores as massas 
dos objetos (produto entre M e m). Por 
outro lado, ela diminui com o 
quadrado da distância, o que significa 
que quanto mais afastados estiverem 
os objetos, menor será a força de 
atração entre eles. Assim, massa e 
distância são elementos fundamentais 
que devemos levar em consideração 
quando falamos em gravidade. 
 Para ilustrar matematicamente, 
vamos considerar a força da gravidade 
existente entre a Terra e o Sol. 
Supondo que a massa da Terra seja 
igual a 6.1024 Kg, a massa do Sol igual 
a 2.1030 Kg, a distância que os separam 
igual a 150 milhões de quilômetros e a 
constante da gravitação universal (G) 
igual a 6,7.10-11 N.m2/kg2, substituindo 
esses valores na equação acima temos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 Apesar da grande fama, Newton 
não tinha as Ciências naturais como 
principal objeto de estudo. Grande 
parte de todo seu trabalho estava 
voltada para a Astrologia e Alquimia. 
De fato, acredita-se que apenas 30% 
de sua obra está voltada para a 
Ciência. 
 Embora pareça simples, para 
Newton desenvolver as equações que 
regem o Universo em seu aspecto 
mascroscópico, ele antes precisou criar 
um novo ramo da matemática: o 
cálculo. Isso mesmo, Newton não 
somente desenvolveu uma nova 
interpretação do Universo como 
também criou o cálculo. O cálculo 
diferencial e integral, ensinado 
somente em cursos superiores no 
Brasil, é de fundamental importância 
para compreender muitos aspectos da 
Física, da Química, da Biologia, entre 
muitos outros. 
 
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 A teoria do Big Bang é, de acordo com o conhecimento geral, a teoria que 
explica como tudo começou. Correto? Não! 
 O Big Bang não explica como o Universo surgiu, mas como ele evoluiu após 
seu início. Esse conceito errado acerca do Big Bang é um dos responsáveis pela 
crítica inadvertida de diversos grupos que afirmam que o Big Bang não prova 
absolutamente nada. Pelo contrário, todos os dados que constituem o Big Bang 
são comprovadamente verdadeiros. 
 A descoberta de que as galáxias estão se afastando uma das outras pelo 
cientista Edwin Hubble em 1929 levou ao desenvolvimento da teoria do Big Bang 
em 1946 pelo cientista George Gamow, embora esse nome tenha sido originado de 
outra forma. Fred Hoyle, um astrônomo britânico, discordava das conclusões 
apresentadas por Hubble, visto que a ideia aceita até então era a de que o Universo 
era estacionário, ou seja, as estrelas estavam localizadas em pontos fixos no 
Universo. Durante uma entrevista ao programa The Nature of Things da rádio BBC, 
Hoyle utilizou o termo “Big Bang” para ironizar a teoria de Hubble, contudo, 
acabou dando o nome à teoria mais aceita hoje. Anos mais tarde, Hoyle veio a 
afirmar que o termo utilizado por ele no programa não tinha por finalidade satirizar 
a teoria de Hubble, mas apenas demonstrar o abismo que diferenciava as duas 
teorias. 
 Para desenvolver o conceito básico do Big Bang, os cientistas usaram um 
raciocínio lógico bem simples. Se hoje vemos que as galáxias estão se afastando 
umas das outras, ao voltarmos no tempo, elas estariam mais próximas. Seria como 
retroceder um filme em DVD, assistindo-o do fim para o começo. Quanto mais 
retrocedermos,mais próximas elas estariam até um ponto em que todas estariam 
juntas, ou seja, no começo de tudo. 
 
 
4.1 Qual seria o ponto zero? 
 Em cosmologia, o máximo que 
podemos voltar no tempo é até o que 
chamamos de era de Planck. Nesse 
momento do Universo as quatro forças 
fundamentais (força nuclear forte, 
força nuclear fraca, gravidade e 
eletromagnetismo) estavam unificadas 
e as partículas elementares ainda não 
existiam. Essa era está a 10-43 segundo 
do ponto zero absoluto e o Universo 
nesse tempo possuía 1,6.10-36 m. Pelo 
fato de que as forças fundamentais 
estavam unificadas, não faz sentido 
contar o começo do tempo como 
sendo o ponto zero real, mas sim após 
o tempo de Planck, o qual tomaremos 
aqui como sendo o ponto zero. 
 Quando voltamos ao ponto zero, 
em que o espaço e o tempo ainda não 
existiam, toda a matéria que existe em 
nosso Universo estava contida num 
único ponto que é menor do que um 
átomo (algo menor que o 
comprimento de Planck). Contudo, ela 
4. Big Bang 
	
  
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ainda não era matéria propriamente 
dita, era energia. 
 Esse ponto de energia, por 
alguma causa ainda desconhecida, 
começou a se expandir. Entre 10-43 e 
10-35 segundo o Universo se expandiu 
até atingir aproximadamente 80 vezes 
o tamanho da Terra. Nesse período de 
tempo, a energia começou a criar 
matéria e a força nuclear forte, força 
nuclear fraca e o eletromagnetismo 
estavam unificadas. Porém, a 
gravidade havia se separado desde o 
início desse período. 
 
 
 
4.2 Como essa energia se transformou em matéria 
 
 Einstein, na Teoria da 
Relatividade Geral, previu por meio de 
suas equações uma equivalência entre 
massa e energia, ou seja, que uma 
poderia ser transformada na outra. 
Essa descoberta deu origem ao 
desenvolvimento de reatores 
nucleares para gerar eletricidade pela 
transformação de parte da matéria 
que constitui o combustível nuclear – o 
Urânio. Além disso, essa descoberta 
deu suporte ao modelo do Big Bang, 
uma vez que explicava como a energia 
contida nesse ponto pode ser 
transformado em matéria. A equação 
que demonstra isso é apresentada 
abaixo: 
 
 
em que E é a energia, m é a massa 
dada em Kg e c é a velocidade da luz 
no vácuo, aproximadamente 3.108 m/s. 
 Diferentemente do que ocorrem 
Figura 4.1 – Um resumo da evolução do Universo. 
C
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itod
: N
A
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em reatores nucleares ou em bombas 
atômicas, em que a massa se 
transforma em energia, no jovem 
Universo a energia se transformou em 
massa, dando origem a matéria.
 
 
4.3 A assimetria do Big Bang 
 
 Entre 10-43 e 10-35 segundo após 
o Big Bang a matéria começou a ser 
formada. Contudo, antimatéria 
também era formada e, se ambas 
fossem criadas na mesma proporção, 
haveria uma aniquilação total e nada 
disso existiria. Dessa forma, de acordo 
com os cálculos dos cientistas, para 
cada 100.000.000 partículas de 
antimatéria foram criadas 100.000.001 
partículas de matéria. Esse 
desequilíbrio foi o suficiente para criar 
o Universo como o conhecemos hoje. 
 
 Talvez você não tenha notado, 
mas tudo que vemos a nossa volta, 
inclusive nós mesmos, é formado por 
restos de uma aniquilação 
desbalanceada ocorrida a 13,7 bilhões 
de anos. Incrível! 
 Ainda, entre 10-36 e 10-33 ou 10-32 
segundo o Universo experimentou 
uma fase de crescimento 
extremamente rápida que ficou 
conhecida como “expansão 
inflacionária”. Isso explica o fato do 
universos aparecer homogêneo e 
isotrópico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.3.1 – Na imagem (a) vemos o processo de conversão de matéria em energia pela 
aniquilação de um elétron com um pósitron. Em (b) vemos como energia pode ser 
transformada em matéria. 
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4.4 Formação dos primeiros átomos 
 
 Durante seus momentos iniciais 
de vida o Universo era extremamente 
quente. Mas, quente quanto? A 
resposta mais correta a essa pergunta 
seria: algumas bilhões de vezes mais 
quente que o centro do Sol. 
 A essa temperatura, o cientistas 
acreditavam que as primeiras 
partículas que se formavam deveriam 
se assemelhar a um gás, na verdade, 
um plasma, que nada mais é do que 
um gás ionizado. Contudo, os 
resultados de novas pesquisas 
apontam algo diferente. 
Aparentemente, as partículas 
apresentavam-se no Universo primitivo 
como um líquido. 
 Pelo fato de a temperatura ser 
extremamente alta, todas as partículas 
fluíam livremente. Isso impedia que as 
partículas se unissem para formar os 
átomos. Todavia, esse estado do 
Universo durou uma pequena fração 
de segundos. Com 1 milionésimo de 
segundo de vida o Universo se 
expandiu até chegar a 
aproximadamente 8 vezes o tamanho 
do Sistema Solar. Conforme se 
expandia a temperatura reduzia, 
reduzindo também a energia das 
partículas. 
 Quando o Universo possuía 
entre 10-5 e 10-3 segundo de vida os 
primeiros hádrons começaram a se 
formar. Hádrons são partículas 
originadas pelas união de quarks que 
são mantidos dessa forma pela força 
nuclear forte. Exemplos de hádrons 
são o próton e o nêutron. Por 
enquanto não se preocupe com a 
estrutura da matéria, mais adiante 
dedico um capítulo só a isso. 
 Após a formação dos hádrons 
(Era Hadrônica) começaram a se 
formar os Léptons, cuja partícula mais 
conhecida é o elétron. Isso ocorreu 
entre 10-3 e 1 segundo após o Big 
Bang. 
 Com a temperatura um pouco 
mais baixa devida a contínua expansão 
do Universo, os prótons e nêutrons 
puderam se unir formando o esboço 
dos primeiros átomos. Os núcleos de 
Hidrogênio e Hélio foram os primeiros 
a serem formados, mas ainda não 
eram átomos propriamente ditos pois 
a alta temperatura (10 milhões de 
graus Celsius) ainda não permitia que 
os elétrons se unissem a eles. Esse 
estágio do Universo durou cerca de 
300.000 anos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4.5 O desespero de Penzias e Wilson 
 Arno Penzias e Robert Wilson 
trabalhavam na construção de um 
antena para a Bell Labs, em 1964, que 
tinha como finalidade estudar ondas 
de rádio vindas do espaço. Ao verificar 
os dados obtidos pela antena, 
observaram um ruído no sinal que 
vinha de todas as partes do cosmo, o 
qual eles não conseguiam explicar. 
Após eliminar todas 
as possibilidades 
possíveis, incluindo 
pombos e seus 
excrementos que 
estavam na antena, 
Penzias e Wilson 
publicaram um artigo 
relatando suas 
observações. 
Posteriormente, Robert Dicke 
identificou esse ruído como sendo a 
Radiação Cósmica de Fundo, um tipo 
de eco do Big Bang. 
 Uma das características da 
Ciência é a capacidade de fazer 
previsões teóricas para serem testadas 
experimentalmente. Caso uma 
previsão teórica seja demonstrada 
experimentalmente, confirmamos a 
teoria. Isso foi exatamente o que 
aconteceu com a radiação cósmica de 
fundo. Ela havia sido proposta em 
1948 pelos cientistas George Gamov, 
Ralph Alpher e Robert Herman. Mas 
será que você é capaz de observar ou 
ouvir essa radiação cósmica de fundo? 
A resposta é sim, e provavelmente 
você já fez isso. 
 Sabe quando 
estamos sintonizando 
um rádio e entre as 
estações ouvimos um 
chiado irritante? Ou 
na televisão, que 
quando mal 
sintonizada aparece 
uma tela cheia de 
chuviscos acompanhada pelo mesmo 
chiado que você ouve no rádio? Então, 
cerca de 1% desse chiado e dos 
chuvisco da tela são radiação cósmica 
de fundo, a mesma encontrada por 
Penzias e Wilson. Você está ouvindo os 
ecos da formação dos primeiros 
átomos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 4.5.1 - Antena construída por Penzias e 
Wilson. 
Figura 4.5.2 – Os cientistas limpam os 
excrementos dos pombos numa tentativa 
desesperada de identificar a origem do ruído. 
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 Conforme o Universo continuava 
a se expandir e resfriar, os elétrons 
puderam se unir aos núcleos atômicos 
de Hidrogênio e Hélio formando então 
os primeiro átomos. Com isso, a 
quantidade de elétrons livres diminuiu 
rapidamente e os fótons que antesinteragiam livremente com eles para 
formar núcleos de hidrogênio agora 
podiam vagar livremente pelo jovem 
Universo, resultando num 
desacoplamento entre radiação e 
matéria. Tal desacoplamento recebeu 
o nome de recombinação. 
 Com o passar do tempo, os 
fótons começavam a se resfriar ainda 
mais até atingirem a temperatura de 
2,7 K. De acordo com a teoria do Big 
Bang, a radiação do espaço que se 
mede hoje teve origem em uma 
superfície esférica que chamamos de 
superfície de última difusão. Essa 
superfície de difusão representa o 
conjunto de pontos do espaço em que 
o processo de recombinação ocorreu.
 
 
 
 
4.6 Formação de átomos mais pesados 
 
Até o momento vimos como os 
primeiros átomos foram criados. 
Hidrogênio e Hélio são átomos leves 
que compõem nosso Universo e eram 
os únicos durante os 200 milhões de 
anos de vida do universo. Mas como 
será que todo o restante da tabela 
periódica foi originado? 
Figura 4.5.3 – Evolução da qualidade das imagens da radiação cósmica de fundo. 
16	
   Cosmologia	
  
	
  
 O Universo não foi gerado de 
maneira perfeita, e por isso muito 
cientistas usam o termo “Criação 
Imperfeita” para citar o Big Bang. Tal 
imperfeição deve-se a pequenas 
oscilações em sua estrutura, as quais 
foram detectadas pela sonda espacial 
WMAP, lançada em 2001 ao custo de 
US$ 150 milhões. Essas imperfeições 
foram descobertas pelo estudo mais 
preciso da radiação cósmica de fundo 
e delas se originaram o que hoje 
chamamos de estrelas e galáxias. 
Essas variações podem ser vistas numa 
das mais fantásticas imagens 
obtidas pelo 
ser 
humano 
(imagem do centro 
da página). 
 A imagem da sonda WMAP 
mostra que Penzias e Wilson, assim 
como os demais cientistas, estavam 
enganados quanto ao fato de 
acreditarem que a radiação cósmica 
de fundo era igual em todas as 
direções. Contudo, esse engano só 
poderia ser desfeito com os sensores 
altamente sensíveis da sonda WMAP, 
não diminuindo em nada a 
importância das descobertas 
realizadas por esses cientistas. 
 Uma análise da imagem da 
radiação cósmica de fundo obtida pela 
sonda WMAP nos revela regiões de 
diferentes densidades, demonstrando 
que regiões mais densas formaram 
agrupamentos de galáxias. Já as 
regiões de baixa densidade crescem e 
tornam-se espaço entre as galáxias. 
 Nessas imperfeições existia uma 
grande quantidade de nuvens de 
átomos de Hidrogênio. As nuvens se 
aproximavam uma das outras e se 
uniam graças a força da gravidade. 
Com o passar do tempo mais e mais 
átomos de Hidrogênio são 
adicionados à nuvem. Uma estrela 
nasce quando a alta temperatura 
dessas nuvens fez com que 
os átomos de 
Hidrogênio sofram 
fusão nuclear emitindo luz e formando 
novos núcleos de Hélio. 
 Os átomos mais pesados do que 
o Hidrogênio e o Hélio se formaram 
pela fusão desses primeiros núcleos. 
Por exemplo, o carbono foi formado 
pela fusão de 3 núcleos de Hélio. Dois 
desses novos núcleos de Carbono 
posteriormente se fundiram formando 
o primeiro núcleo de magnésio. O 
último núcleo a ser formado foi o de 
Ferro, o qual se originou da fusão de 
núcleos de Silício. 
 Entretanto, o núcleo de Ferro é 
altamente estável e nem mesmo as 
altas temperaturas existentes no 
Cosmologia	
   17	
  
	
  
núcleo das estrelas eram capazes de 
fazê-los fundir. Nesse momento o 
Universo já se encontra com 500 
milhões de anos de idade. 
 Os elemento mais pesados que 
o Ferro só foram formados graças ao 
aparecimento de grandes explosões 
chamadas Supernovas. Quando as 
estrelas esgotavam seu combustível 
nuclear elas entram em colapso e 
explodem liberando uma quantidade 
enorme de energia. Para você ter uma 
vaga ideia, a quantidade de energia 
liberada por uma supernova pode 
atingir facilmente o equivalente a 1026 
ogivas nucleares. Toda esse energia 
foi suficiente para conseguir fundir os 
núcleos de Ferro, criando elementos 
mais pesados do que ele, como o 
Molibdênio, Zinco, Prata, Ouro, etc.
 
 
4.7 Criação de matéria a partir do vácuo 
 
 Se o Big Bang não demonstra 
como a matéria surgiu na natureza, 
mas somente como ela evoluiu, como 
poderia ser criada a matéria a partir do 
nada? Faça um exercício mental. Teste 
as hipóteses mais básicas para a 
criação física de algo. Podemos 
imaginar que não havia absolutamente 
nada antes do Big Bang, nem matéria, 
nem espaço, nem tempo. 
Simplesmente do nada surge a 
matéria, o espaço e o tempo. A 
questão é: se não havia nada, como 
por ter surgido algo? De onde veio 
tudo isso? 
 Por outro lado podemos pensar 
que não houve um começo. Tudo 
sempre existiu. Estranho isso, não? 
Esse é o pensamento básico de uma 
teoria que tentar explicar a origem do 
Universo que é conhecida como teoria 
do Ambiplasma, proposta pelo 
engenheiro elétrico sueco Hannes 
Alfvés, ganhador do Prêmio Nobel de 
Física em 1970. De acordo com essa 
teoria, o Universo, que nesse 
momento está se expandindo, chegará 
ao seu limite e, a partir desse ponto, a 
força da gravidade irá iniciar um 
movimento oposto, de forma que ao 
final de alguns bilhões de anos todas 
as estrelas, galáxias, nebulosas e 
outros irão se condensar num único 
ponto. Toda matéria do Universo 
estará contida nesse ponto e, em 
algum momento, por algum motivo, 
irá explodir violentamente num novo 
Big Bang, onde novas estrelas, novos 
planetas e, quem sabe, novas formas 
de vida, se formarão. Isso significa que 
o momento atual em que vivemos é 
apenas um de infinitos ciclos de 
expansão e contração do Universo. 
 A teoria do Ambiplasma é, a 
primeira vista, um pouco difícil de se 
compreender. Afinal de contas, como 
algo pode não ter tido um começo? Se 
você parar para pensar um pouco, 
também é estranho aceitar que algo 
surgiu do nada, não é? O problema é 
compreender que algo, para poder 
existir, tem que ter tido 
obrigatoriamente um começo. É assim 
que funciona conosco. Para nós 
existirmos nós nascemos e, 
consequentemente morreremos. 
Disso, acreditamos, de forma 
arrogante, que o Universo deve 
funcionar da mesma maneira que o 
seres vivos: deve nascer e morrer. Mas 
lembre-se de uma coisa simples: a vida 
surgiu, na face da Terra, a 3,5 bilhões 
18	
   Cosmologia	
  
	
  
de anos e o Universo possui 13,7 
bilhões de anos. Além disso, o 
Universo evoluiu de forma a 
possibilitar a existência da vida. Não 
faz o menor sentido tentarmos aplicar 
leis apoiadas em nosso “mundinho” 
terrestre para tentar entender a 
origem de tudo que nos cerca. 
 
4.7.1 Sim, matéria pode ser criada a partir do vácuo 
 
 Se lhe parecia absurdo o fato de 
que, de acordo com a teoria do Big 
Bang, a matéria por algum motivo 
surgiu do nada, acredite que isso é 
verdadeiramente possível. Muito 
recentemente, cientistas do 
Laboratório Nacional do Acelerador 
Fermi (Dürr et al. - Fermi Lab – USA)1 
demonstraram que as flutuações do 
vácuo quântico podem criar matéria. 
A primeira coisa a ser compreendida 
é a diferença existente entre o vácuo 
proposto pela física clássica, o qual 
não possui absolutamente nada por 
definição, e o vácuo quântico, no 
qual, pares de partículas virtuais 
surgem e desaparecem a todo 
momento. Em particular, o vácuo 
descrito pela teoria quântica, mais 
precisamente pela Cromodinâmica 
Quântica, é uma mistura de glúons e 
pares de quark-antiquark. 
 
1. S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. 
Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. 
Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, 
K.K. Szabo, G. Vulvert. Ab-initio 
Determination of light Hadron 
Masses. Science, v. 322, p. 1224-1227, 
2008. 
 
Cosmologia	
   19	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Olhe ao seu redor. Quantas dimensões você é capaz de perceber? 
 Existem 3 dimensões visuais facilmente perceptíveis: comprimento, altura e 
profundidade (eixos x, y e z, respectivamente). 
 
 
 
 
 Contudo, além dessas 
dimensões ainda temos que 
considerar uma quarta dimensão, o 
tempo. O tempo é uma dimensão 
essencial para localização no espaço. 
Vamos supor que irá acontecer uma 
festa na casa de um amigoe você é 
um dos convidados. Quais as 
informações que você precisa saber 
para ir a festa? Primeiramente o 
endereço, que nada mais é que uma 
representação bidimensional. 
 Contudo, seu amigo mora em 
um prédio e você precisa saber então 
qual é o apartamento que ele mora, 
uma vez que não adianta chegar no 
local e entrar em outro apartamento. 
Assim, temos 3 dimensões envolvidas 
(localização da rua e altura). Isso já é o 
suficiente para chegar na festa? Ainda 
não. 
 Você precisa saber qual é a data 
e hora da festa, pois do contrário você 
até chegaria no local correto, mas não 
necessariamente no momento da 
festa. Assim, o mais correto seria 
indicar também a data e a hora.
5. Dimensões 
e forma do 
Universo 
20	
   Cosmologia	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Agora, com esse convite em 
mãos, podemos chegar no lugar e na 
hora corretos. Como você pode ver, a 
nossa percepção de mundo é 
quadridimensional. Mas temos um 
grande problema para resolver: o 
nossos Universo, para ser estável como 
se apresenta, deve possuir 
11 dimensões. Isso 
mesmo, não foi um erro 
de digitação. São 
necessárias 11 dimensões. 
 Talvez seja difícil 
compreender essas 11 
dimensões, mas temos 
que entender que essas dimensões 
possuem tamanhos que nossa 
percepção física não consegue 
distinguir. Para facilitar, vamos a um 
exemplo: imagine-se dentro de um 
transatlântico. Quantas dimensões 
podemos perceber? Quatro, correto? 
Agora saia do transatlântico e o 
observe a uma certa distância. Ele 
acabou de se transformar em 3 
dimensões (comprimento, altura e 
profundidade). Quando esse 
transatlântico se afasta 
suficientemente, você 
passa a vê-lo como um 
objeto bidimensional no 
horizonte. No momento 
em que ele se afasta 
muito, seus olhos 
conseguem distingui-lo 
como apenas um ponto, 
ou seja, algo 
unidimensional. 
 Veja que conforme nos afastamos do objeto a nossa percepção de dimensões vai sendo reduzida. O que era quadrimensional inicialmente passou a ser unidimensional num segundo momento. O Universo é assim. Suas demais dimensões estão acima da nossa capacidade física (não cognitiva) de percepção. 
 
6.1 Universo ou Multiverso? 
 
 Alguns cálculos de física teórica 
nos mostram a possibilidade 
matemática de existirem diversos 
Universos paralelos, provavelmente 
infinitos. Contudo, apesar desse fato 
ficar apenas no campo teórico, há um 
impacto emergente em outras áreas 
do conhecimento, principalmente na 
filosofia, em que diversas 
Cosmologia	
   21	
  
	
  
especulações são feitas em respeito a 
esse tema. De acordo com Brian 
Greene, autor do livro The Hidden 
Reality, algumas observações dão 
suporte a possibilidade da existência 
de Universos paralelos. Uma delas é o 
fato da existência de uma fase 
inflacionária do nosso Universo que 
permitiria a existência de inúmeros 
outros Universos com diferentes 
características do nosso. Contudo, fica 
claro para os cientistas o fato de que 
não podemos testar algumas 
evidências que sugerem que vivamos 
em um Multiverso, visto que nosso 
horizonte observacional se tornou 
transparente a radiação cerca de 
300.000 anos após o Big Bang, e assim 
perdemos todas evidências que 
poderiam provar ou refutar essa 
hipótese. 
 Partindo do princípio que 
existem Universos paralelos ao nosso, 
ainda assim não podemos fazer 
conjecturas sobre isso, mesmo por 
que muitos deles podem não ter 
formado estrelas e galáxias, outros 
podem ter criado de uma maneira 
diferente que não possibilitem a vida 
como a conhecemos ou, ainda, que 
possibilite que existência de vida em 
quantidade de sítios muito maiores do 
que encontramos em nosso Universo. 
Toda e qualquer afirmação sobre o 
que é, ou mesmo se existe, é pura 
especulação e deve ser tratada com 
ceticismo até que provas concretas 
(observações diretas ou indiretas, 
medidas, etc.) sejam obtidas. 
Enquanto isso, vamos deixar que 
outras áreas do conhecimento, como 
as artes, desfrutem dessas novas 
possibilidades. 
 
 
6.2 Possíveis formas do Universo 
 
 Compreender a forma assumida pelo Universo durante sua evolução não é 
uma tarefa simples. Em primeiro lugar temos que ter em mente que a geometria 
que nos foi ensinada na escola talvez não tenha validade nenhuma para descrevê-
la. Além disso, entender as possíveis formas do Universo será de importância 
primordial para o desenvolvimento dos possíveis cenários para um eventual “fim do 
Universo”, o qual é tratado em detalhes no 
capítulo 7. 
 
Basicamente, a geometria que nos é 
ensinada na escola é o que 
chamamos de Geometria 
Euclidiana. Essa 
geometria trata de 
figuras desenhadas 
no plano, como por 
exemplo numa lousa 
ou no próprio papel. 
De acordo com a 
geometria euclidiana, 
22	
   Cosmologia	
  
	
  
entre outras coisas, a soma dos 
ângulos internos de um triângulo é 
igual a 180º e retas paralelas são retas 
que nunca se cruzam. 
 Todavia, quando transportamos 
os triângulos e as retas paralelas para 
a superfície de uma esfera, tudo 
aquilo que aprendemos não possui 
mais validade, ou seja, a soma dos 
ângulos internos de um triângulo é 
maior do que 180º e retas paralelas 
podem se cruzar. Estranho? Não 
compreendeu? Então vamos fazer 
alguns exercícios mentais para deixar 
isso mais claro. Para isso você 
precisará de uma esfera qualquer, 
seja uma bola (futebol, basquete, 
etc...), uma fruta ou um globo 
terrestre. 
 Aqui irei utilizar um globo 
terrestre para facilitar as coisas. 
Imagine-se em algum ponto do pólo 
norte. Desça para o sul até a linha do 
equador. Chegando ao equador, vire 
para o leste (𝛉=90º) e ande algumas 
centenas de quilômetros. Vire 
novamente para o norte (𝛉=90º) e 
caminhe até o pólo norte. Perceba 
que você chegou ao mesmo ponto de 
partida e que, somente o fato de ter 
virado para o leste e, em seguida, 
para o norte, já temos uma soma de 
ângulos igual a 180º, isso sem contar 
com o ângulo entre as duas retas no 
pólo norte (imagem abaixo). Note 
também que esse ângulo será tanto 
maior quanto maior for a distância 
que você percorrer sob a linha do 
equador. 
 Em relação às retas paralelas, 
experimente amarrar duas canetas, 
uma à outras, e traçar retas paralelas 
na superfície de uma bola. Como 
você pode girar livremente sobre a 
superfície da bola, as retas paralelas 
podem se cruzar e, não obstante, as 
retas cruzam com elas mesmas. 
 À esse tipo de geometria damos 
o nome de Geometria não-Euclidiana. 
Sobre esse tipo de geometria o 
matemático e filósofo norte-
americano Matthew Ryan escreveu:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“O estudo da Geometria Não Euclidiana não traz 
mais aos estudantes do que cansaço, vaidade, 
arrogância e imbecilidade. O espaço Não 
Euclidiano é a falsa invenção dos demônios, que 
prazenteiramente ocupam os pensamentos 
obscuros dos Não Euclidianos com falsos 
conhecimentos. Os Não Euclidianos, tal como os 
sofistas, parecem não se aperceber de que os 
seus pensamentos passaram a ser obscurecidos 
pelos estímulos dos espíritos malignos.” 
Cosmologia	
   23	
  
	
  
 Em novembro de 2002 o 
matemático russo Grigori 
Yakovlevich Perelman colocou 
na internet a resolução da 
conjectura de Poincaré, o qual 
afirma, resumidamente, que a 
superfície tridimensional de uma 
esfera é o único espaço 
tridimensional fechado em que todos 
os contornos ou caminhos podem ser 
encolhidos até chegarem a um simples 
ponto. Durante alguns anos os mais 
renomados matemáticos debruçaram-
se sobre a resolução de Perelman 
tentando compreendê-la. Na época, o 
matemático Tomasz Mrowka, do 
Massachusetts Institute of Technology 
(MIT), disse: “Estamos 
desesperadamente tentando entender 
o que ele fez”. 
 Em agosto de 2010, Perelman foi 
reconhecido oficialmente pelo 
Instituto de Matemática de Clay por 
ter resolvido a conjectura de Poincaré. 
Como prêmio Perelman deveria ter 
recebido US$ 1 milhão, mas o recusou 
2 vezes afirmando que o 
reconhecimento já era suficiente. 
 Para a Cosmologia, a resolução 
de Perelman temprofundas 
implicações, uma vez que ela permite 
que se faça um catálogo de todas as 
formas tridimensionais possíveis no 
Universo, incluindo a forma do próprio 
Universo. 
 
 
Possíveis formas do Universo 
 
 Ainda não se sabe ao certo qual 
é a forma que nosso Universo possui, 
mas diversos estudos propões formas 
diferentes e suas consequências. 
Contudo, um importante parâmetro 
deve ser levado em consideração para 
avaliar as consequências de cada 
forma para o destino do Universo. Esse 
parâmetro é chamado de Parâmetro 
de Densidade (Ω), e é a relação entre a 
densidade média de matéria e um 
valor crítico de densidade. 
matematicamente, podemos 
representa-lo assim: 
 
 
 
 
 
em que � representa a densidade 
média de matéria, 𝜌c o valor crítico da 
densidade, G a constante gravitacional 
de Newton e H o parâmetro de 
Hubble. 
 Aqui, iremos apresentar 3 formas 
e suas consequências para o Universo. 
Cada uma das 3 formas está 
relacionada a um valor de Ω. 
 Caso Ω=1, teremos um Universo 
plano e a geometria euclidiana tem 
validade. Contudo, se Ω>1 teremos 
24	
   Cosmologia	
  
	
  
um Universo fechado como uma esfera 
e, portanto, irá valer a geometria não 
euclidiana. Ainda, se Ω<1, teremos um 
Universo aberto (curvado 
negativamente), como se fosse uma 
cela de cavalo e, assim, teremos uma 
geometria hiperbólica. 
 
 
Cosmologia	
   25	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.1 Estrelas 
 Vimos anteriormente no item 5.6 
desse livro que as primeiras estrelas 
surgiram do acúmulo de nuvens de 
átomos de hidrogênio em 
“rachaduras” na parede do Universo. 
Essa nuvens eram atraídas pela força 
da gravidade e, quando a pressão e a 
temperatura eram altas o 
suficiente, os átomos de 
hidrogênio se fundiam 
formando Hélio. 
 Estrelas são 
corpos celestes 
formadas por 
plasma. A alta 
massa de uma 
estrela faz com 
que a sua 
gravidade seja 
sempre alta, o 
que provoca as 
reações de fusão 
nuclear. 
 Nas reações de fusão nuclear, 
parte da matéria é convertida em 
energia. Essa energia é emitida pelas 
estrelas por três formas principais: 
radiação eletromagnética; vento solar1 
e neutrinos2. Para que essas reações 
de fusão nuclear ocorram, a estrela 
deve possuir massa superior a um 
valor crítico, o qual é 
aproximadamente igual a 81 vezes a 
massa de Júpiter. Sendo assim, para 
que uma estrela promova reações de 
fusão nuclear, sua massa deve ser 
superior a 154.1027 Kg. 
 Estrelas estão se formando por 
toda a parte do cosmo. A Nebulosa de 
Orion (M42) é a região de 
formação massiva de 
estrelas mais próxima 
da Terra, estando a 
uma distância de 
1344 anos-luz. 
Esta nebulosa 
pode ser vista a 
olho nu no céu 
noturno e 
parece ter um 
diâmetro de 24 
anos-luz. 
 
6.1.1 Quantas estrelas 
existem? 
 As estrelas não estão espalhadas 
de maneira uniforme pelo Universo. 
Normalmente elas estão agrupadas 
em galáxias com gás e poeira 
interestelares. Cada galáxia possui, 
geralmente, centenas de bilhões de 
estrelas e, apenas em nosso Universo 
observável, existem mais de 100 
6. O Universo 
atual 
	
  
26	
   Cosmologia	
  
	
  
bilhões de galáxias. 
 Em 2003, os astrônomos 
acreditavam que existiam cerca 
de 70 sextilhões (7.1022) de 
estrelas no Universo 
observável. Contudo, em 2010, 
tal estimativa foi revisada e 
acredita-se que existam 300 
sextilhões de estrelas (3.1023) 
apenas no universo observável. 
 
6.1.3 Dinâmica das estrelas 
 As estrelas mantém a dinâmica 
de suas forças estáveis por bilhões de 
anos, algumas delas por até trilhões 
de anos. Tal equilíbrio é dado pela 
força da gravidade – que tende a 
colapsar toda a matéria para o centro 
da estrela e produz altas temperatura 
e pressões – e, como consequência 
dessas altas pressões e temperatura 
tem-se as reações de fusão nuclear, 
que tendem a fazer a estrela expandir. 
 Dessa forma, se chamarmos de 
G a força da gravidade em uma estrela 
e F a força de expansão causada pelas 
fusões nucleares. Quando uma estrela 
encontra-se em equilíbrio temos 
G = F 
o qual é mantido dinamicamente. 
Conforme o núcleo vai esgotando o 
combustível, G passa a ser maior que 
F, e a estrela encontra-se a caminho da 
morte. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7.1 – Nebulosa cabeça de cavalo. 
Cosmologia	
   27	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nebulosa	
  Bumerange	
  
Nebulosa	
  de	
  Orion	
  
Nebulosa	
  Olho	
  de	
  Gato	
   Nebulosa	
  Carangueijo	
  
Nebulosa	
  Esquimó	
  
Nebulosa	
  Helix	
  
28	
   Cosmologia	
  
	
  
6.1.4 Morte de uma estrela 
 No núcleo da estrela, ao esgotar 
todo seu combustível nuclear, a força 
da gravidade prevalece e toda a massa 
da estrela colapsa em seu interior. 
Contudo, algumas reações de fusão 
nuclear ainda ocorrem nas camadas 
mais superiores da estrela. O núcleo, 
ao se contrair, eleva sua temperatura, 
fazendo com que as camadas 
superiores também se aqueçam e 
expandam. Nesse ponto, temos o que 
chamamos de gigante vermelha. 
Quando esse momento chegar para o 
nosso Sol, seu raio atingirá um 
tamanho que estará além da Terra. 
 Após queimar todo o 
hidrogênio, o núcleo começa a fazer 
fusão nuclear dos átomos de Hélio, 
formando carbono. Ao esgotar todo 
carbono, a estrela se expande e 
resfria. As camadas superiores 
também se expandem e acabam 
liberando matéria, a qual irá se 
acumular ao redor da estrela formando 
uma nebulosa planetária, como visto 
na figura a seguir. 
 Dependendo da massa final da 
estrela, ela pode virar uma estrela de 
nêutrons ou um buraco negro, como 
veremos nos próximos capítulos. 
 
 
 
 
 
 
6.2 Supernovas 
 Supernovas são grandes 
explosões que ocorrem em estrelas 
com aproximadamente 10 vezes a 
massa do Sol e que queimaram todo o 
seu combustível nuclear. Essas 
explosões são responsáveis pela 
formação dos átomos mais pesados 
que o Ferro devido as altas 
temperaturas produzidas nessas 
explosões, o que promove as fusões 
de núcleos atômicos pesados.
 Com o passar do tempo, as 
reações de fusão nuclear vão 
esgotando o Hidrogênio e o Hélio 
Cosmologia	
   29	
  
	
  
existente no núcleo da estrela. 
Contudo, as estrelas ainda possuem 
massa e pressão suficientes para fundir 
átomos de carbono, criando 
elementos mais pesados que ele. 
Gradualmente, camadas de matéria 
vão se formando de modo que a 
região mais densa encontre-se no 
núcleo da estrela. 
 Ao atingir uma determinada 
massa, o material presente no centro 
da estrela passa a emitir energia e 
neutrinos. Logo a seguir as camadas 
externas explodem, lançando até 90% 
da matéria presente na estrela. Se a 
massa restante for equivalente a 1,5 
massas solares, os elétrons colapsam 
com o núcleo atômico, mas 
precisamente com os prótons e 
formam nêutrons, dando origem as 
estrela de nêutrons ou Pulsar. 
Contudo, se a massa remanescente for 
superior a 3 massa solares, o núcleo se 
mantém, porém continua a colapsar e 
dá origem a uma singularidade no 
espaço-tempo conhecida como 
Buraco negro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6.3 Buracos negros 
Ilustração artística de 
uma explosão supernova 
na galáxia NGC 1260 
Créditos: NASA 
Imagem da emissão de raios 
gama da Supernova Rosetta 
Stone. Créditos: NASA 
Supernova menageire. 
Créditos: NASA 
Remanescente dupla da 
Supernova DEM L316. 
Créditos: NASA 
30	
   Cosmologia	
  
	
  
 Diferentemente do que se pode 
imaginar, um buraco negro não é um 
ponto vazio do espaço, pelo contrário. 
Quando uma supernova explode, 
dependendo da massa remanescente 
(3 massas solares), pode-se formar um 
buraco negro que de “buraco” e 
“negro” só tem o nome. 
 Em primeiro lugar, trata-se de 
uma grande quantidade de matéria 
contida num ponto muitíssimo 
pequeno, ou seja, não há um vazio. 
Além disso, 
o termo 
“negro” 
refere-se a 
uma 
propriedade 
dos buracos 
negros de 
não permitirque nada 
escape dele. 
Contudo, 
isso não é de todo verdadeiro, visto 
que um buraco negro não é 
necessariamente tão “negro” assim. 
De forma resumida, um buraco negro 
é, de acordo com a Teoria Geral da 
Relatividade de Einstein, um ponto do 
espaço em que nem a luz consegue 
escapar. 
 Para entender melhor o que é 
um buraco negro, vamos fazer uma 
pequena analogia: a força da 
gravidade na Terra é capaz de trazer 
de volta a superfície todo corpo que 
tenta sair dela, exceto quando um 
corpo é lançado com uma velocidade 
maior ou igual a velocidade de escape 
da Terra, que é igual a 40.320 Km/h. Se 
o seu corpo for lançado com essa 
velocidade você irá para o espaço e 
nunca mais retornará. Entretanto, se 
você aponta qualquer fonte luminosa 
para o espaço, um laser, por exemplo, 
pelo fato de que a velocidade da luz 
ser muito maior do que a velocidade 
de escape na Terra, a luz consegue 
escapar e ir para o espaço sem 
nenhum problema. 
 No capítulo 4 desse livro, vimos 
que a força da gravidade é 
proporcional a massa dos objetos. 
Assim, quanto maior for a massa, 
maior será a força de atração entre 
eles, ou seja, maior será a gravidade. 
Pensado assim, você pode imaginar 
uma região do 
espaço onde a 
massa contida 
num ponto é 
infinitamente 
grande, 
fazendo com 
que a 
velocidade de 
escape desse 
ponto seja 
maior que a 
velocidade da luz. Nessa região, nem 
mesmo a luz poderá sair, pois ela 
sempre será atraída de volta para o 
ponto de onde saiu. Você acabou de 
imaginar um buraco negro. 
 Agora imagine a seguinte 
situação. Você e um amigo estão em 
uma nave espacial próxima a um 
buraco negro. Tanto você quanto seu 
amigo possuem um rádio 
comunicador. Você veste sua roupa 
espacial e sai da nave e vai em direção 
ao buraco negro. Enquanto você não 
atinge o horizonte de eventos1, você e 
seu amigo conseguem se comunicar 
normalmente pelo rádio. No momento 
em que você chegar ao horizonte de 
eventos, coisas estranhas começam a 
acontecer. O seu amigo manda uma 
mensagem para você, a qual você 
recebe normalmente. Contudo, ao 
responder para seu amigo, ele não 
Cosmologia	
   31	
  
	
  
recebe a mensagem. Você consegue 
imaginar por quê? 
 Como as ondas de rádio são 
ondas eletromagnéticas, a exemplo da 
luz, cada vez que você envia uma 
mensagem ela é imediatamente 
puxada para dentro do buraco negro. 
Você sempre receberá as mensagem 
do seu amigo, mas o seu amigo não 
irá receber as mensagem enviadas por 
você. 
 Outra estranheza 
que ocorre é que o seu 
corpo será esticado. 
Imagine-se passando 
pelo horizonte de 
eventos em pé. Seus 
pés são a primeira 
parte do seu corpo a 
serem atraídas pelo 
buraco negro e quanto 
mais próximo do 
buraco negro, maior a 
força que ele exercerá. 
Assim, seus pés são 
puxados com força maior do que a sua 
cabeça, fazendo com que seu corpo 
seja esticado no sentido pés-cabeça. É 
uma ótima forma para quem deseja 
crescer um pouco mais. 
 A ideia de que buracos negros 
podem emitir radiação e serem 
detectados por ela surge da ideia da 
existência de um horizonte de eventos. 
Imagine um buraco negro que exerça 
sua alta força gravitacional em uma 
determinada região do espaço-tempo. 
No limite dessa região, imediatamente 
sobre uma linha imaginária que 
circunda toda a singularidade, pares 
partículas/antipartícula virtuais podem 
surgir. Caso uma delas seja criada para 
dentro do horizonte de eventos, ela 
nunca poderá ser captada. Contudo, 
se o seu par virtual for criado para o 
lado de fora do horizonte de eventos, 
a força gravitacional do buraco negro 
não será capaz de atraí-la e, assim, 
podemos captá-la por meio de 
telescópios especiais. 
 
6.3.2 Hipótese ou realidade? 
 Apesar do conceito de buraco 
negro ter tido apenas bases teóricas 
quando de sua concepção, os 
astrônomos têm identificado diversos 
candidatos a buraco negros 
espalhados pelo cosmo. Em nossa 
própria galáxia, a Via Láctea, há fortes 
indícios de que exista um buraco 
negro em seu centro, nas vizinhanças 
de Sagitário A*, com massa 
equivalente a 2 milhões de massas 
solares. 
 Mas como podemos saber se 
existem ou não buracos negro? Além 
do fato da criação de pares 
partícula/antipartícula virtuais, como já 
explicado anteriormente, podemos 
detectar a presença de um buraco 
negro pela alteração do movimento 
das estrelas devido ao seu alto campo 
gravitacional. Ainda, podemos 
detectar grandes quantidades de 
radiação emitidas por estrelas que são 
espiraladas para o centro do buraco 
negro. 
32	
   Cosmologia	
  
	
  
 Hoje, sabemos da existência 
provável de centenas de buracos 
negros espalhados pelo cosmo. A 
tabela abaixo foi extraída do site do 
Observatório Astronômico Frei Rosário 
da Universidade Federal de Minas 
Gerais (UFMG) e mostra alguns 
buracos negros supermassivos 
encontrados no centro das galáxias. 
 Outra tabela obtida no mesmo 
site mostra 8 estrelas que podem ser 
companheiras de buracos negro. 
 
 
Se você gostou de estudar sobre 
buracos negro, sugiro a leitura do livro 
George e os Segredos do Universo, 
cuja autoria pertence a Lucy Hawking e 
Stephen Hawking. Trata-se de um livro 
de leitura agradável, muito diferente 
dos livros de física que você conhece.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cosmologia	
   33	
  
	
  
6.4 Buracos brancos 
 Buracos branco são entidades 
matematicamente viáveis, previstos 
pela Teoria Geral da Relatividade de 
Einstein. Contudo, isso não significa 
que eles realmente existam. 
 Um buraco branco seria um 
buraco negro tempo-invertido, isso é, 
ao invés de ser uma região do espaço 
onde nada possa escapar, um buraco 
branco seria uma região do espaço 
onde nada pode cair. 
 Os buracos branco surgiram 
como parte das soluções de Karl 
Schwarzchild para as equações da 
Teoria da Relatividade, sendo então 
descrito como um buraco de minhoca 
(wormhole) de Schwarzchild. Nesse 
wormholes existiriam um buraco negro 
em uma ponta que sugaria toda 
matéria de luz de uma região do 
espaço e a transferiria para a outra 
ponta onde existiria um buraco 
branco, o qual criaria toda matéria e 
luz. Todavia, isso não poderia 
acontecer devido a dois fatos: o 
primeiro é que os wormholes de 
Schwarzchild são instáveis, 
desconectando-se assim que se 
formam e, em segundo lugar, por que 
esses buracos somente são uma 
solução válida para as equações de 
Einstein quando nenhuma matéria 
interage com o buraco. Ainda, 
aparentemente esses buracos 
violariam a segunda lei da 
termodinâmica, a qual prevê a 
impossibilidade de se converter 100% 
da energia entre formas diferentes. 
 
6.5 Estrelas de nêutrons 
 Como estudamos no primeiro 
item desse capítulo, após a ocorrência 
de uma supernova, dependendo da 
massa confinada no núcleo resultante 
da explosão poderá ser formada uma 
estrela de nêutrons. 
 
 Tipicamente, uma estrela de 
nêutrons se forma quando a massa 
resultante é equivalente a 1,35 a 2 
massas solares e são extremamente 
quentes. Sua composição é 
basicamente de nêutrons, partículas 
subatômicas que são desprovidas de 
carga elétrica. Essas estrelas não 
colapsam sobre si mesmas devido ao 
Princípio da Exclusão de Pauli, o qual 
prevê que dois férmions, como os 
nêutrons por exemplo, podem ocupar 
o mesmo espaço e estado quântico ao 
mesmo tempo. 
 A formação de nêutrons se dá 
pela explosão de uma supernova que 
resulta em um núcleo do tamanho 
indicado acima. Nessa situação, os 
elétrons são capturados pelos prótons 
dos núcleos atômicos, os quais se 
transformam, portanto, em nêutrons. 
 Além das altas temperaturas 
encontradas nesses corpos celestes, a 
gravidade também é extremamente 
alta devido a grande massa que está 
supercompactada. Uma característica 
marcante de uma estrela de nêutrons 
é a sua emissão de uma pequena 
quantidade de radiação na forma de 
34	
   Cosmologia	
  
	
  
ondas de rádio e raios gama que são 
liberados na forma de jatos que 
acompanham a direção de eixo 
magnéticonorte-sul, o qual não 
necessariamente coincide com o eixo 
de rotação dessa estrela. Esses jatos 
nos permitem identificar essas estrela, 
visto que eles são emitidos em pulsos 
periódicos muito precisos. 
 
 
 
6.6 Quasares 
 Quasares são núcleos galácticos 
ativos, poderosamente energéticos. 
Contudo, devido ao seu tamanho, não 
podem ser considerados como 
estrelas pois são maiores que elas, 
mas também não se enquadram na 
definição de galáxia por não 
alcançarem o tamanho mínimo para 
isso. Dessa forma, grosso modo, os 
quasares são corpos celestes 
intermediários entre estrelas e 
galáxias. Seu nome originou-se do fato 
de que esses corpos apresentaram-se 
aos serem humanos com aparência de 
uma estrela azulada. Disso, resultou o 
acrônimo “quasar”, que significa 
“quasi-stellar radio source – fonte de 
rádio quase-estelar”. 
 Atualmente, o modelo mais 
aceito é o de que os quasares são 
buracos negro com massas de 1 
milhão a 1 bilhão de vezes a massa do 
Sol, os quais estão localizados no 
centro de galáxias ativas. 
 Seu alto poder de emissão de 
energia permitiu aos astrônomos 
classificarem-no como os maiores 
corpos emissores de energia do 
Universo, emitindo entre 100 e 1000 
vezes mais luz do que uma galáxia 
com cem bilhões de estrelas. Assim 
como as estrelas de nêutrons, os 
quasares emitem sua energia na forma 
de jatos de partículas de alta energia. 
Além disso, emitem são emissores de 
ondas de rádio, o que permite aos 
cientista utilizar radiotelescópios para 
identificá-los. 
 O maior quasar já identificado é 
o 3C 273, localizado na constelação de 
Virgo, a 2,4 bilhões de anos-luz1 da 
Terra. Isso significa que sua luz, que é 
captada pelos radiotelescópios 
próximos da Terra, foi emitida 2,4 
bilhões de anos atrás e só chegou aqui 
nesse momento! Entretanto, o quasar 
CFHQS J2329-0301 é, até o momento, 
o quasar mais distante já observado. 
Ele foi descoberto em 2007 pelo 
Canada-France-Hawaii High-z Quasar 
Survey (CHFQS) e está situado a meros 
12,7 bilhões de anos luz da Terra. Isso 
significa que ele foi formado nos 
primórdios do Universo, cuja idade é, 
lembre-se, de 13,7 bilhões de anos. 
 Até o momento, existem mais de 
200.000 quasares catalogados, grande 
parte deles pelo espectroscópio Sloan 
Digital Sky Survey – SDSS. 
Cosmologia	
   35	
  
	
  
 
 
Quasar 3C 48, localizado na 
constelação de Triângulo. 
Créditos: WikimediaCommons 
Quasar 3C 186. Créditos: NASA Quasar 3C 273. Créditos: WikimediaCommons. 
Espectroscópoio Sloan Digital Sky Survey – SDSS, localizado no 
estado do Novo México, EUA. Os seus sensores CCD são capazes de 
gerar imagens de até 120 Mega Pixels.Créditos: Sloan Digital Sky 
Survey (SSDS). 
36	
   Cosmologia	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Do ponto de vista não-científico, 
existem dezenas de “teorias” 
apocalípticas. O próprio termo 
“apocalipse” assumiu um papel 
diferente do seu original, o qual, 
quando traduzido de forma correta, 
significa “revelação”e não “fim do 
mundo”. 
 Cientificamente, a partir do 
momento em que se concluiu que em 
algum momento do passado cósmico 
o Universo teve um início, pode-se 
imaginar que também terá um fim. 
Contudo, essa é uma premissa 
baseada na própria existência humana, 
na qual todo ser vivo, como indivíduo, 
nasce e morre. 
 Nesse capítulo iremos conhecer 
as principais hipóteses científicas para 
um eventual fim do Universo. Todavia, 
para ter uma melhor compreensão 
dessas hipóteses, precisamos 
conhecer em mais detalhes quais são 
as possíveis formas do Universo. Por 
isso, sugiro que retome o capítulo 5 
desse livro antes de prosseguir com a 
leitura do presente capítulo, visto que 
as hipóteses quem vêm sendo 
desenvolvidas dependem da forma do 
Universo. 
 O destino final do Universo 
depende diretamente do Parâmetro 
de Densidade do Universo (Ω). Embora 
existam hipóteses melhores aceitas do 
que outras, esse é um ramo de estudo 
da Cosmologia que está em constante 
transformação devido aos avanços na 
tecnologia. Assim, vamos tratá-los de 
maneira igual, todos como 
possibilidades reais. 
 Aqui, temos que partir do fato 
de que o Universo encontra-se em 
expansão acelerada, ou seja, o 
Universo cresce com uma velocidade 
cada vez maior. A confirmação desse 
fato rendeu, em 2011, o prêmio Nobel 
de Física aos físicos Saul Perlmutter, 
Brian P. Schmidt e Adam G. Riess.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. O fim do 
Universo 
	
  
Cosmologia	
   37	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8.1 Big Freeze (Grande Congelamento) 
 Nesse cenário hipotético a 
expansão do Universo continuaria até 
um ponto em que a temperatura 
alcançaria o zero absoluto (0 Kelvin, ou 
-273,15 ºC). Esse evento poderia 
ocorrer caso o Universo possua uma 
geometria plana ou hiperbólica e na 
ausência de energia escura. Contudo, 
caso a constante cosmológica seja 
positiva, este cenário se estende 
também a um Universo fechado. 
 
8.2 Morte térmica do Universo 
 Ainda dentro do contexto de 
uma expansão infinita, o Universo 
poderia alcançar uma entropia 
máxima. Para entendermos melhor o 
que isso significa, precisamos detalhar 
o que significa o termo entropia: de 
acordo com a 2ª Lei da 
Termodinâmica, todo sistema fechado 
sempre tende a um estado de maior 
desordem. Como a desordem passa a 
ser uma tendência natural de qualquer 
sistema, incluindo seres vivos, 
utilizamos essa “desordem” como 
uma grandeza física, a qual chamamos 
de entropia. Assim, podemos fazer a 
seguinte analogia: seu quarto 
encontra-se arrumado, mas com o 
passar do tempo ele tende 
naturalmente à desordem, nunca ao 
contrário, ou seja, seu quarto nunca irá 
se auto-organizar. Para que ele volte 
ao seu estado “arrumado”, alguém 
precisa organizá-lo, gastando energia. 
Dessa maneira, podemos classificar 
seu quarto arrumado como um 
sistema de baixa entropia, e quando 
ele encontra-se desarrumado, 
C
réditos: N
ASA. Tradução feita pelo autor	
  
38	
   Cosmologia	
  
	
  
podemos classificá-lo como um 
sistema de alta entropia. 
 Aplicando essa ideia ao 
Universo, após um longo período de 
expansão, todas as estrelas estariam 
distribuídas homogeneamente pelo 
cosmo, não havendo nenhum tipo de 
aglomerado, o que impediria qualquer 
forma de vida ou de processamento 
de informação. Esse cenário se aplica a 
qualquer geometria do Universo. 
 
8.3 Big Rip (Grande rachadura) 
 Outro possível cenário para o fim 
do Universo é o Big Rip, uma hipótese 
publicada em 2003 por Robert 
Caldwell, professor do Dartmouth 
College. Nesse cenário, se o Universo 
contiver uma grande quantidade de 
energia escura, a velocidade de 
expansão do Universo atingira uma 
velocidade acima do nível crítico, o 
que causaria a desintegração de todo 
tipo de matéria, culminando, após 
alguns bilhões de anos, na 
desintegração do próprio átomo em 
partículas elementares e radiação. 
 
8.4 Big Crunch 
 A hipótese do Big Crunch sugere 
que, caso o Universo possua uma 
geometria fechada (Ω>1), a densidade 
média do Universo seria capaz de 
reduzir a expansão até um ponto em 
que a força gravitacional superasse a 
força de expansão, o que faria com 
que todo o Universo colapsasse em 
um único ponto. Assim, podemos 
imaginar o Big Crunch como um 
evento simétrico ao Big Bang, o qual 
terminaria em uma possível 
singularidade.
 
Contudo, tal singularidade seria 
resultado de um ponto de vista 
simples. Na verdade, o resultado final 
da contração do Universo ainda é 
desconhecido e a singularidade do 
espaço-tempo é uma condição que 
não leva em consideração os efeitos 
da gravidade quântica. 
 Como consequência do Big 
Crunch, um outro possível cenário 
resultante seria o surgimento de um 
novo Universo a partir de um novo Big 
Bang. Assim, temos um modelo no 
qual o Universo seria eterno, com 
infinitos ciclos de expansão e 
contração. A primeira vista pode soar 
estranho o Universo não ter tido um 
início real. Isso se deve ao fato de que 
o ser humano nasce e, um dia, morre,ou seja, de acordo com sua visão de 
mundo algo obrigatoriamente deve 
possuir um começo e um fim. 
Contudo, devemos lembrar que a vida 
é um fenômeno complexo, mas ainda 
assim está contida dentro do próprio 
Universo e segue as leis da Física e, 
dessa maneira, o Universo é, 
obrigatoriamente, mais complexo do 
que a própria vida por conte-la. Caso 
não tenha compreendido, sugiro uma 
leitura sobre Teoria de Conjuntos. 
 Apesar de um Universo eterno já 
ter sido desenvolvida desde os anos 
30, notadamente por Albert Einstein, 
tal ideia entrou em declínio após o 
Cosmologia	
   39	
  
	
  
trabalho de Richard Chace Tolman 
que demonstrou uma falha conceitual 
causada pela entropia. De acordo com 
Tolman, cada ciclo deveria ser mais 
longo que o anterior e, extrapolando 
tal raciocínio para o passado extremo, 
teríamos um Big Bang inicial. Somente 
com a descoberta da energia escura 
pode-se retomar a ideia inicial de um 
Universo eterno. 
 Atualmente, tal hipótese vem 
ganhando espaço na comunidade 
científica. O cosmólogo brasileiro 
Mario Novello publicou em 2008 um 
trabalho científico na revista Physics 
Reports intitulado Boucing 
cosmologies no qual propõe que o Big 
Bang não deve ser considerado como 
um ponto primordial para tudo que 
existe. Com base em seu trabalho, 
Novello escreveu um livro intitulado 
“Do Big Bang ao Universo eterno”, o 
qual possui linguagem para o público 
geral. Portanto, fica aqui uma boa dica 
de leitura caso se interesse mais pelo 
assunto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
40	
   Cosmologia	
  
	
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Até o momento vimos como a 
matéria foi formada e evoluiu após o 
Big Bang. Agora vamos nos 
aprofundar na ultraestrutura da 
matéria, ou seja, de que componentes 
os átomos são formados e como ele se 
arranjam no núcleo atômico. 
 Antes de entrar nas profundezas 
da ultraestrutura da matéria, vamos 
esclarecer algo que poderá confundi-
lo mais para frente. O conceito de 
átomo, inicialmente proposto na 
Grécia antiga (átomo de Demócrito), 
não é o que estamos tratando aqui. 
Isso implica que o uso da palavra 
átomo está incorreto. Isso mesmo, o 
átomo que estudamos não é bem um 
átomo. Deixe-me explicar... 
 A palavra átomo deriva do grego 
a, negação e tomo, divisível, ou seja, o 
termo faz referência a uma estrutura 
que não é mais divisível. Como vimos 
anteriormente, um átomo é composto 
por uma eletrosfera, na qual 
encontramos os elétrons – partículas 
com carga negativa e que são 
responsáveis pelas ligações químicas – 
e um núcleo, o qual é composto por 
prótons (cargas positivas) e nêutrons 
(destituídos de carga elétrica). Assim, 
logo de cara, o núcleo atômico pode 
ser dividido em 2 tipos de partículas, 
as quais podem ser isoladas e 
utilizadas em laboratórios. O átomo 
que conhecemos não é tão indivisível 
assim, você não acha? 
 Quando começamos a trabalhar 
com a física das partículas, temos que 
ter em mente que todas as leis da 
física clássica não conseguem 
descrever o comportamento da 
matéria em sua estrutura básica. As 
leis que regem o comportamento do 
mundo subatômico são descritas pela 
mecânica quântica, um ramo da Física 
que teve origem em 1900 com os 
trabalhos de Marx Planck. Mas afinal 
de contas, se o núcleo atômico é 
composto por prótons e nêutrons, 
outra questão pode ser facilmente 
levantada: do que são formados os 
prótons e os nêutrons? 
 
 
 
 
 
 
 
8. Ultraestrutura 
da matéria 
	
  
Cosmologia	
   41	
  
	
  
8.1 Os Quarks 
 Os quarks são parte da matéria que 
compõe os prótons e os nêutrons. Existem 6 
tipos de quarks que possuem nomes bem 
interessantes: up, down, botton, top, strange e 
charm. A imagem ao lado ilustra a carga 
elétrica de cada um desses elementos. 
 Prótons e Nêutrons são formados pela 
união de 3 quarks. Os prótons possuem 2 
quarks up e 1 quark down. Assim, a soma das 
cargas em seu interior é igual a 
 
 
 
 Já os nêutrons são formados pela união 
de 2 quarks down e 1 quark up. Nesse caso, 
assumindo os valores da carga elétrica de cada 
quark, temos 
 
 
 Como você pode ver, o próton 
possui carga positiva por que a soma 
das cargas de seus quarks é igual a 1. 
Mais interessante, o nêutron possuir 
carga nula devido ao fato de que as 
cargas elétricas dos quarks que os 
compões se anulam. 
 Até aqui tudo bem. Os prótons e 
nêutrons são formados por quarks, os 
quais possuem cargas elétricas cuja 
soma é responsável por conferir a 
carga elétrica dos prótons e dos 
nêutrons. Mas como esses quarks são 
mantidos unidos para formar um 
próton ou um nêutron? A resposta é 
simples: por meio de uma cola! 
 
8.2 Os Glúons 
 Os Glúons são partículas 
elementares que não possuem massa 
e que mantém os quarks unidos, como 
demonstrado na figura abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
42	
   Cosmologia	
  
	
  
A força que mantém os diferentes 
quarks unidos é conhecida como Força 
Nuclear Forte, e para ser rompida é 
necessária uma grande quantidade de 
energia. Assim, para estudarmos as 
propriedades dos quarks, devemos 
separá-los e esse é o objeto de estudo 
do próximo tópico. 
 
8.3 Destruindo núcleos atômicos – Aceleradores de Partículas 
 Se você quisesse sabe do que é 
feito um relógio, o que você faria? A 
resposta mais simples seria: eu o 
desmontaria. 
 Para descobrir do que os átomos 
são feitos devemos desmontá-los 
completamente e observar, medir e 
entender cada uma de suas partes. 
Contudo, você pode desmontar um 
relógio com apenas algumas chaves 
de relojoeiro, mas com átomos isso 
não dá para ser feito. Então, sobra-nos 
apenas uma opção: dar uma bela 
pancada no relógio, digo, nos átomos, 
de forma que ele se despedace por 
inteiro e, a partir dos seus pedacinhos, 
descobrir do que eles são feitos. 
Correto? É exatamente isso que os 
cientistas fazem com os aceleradores 
de partículas. 
 Existem milhares de 
aceleradores de partículas espalhados 
pelo mundo com as mais diversas 
finalidades. Alguns deles podem ser 
encontrados em hospitais e são 
utilizados para produção de 
radiofármacos. Outros são os grandes 
aceleradores circulares de partículas 
encontrados nos maiores centros de 
pesquisas do mundo, e são 
exatamente sobre eles que iremos 
estudar. 
 Se você jogar um relógio 
contra a parede, dependendo 
da força, você irá despedaçá-
lo e, por exemplo, vai 
descobrir que ele possui uma 
bateria. Mas do que é feita 
essa bateria? A força que você 
utilizou não foi suficiente para quebrar 
a bateria, mas apenas para removê-la 
do restante do objeto. Logo, 
precisaremos de colisões mais fortes 
para que a bateria seja quebrada e 
assim possamos descobrir do que ela 
é feita. 
 O mesmo acontece dentro dos 
aceleradores de partículas. Nesses 
equipamentos, dois feixes de 
partículas são acelerados em sentidos 
opostos a velocidades altíssimas por 
meio de campos magnéticos ultra 
potentes. Num dado momento esses 
dois feixes são direcionados um contra 
o outro de forma que colisões entre 
eles ocorram, como se dois carros 
fossem colocados na mesma pista e se 
chocassem de frente. Essas colisões 
ocorrem dentro de sensores 
gigantescos, sensíveis o suficiente para 
detectar diversas propriedades de 
cada fragmento produzido.
 Atualmente, o maior acelerador 
de partículas do mundo é o LHC, sigla 
em inglês para Large Hadron Collisor – 
Grande Colisor de Hádrons. Ele está 
localizado no CERN, o maior centro de 
pesquisas nucleares do planeta, que 
fica situado na fronteira entre França e 
Suíça. Nesse acelerador de 
partículas, 
Cosmologia	
   43	
  
	
  
os feixes de hádrons viajam por um 
anel de aproximadamente 27 Km de 
extensão a 99,99% da velocidade da 
luz. Para simular as condições 
essenciais, a temperatura em seu 
interior atinge -271,3 ºC (1,9 K). O fato 
das partículas serem aceleradas a 
99,99% da velocidade da luz talvez não 
lhe diga muita coisa, mas em números 
reais isso equivale a 11245 voltas 
completas em cada segundo. Lembre-
se que apenas1 volta completa possui 
aproximadamente 27 Km! 
 A cada segundo são produzidas 
cerca de 600 milhões de colisões e daí 
surge a necessidade da alta 
sensibilidade dos sensores. Ainda, a 
cada segundo esses sensores geram 
informação suficiente para preencher 
100.000 CDs. Se você deseja conhecer 
o LHC em maiores detalhes, o seu site 
oficial dispõe de um tour 3D que pode 
ser acessado em 
http://petermccready.com/.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Alice (A Large Ion Collider 
Experiment) – Nesse experimento os 
cientistas estão colidindo íons de 
chumbo de forma a recriar as 
condições iniciais do Big Bang. Os 
resultados obtidos nesse experimento 
permitirão aos cientistas compreender 
o estado da matéria conhecida como 
plasma de quark-glúon, a qual 
acredita-se que se tenha formado nas 
primeiras frações de segundo após o 
Big Bang. Como vimos anteriormente, 
Visão geral do LHC. O equipamento encontra-se enterrado a aproximadamente 100 metros de 
profundidade. Créditos: CERN. 
44	
   Cosmologia	
  
	
  
a força que mantém os quarks unidos 
é extremamente forte e exatamente 
por isso não conseguimos encontrar 
quarks livres na natureza. As colisões 
promovidas nesse sensor irão gerar 
temperaturas da ordem de mais de 
100 milhões de graus Celsius. Espera-
se que essas temperaturas sejam 
suficientes para separar os quarks dos 
glúons para que os mesmos possam 
ser estudados mais a fundo.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sensor ALICE. Créditos: CERN. 
Resultado das colisões dentro do sensor 
ALICE. Créditos: CERN. 
Sensor ATLAS - Esse detector é o responsável pela procura do 
Bóson de Higgs, uma partícula elementar da matéria que dá origem 
massa. Além disso, por meio do ATLAS os cientistas também irão 
estudar dimensões extras do nosso Universo e a matéria escura. 
Créditos: CERN. 
Cosmologia	
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Bóson de Higgs 
 Muitos dos conceitos físicos 
básicos utilizados em nosso cotidiano 
nos passam desapercebidos até o 
momento em que nos debruçamos 
sob uma reflexão mais apurada sobre 
eles. Tempo e massa são exemplos 
claros desses conceitos que, quando 
paramos para pensar sobre eles, 
conseguimos dar um nó em nossos 
neurônios. Nesse capítulo iremos nos 
questionar o que é a massa de uma 
partícula, de onde ela vem e como se 
manifesta. 
 
Afinal, o que é massa? 
 Se você perguntar a um químico 
o que significa a massa de um corpo, 
ele lhe responderá que a massa é a 
quantidade de matéria que um corpo 
possui, ou seja, quanto maior for a 
quantidade de matéria de um dado 
corpo, maior será sua massa. Do ponto 
de vista da química esse conceito está 
totalmente correto, dado que a 
natureza de estudos dessa disciplina, 
as interações e reações químicas, 
necessitam mensurar a quantidade de 
partículas que estão interagindo ou 
reagindo. 
 Contudo, se você perguntasse o 
que significa a massa de um corpo a 
um físico, a resposta seria 
completamente diferente. Para a física, 
a massa de um corpo é uma medida 
da sua inércia, a qual entendemos com 
a “dificuldade” apresentada por um 
corpo, ou partícula, quando se tenta 
alterar seu estado inercial, ou 
simplesmente o estado original 
apresentado pelo corpo naquele dado 
momento. Assim, se temos uma 
partícula em repouso em relação a 
algum referencial, devemos aplicar 
uma determinada força sob ela para 
colocá-la em movimento e, do 
contrário, caso uma determinada 
partícula possua velocidade, devemos 
aplicar uma determinada força para 
fazê-la parar. Portanto, quanto maior 
for a inércia de um corpo, mais difícil é 
para esse corpo alterar sua velocidade. 
Pense em duas pessoas se deslocando 
em sua direção com a mesma 
velocidade (considere você parado), 
uma delas a pé e com massa de 40 Kg 
e a outra dirigindo um caminhão de 
10.000 Kg de massa total. Qual delas 
você teria que fazer menos força para 
parar por completo? Certamente a de 
40 Kg é mais fácil (a sua força será 
menor), mesmo que as velocidades 
das duas sejam a mesma. A diferença 
reside exatamente na massa dos 
corpos envolvidos, ou seja, na inércia 
de cada corpo. 
 
De onde vem a massa de um 
corpo? 
 Para compreender a massa de 
um corpo precisamos retomar a 
ultraestrutura da matéria. Vimos no 
capítulo anterior que os hádrons 
(prótons e nêutrons, por exemplo) são 
partículas subatômicas constituídas 
por quarks, os quais se mantém unidos 
por meio de glúons. O Bóson de 
Higgs seria uma subpartícula atômica 
que compõe todas as demais 
partículas conferindo-lhes massa. Para 
tentar compreender esse fenômeno 
de forma um pouco mais clara, vamos 
fazer uma analogia: tratemos você 
como uma partícula que pode se 
mover. Ao caminhar na rua você 
encontra uma certa dificuldade em 
andar devido à existência de ar, mas 
isso não nos atrapalha muito e 
podemos caminhar com facilidade. 
Imagine-se então caminhando dentro 
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de uma piscina com 
água até o 
pescoço. Nesse 
caso o seu 
movimento 
encontra uma 
maior 
resistência, ou 
seja, para você 
mudar de 
velocidade 
dentro da água 
você deverá 
fazer mais força 
do que você 
faria no ar. A 
água nesse caso 
atua como um 
campo que 
aumenta a sua 
inércia. Pior ainda seria se você 
estivesse tentando andar na lama. A 
esse campo que aumenta a sua inércia 
damos o nome de Campo de Higgs e, 
assim como a água é formada por 
moléculas individuais, podemos 
imaginar que o Campo de Higgs 
também é, e nesse caso temos o 
bóson de Higgs. 
 Por meio da analogia anterior 
podemos perceber que quanto maior 
for a intensidade do Campo de Higgs, 
maior é a inércia de uma partícula e, 
consequentemente, essa inércia será 
expressa como a sua massa. Outra 
consequência disso é a explicação do 
por que algumas partículas não 
apresentam massa. Nesse caso, tais 
partículas não interagem com o 
Campo de Higgs e, assim, podem se 
deslocar livremente no espaço-tempo. 
 
Por que o bóson de Higgs é tão 
importante para a Física? 
 Durante as décadas de 60 e 70 
os físicos de partículas desenvolveram 
uma 
teoria 
conhecida como 
“Modelo 
Padrão”, a qual 
descreve as interações entre 3 das 4 
forças elementares da natureza: o 
eletromagnetismo, a força nuclear 
fraca e a força nuclear forte. O 
desenvolvimento dessa teoria se deu 
tanto por meio de avanços 
experimentais como por avanços nas 
formulações teóricas. Exemplos desses 
avanços teóricos foram as predições 
da existências de quarks e outras 
subpartículas atômicas, as quais foram 
identificadas anos mais tarde. 
 Em 1964, Peter Higgs e outros 
físicos propuseram que deveria existir 
uma partícula elementar que seria 
responsável pela quebra de simetria 
eletrofraca, o que resultaria no fato 
das partículas apresentarem massa. 
Essa subpartícula atômica deveria 
possuir características que a 
classificariam como um bóson 
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(partícula com spin inteiro) e, acima de 
tudo, validaria o Modelo Padrão como 
essencialmente correto. 
 
Part ícula de Deus? 
 O bóson de Higgs ficou 
popularmente conhecido como 
“Partícula de Deus” e esse fato traz 
muitos problemas para a Física. Em 
nenhum momento a Física tenta 
buscar a existência de um Deus. O 
estudo das partículas fundamentais da 
matéria busca uma compreensão mais 
profunda do nosso Universo e o bóson 
de Higgs é uma peça fundamental que 
faltava para comprovar se o Modelo 
Padrão da Física de Partículas estava 
ou não correto. 
 O nome partícula de Deus 
originou-se quando o cientista 
ganhador do prêmio Nobel, Leon 
Lederman, escreveu um livro para o 
público geral sobre o bóson de Higgs 
e sua importância. Originalmente, o 
título do livro deveria ser “The 
Goddamn Particle” (A partícula 
maldita, em tradução literal para o 
português), mas o editor do livro 
acreditava que o termo “maldita” 
poderia afastar os possíveis leitores e 
sugeriu que o livro se chamasse “The 
God Particle - If the Universe is the 
Answer, What is the Question?” (A 
Partícula de Deus - Se o Universo