Cosmologia a criação da matéria e o big bang

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Cosmologia: a criação da matéria e o big bang 
 
DANTAS, OZ 
 
O que é Cosmologia? 
 
Toda civilização, desde os tempos mais remotos da história da humanidade, sempre teve 
grande fascínio ao contemplar as estrelas no céu noturno. A inquietação sobre o nosso 
lugar no cosmos é uma característica intrínseca do ser humano: como surgiu o universo? 
De onde veio este planeta? De onde vieram as pessoas? Qual o significado de tudo que 
existe? 
 
A cosmologia é a ciência que busca entender como a matéria, o espaço e o próprio tempo 
surgiram, utilizando-se dos princípios da Física, Matemática, Química e Astronomia para 
estudar a estrutura, evolução e origem do universo. A partir dos modelos teóricos 
estabelecidos e das evidências científicas descobertas, os cosmólogos também buscam 
investigar qual o destino do universo e seu possível final. Trata-se de uma ciência que 
engloba um conjunto de conhecimento técnico bastante amplo e tem como laboratório o 
próprio universo. 
 
Cosmogonia: a origem no mito 
 
Pode-se dizer que uma das primeiras formas de tentar compreender o início dos tempos foi 
por meio dos chamados “mitos cosmogônicos”.Em diversos povos e culturas, os mitos 
desempenham o papel de formular concepções para explicar a origem do universo, 
incorporando uma visão mística e espiritualizada à ordenação do cosmos. Nessa visão, é 
comum que as divindades, os deuses e as forças sobrenaturais façam parte das 
representações cosmogônicas, sendo elas responsáveis não só por conceber o universo 
mas também por manter a regularidade do movimento dos astros na esfera celeste 
ordenando o universo. 
 
“Uma vez que nos perguntamos sobre a origem do Universo, 
encontrar uma resposta se tona muito tentador. O caminho que cada 
indivíduo escolhe depende, sem dúvida, de quem está fazendo a 
pergunta. Uma pessoa religiosa vai procurar respostas dentro do 
contexto de alguma religião, que poderá ser tanto uma religião 
organizada como uma versão mais pessoal. O ateu tentará, talvez, 
achar uma resposta dentro de um contexto científico. Religiosas ou 
não, certamente a maioria das pessoas terá alguma resposta. O 
veículo encontrado por várias culturas foi o mito. Mitos são história 
que procuram viabilizar ou reafirmar sistemas de valores, que não só 
dão sentido à nossa existência como também servem de instrumento 
no estudo de uma determinada cultura" 
 
 
GLEISER, Marcelo(1997): A dança do universo: dos mitos de criação 
ao big bang. 
Por volta do segundo milênio antes de Cristo, os egípcios já conheciam muito bem o céu, 
possuíam conhecimentos práticos de astronomia observacional o que possibilitou o 
desenvolvimento de um calendário que era baseado nos fenômenos das cheias do rio Nilo. 
Foi observado que o rio transbordava uma vez ao ano, coincidindo com a aparição da 
estrela Sírius​(a estrela mais brilhante) no céu noturno, antes da alvorada, no horizonte 
oriental. Esse fenômeno de "nascimento" de Sirius, observado anualmente após um longo 
período de inatividade, foi chamado de ​O iniciador do ano​. Desta forma, notou-se que o 
céu poderia ser utilizado como uma espécie de calendário, assinalando os dias entre uma 
enchente e outra, encontrou-se um total de 365 dias e um quarto. Dividiram esse tempo em 
12 meses de 30 dias e mantiveram um grupo de 5 dias reservados às atividades religiosas. 
 
 
 
A primeira figura é uma imagem via satélite (Google Earth) que mostra a região nordeste da 
África, onde está localizado o Egito. Pode-se observar na imagem que a região é centrada 
no Nilo, um estreito e fértil vale, muito importante para desenvolver a agricultura. A segunda 
figura,retirada do ​software ​Stellarium , ilustra a constelação de cão maior( canis major) 
indicando a estrela ​Sirius​. O conjunto de estrela era frequentemente associado às figuras 
mitológicas presentes na cultura egípcia. Para os egípcios, a observação dos astros era 
importante para a organização de festas e rituais, a previsão para o plantio, a ocorrência 
das cheias e o momento de colheita das plantações. Sendo assim, a astronomia para eles 
estava ligada a questões religiosas mas também práticas do dia a dia. 
 
 
 
 
 
Numa das visões cosmológicas mais importantes da tradição egípcia, o Universo era 
representado por uma porção de terra alongada na forma de uma travessa, o deus Geb. O 
céu, uma abóbada alongada marcada por diversos pontos cintilantes representando a 
esfera celeste, era a deusa Nut e se encaixava sobre a travessa-terra. Já o deus Shu 
representava o ar, apoiando-se sobre Geb e sustentando Nut. A travessa-terra se 
assentava sobre a água. Abaixo dela, fechando o Universo egípcio, existia outra travessa. O 
Sol e a Lua eram dois deuses que percorriam o céu em dois barcos. À noite, ambos 
passavam por baixo da terra para reaparecer novamente no céu pelo outro lado. 
 
"O céu é representado pela Deusa Nut e abaixo dela estão os deuses Shu (o Ar) e 
Geb (a Terra). Dois barcos levam o Sol (o Deus Rá) de um extremo a outro pelo 
corpo de Nut: o crepúsculo, quando a barca é engolida pela boca de Nut e 
alvorecer quando ele é parido pela deusa (NEVES, 2001, p.44-46)" 
CESAR, MARCOS(2019). A astronomia na antiguidade: um olhar sobre as 
contribuições chinesas, mesopotâmicas e egípcias. 
 
A ​cosmogonia ​revela muito além da capacidade humana de inventar histórias e narrativas 
metafóricas que refletem as tradições de determinada cultura popular, ela também 
demonstra que muitas sociedades antigas possuíam um vasto conhecimento astronômico 
obtidos empiricamente por meio das observações do céu noturno. Por exemplo, é sabido 
que aqui no Brasil, diversos povoados indígenas também observaram que os fenômenos 
celestes eram cíclicos, onde cada ciclo estava associado às mudanças climática, isso os 
possibilitava estabelecer calendários para plantio e colheita. Um conjunto de estrelas 
bastante conhecido dos nativos brasileiros são as ​Pleaides​, que hoje são caracterizadas 
como um conjunto de estrelas jovens que ainda estão envoltas de gás e poeira interestelar. 
 
 
O registro do aparecimento das Pleiades no hemisfério norte possibilita os povos prever as 
estações chuvosas. 
 
 
"Os povos Tupi-Guarani, segundo Afonso (2006), denominam as Plêiades de Eixu, 
baseando-se no nascer helíaco destas estrelas, ou seja, nascer antes do Sol, que 
ocorre pela primeira vez, no dia 5 de junho, servindo assim, como base para os 
povos Tupi-Guarani iniciarem a contagem de um ano sideral. Outro povo indígena, 
que também analisa o nascer helíaco das Plêiades, como indicador da chegada das 
chuvas, são os índios Tembés, do norte do Brasil, assim como, o ocaso helíaco, ou 
seja, desaparecimento das Plêiades após o pôr-do-sol no oeste, representa para os 
Tembés a chegada das secas. Em contrapartida, para os índios Guaranis do sul do 
Brasil, o nascer helíaco das Plêiades, significava a chegada do inverno, enquanto 
seu ocaso representa a proximidade do verão. As diferentes interpretações das 
Plêiades, feitas por diferentes etnias indígenas brasileiras, se justifica por razão dos 
diferentesclimas das regiões que eles habitavam, porém, nota-se que, para todos os 
povos analisados, as Plêiades possuem a mesma representatividade na vida 
cotidiana." 
CASTRO, Campos(2016): A cosmologia indígena brasileira. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estas são as ​Pleiades​, um conjunto de sete jovens estrelas azuis, ainda em formação, se 
encontram envoltas por uma grande nuvem de gás e poeira interestelar. Elas também são 
popularmente conhecidas como as "Sete Irmãs" e podem ser localizadas na Constelação de 
Touro, tomando como referência a reta formada pelas estrelas Betegeuse ( na constelação 
de Orion) e Aldebarã, ambas fáceis de ser identificadas devido a característica avermelhada 
de sua coloração. Seguindo a reta é possível chegar ao aglomerado das Pleiades, bem no 
pescoço do touro. A concepção Tupi Guarani, nos fornece uma outra interpretação do 
padrão formado pelas estrelas na esfera celeste: as Pleiades ( Eixu ) estão localizadas 
numa constelação que os nativos chamaram de "A constelação do Homem Velho" e é 
formada por duas constelações ocidentais distintas, Touro e Órion. A constelação do 
Homem Velho contém três outras constelações indígenas, cujos nomes em guarani são: 
 
 
Eixu (as Pleiades), Tapi’i rainhykã (as Hyades, incluindo Aldebaran) e Joykexo (O Cinturão 
de Orion). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução às medidas astronomicas 
 
 
Quando estudamos o universo em suas maiores escalas percebemos que as unidades 
medidas convencionais, usadas para medir distâncias aqui na Terra, deixam de ser 
apropriadas devido às grandes dimensões do Universo. Para medir distâncias 
astronômicas, os cientistas adotaram a luz como uma espécie de “régua” universal, devido 
à sua velocidade adotar um valor constante independente do referencial adotado. A luz se 
desloca no vácuo à uma velocidade finita de aproximadamente 300.000 km/s, por esta 
razão, a distância que a luz percorre no período de um ano os astrônomos chamam de 
Ano-Luz. Aqui abaixo estão algumas das unidades des medidas que são amplamente 
aplicadas para tratar as distâncias astronômicas 
 
 
Unidade Definição Medida 
Anos-Luz (AL) Distância percorrida pela luz 
no período de um ano 
1AL= 9,46. km1012 
 
ou ainda 
 
1AL= 9 400.000.000.000 km 
 
 
 
O universo observável 
 
O ​sistema solar, onde se localiza o planeta Terra, está inserido em uma região periférica do 
disco em espiral da galáxia Via-Láctea, a 30 mil anos luz ou 285 quatrilhões de quilômetros 
do centro da galáxia. Isso quer dizer que se fosse possível viajar à velocidade da luz, um 
viajante, partindo do planeta Terra, chegaria ao centro da galáxia em 30 mil anos, já para 
percorrer o diâmetro da galáxia levaria um tempo de 100 mil anos. A região onde se 
encontra o sistema solar é chamada de braço de Orion, uma imensa concentração de 
matéria que deu origem a milhares de estrelas e nebulosas. O Sol é apenas uma entre as 
estimadas 200 ou 400 bilhões de estrelas que constituem a Via-Láctea. 
 
 
 
A galáxia Via-Láctea está inserida em uma região do universo que os astrônomos 
chamaram de ​grupo local​, trata-se uma área que contem uma concentração de cerca de 
54 galáxias distribuídas. A Via-Láctea e a sua vizinha Andrômeda, são as maiores e mais 
massivas galáxias que compõem o grupo local, por esta razão, o centro de gravidade se 
encontra localizado entre as duas. O grupo local possui um diâmetro de aproximadamente 
10 milhões de anos-luz. 
 
 
Unidade Astronômica (U.A) É baseada na distância que 
existe entre o planeta Terra 
e o Sol. Essa distância foi 
padronizada como 1 U.A. 
1UA = 1,50. km108 
 
ou ainda 
 
1UA = 150.000.000 km 
Parsec(pc) Medida de distância definida 
em termos de um ângulo de 
paralaxe, de arco 1 
segundo, formado entre Sol 
e Terra em relação a uma 
estrela próxima 
1pc =2,06. UA105 
 
ou ainda 
 
1pc = 3,26 anos-luz 
 
 
 
 
As galáxias tendem a se organizar em uma estrutura que os Físicos e Astrônomos 
chamaram de ​"Clusters" ​que é basicamente um ​superaglomerado de galáxias que se 
atraem gravitacionalmente, formando estas estruturas. O grupo local, por sua vez, está 
contido no superaglomerado de Virgem, que possui uma massa total em torno de 10​15 
massas solares e um incrível diâmetro de 200 milhões de anos-luz e contem cerca de 100 
Grupos ou aglomerados de Galáxias. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Matéria: o microcosmo e o macrocosmo 
 
 
Em física clássica, o conceito de matéria aparece relacionado com o conceito de massa, de 
tal forma que são tratadas quase como sinônimos. É muito comum, neste contexto, definir 
 
 
a matéria como sendo " tudo aquilo que possui massa e ocupa um volume no espaço”. 
Embora usual, esta convenção é limitada e ultrapassada diante das teorias modernas que 
contemplam diferentes formas de interpretar a matéria no Universo. 
 
"Outro exemplo de uma situação que requer cuidado é o das partículas que não têm 
massa, como o fóton e o glúon e talvez o neutrino (partículas que serão discutidas logo 
mais). Neste caso, a associação entre massa e matéria parece ser especialmente 
problemática, pois tais partículas não seriam consideradas matéria, o que é contra 
intuitivo ao próprio conceito clássico de partícula. Mas, na verdade, como veremos 
mais adiante, o fóton e o glúon geralmente não são considerados formas de matéria, 
mas meramente mediadores de determinadas interações (força) fundamentais da 
natureza." 
MUNIZ, Ricardo. O que é matéria e do que ela é feita? USP/ Univesp 
 
 
Se você analisar cuidadosamente o interior de um bloco de matéria macroscópica verá que 
ela é constituída de estruturas moleculares composta por átomos, partículas que os físicos 
acreditavam ser o menor componente da matéria até meados de 1897, quando o cientista 
Joseph John Thomson descobriu uma partícula ainda mais fundamental chamada de 
elétron. Hoje sabemos que a estrutura atômica pode ser divida em duas partes: Eletrosfera, 
onde ficam os elétrons, que possuem cargas negativas, e o Núcleo, constituídos de 
partículas ainda menores chamadas de Prótons(carga positiva) e nêutron (carga zero). Se 
compararmos o átomo ao tamanho de um campo de futebol, o núcleo teria 
aproximadamente o tamanho da bola. Por isso, pode-se dizer que o átomo é quase 
exclusivamente formado por um vazio. 
 
Até o início da década de 70, os prótons e nêutrons eram considerados indivisíveis e, 
portanto, elementares. Alguns experimentos, porém, levaram a acreditar que eles possuem 
uma estrutura constituída de três unidades mais elementares, chamadas de ​Quarks​. 
Atualmente, sabe-se da existência de seis Quarks conhecidos, dos quais apenas dois 
participam da formação dos prótons e nêutrons: o quark ​Up e quark ​Down​, com cargas 
elétricas respectivamente iguais a e , ​onde ​e ​é o valor da carga elementar. + e)( 3
2 − e)( 3
1 
Cada próton é constituído de dois quark ​Up ​e um quark ​Down, enquanto o nêutron é 
formado por dois quark ​Down ​e um quark ​Up. ​Isso explica, por exemplo, o valor das cargas 
elétricas do próton e do nêutron. Veja na figura abaixo: 
 
 
 
= +eCarga do próton (+ e) + e) = 3
2 + ( 3
2 + − e)( 3
1 
arga do nêutron− e) (− e) (+ e) 0C = ( 3
1 + 3
1 + 3
2 = 
 
 
 
 
 
 
 
A física de partículas classifica a matéria composta por três Quarks, como no caso do 
próton, como Bárions. Basicamente, os bárions são os blocos de construção para toda a 
matéria convencional - átomos, moléculas, planetas e estrelas. Por tanto, quase todo tipo de 
matéria que pode ser encontrada em nossa vida cotidiana é matéria bariônica. Um fato 
curioso é que uma parte mínima do universo é composto de matéria convencional, apenas 
5% da composição de todo universo é de matéria bariônica, os outros 95% se dividem entre 
dois componentes ainda um tanto quanto exóticos para física: 21% Matéria Escura e 74% 
Energia Escura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Síntese dos Elementos Químicos nas Estrelas 
 
Para entender a origem do universo, os cosmólogos utilizam o modelo do Big Bang para 
explicar como a matéria teve origem no início dos tempos, há aproximadamente 14 bilhões 
 
 
de anos atrás. Para isso, precisam compreender quais foram as condições físicas que 
possibilitaram a formação das partículas primordiais, permitindo que os elementos químicos 
mais básicos fossem formados e, posteriormente, aglutinados em estruturas gasosas que 
foram os primeiros berçários estelares . Sendo assim, para termos um entendimento um 
pouco mais aprofundado sobre o surgimento do Cosmos, é necessário conhecer o Universo 
não só em suas escalas astronômicas, na dimensão de Estrelas, Galáxias e 
Superaglomerados, mas também em suas menores escalas, na dimensão das partículas. 
 
 
No início do século XX, um cientista francês chamado Henri Becquerel publicou um estudo 
em 1896 sobre as propriedades radioativas de um mineral contendo urânio. Observou-se 
que o minério emitia algum tipo de partícula altamente energizada que conseguia 
atravessar estruturas sólidas, criando uma impressão em chapa fotográfica. O estudo de 
Becquerel possibilitou, pouco mais tarde, a descoberta do núcleo atômico(1911), por 
Rutherford, iniciando o desenvolvimento da Física Nuclear e abrindo espaço para uma nova 
era no entendimento das propriedades da matéria e da formação dos elementos químicos 
no interior das Estrelas. 
 
Estrelas são corpos altamente massivos, constituídos predominantemente por gás 
hidrogênio oriundos de nuvens gasosas que se aglutinaram gravitacionalmente, formando 
uma concentração de matéria em torno dos pontos de maior densidade até toda a matéria 
ao redor colapsar, concentrando-se em torno de um centro de gravidade. Esse processo faz 
com que a pressão no interior do núcleo estelar se torne esmagadora, proporcionando um 
aumento violento na velocidade das colisões entre os núcleos atômicos que compõem a 
Estrela. Desta forma, parte de sua energia gravitacional é convertida em energia térmica 
superaquecendo o núcleo estelar a uma temperatura da ordem de Kelvins, , .10 1 5 7
 
 
fornecendo a energia mínima necessária para arrancar elétrons dos átomos de hidrogênio e 
assim os transforma em prótons altamente energizados. O processo de ionização dos 
gases conduz a matéria para um outro estado físico conhecido como ​Plasma ​ou o quarto 
estado da matéria, sendo os outros três o estado sólido, líquido e gasoso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
É na condição de plasma que se desencadeiam as reações termonucleares, também 
chamadas de ​Nucleossíntese Estelar, ​que são o conjunto de reações nucleares 
responsáveis por descrever como a energia das Estrelas é gerada a partir da fusão entre 
núcleos atômicos, transformando-os em elementos químicos mais pesados e liberando uma 
vasta quantidade de energia em forma de radiação. Deste modo, podemos pensar nas 
 
 
Estrelas como uma enorme fonte de energia ou como uma espécie de fábrica cósmica, 
responsável pela criação de boa parte dos Elementos Químicos presentes no universo. O 
Sol, por exemplo, consome cerca de 300 bilhões de quilogramas de gás Hidrogênio por 
segundo, transformando-os em Hélio. Estima-se que a energia liberada na conversão de 
apenas um quilograma de hidrogênio em hélio seria suficiente para manter uma lâmpada de 
100W acesa por um milhão de anos. 
 
As reações de Nucleossíntese que ocorrem no interior das Estrelas explicam como o Sol, 
por exemplo, se mantém irradiando há cerca de 4,6 bilhões de anos. A fusão nuclear se 
inicia após a ionização dos átomos de hidrogênio, onde restam apenas o núcleo atômico, 
que no caso são os prótons. Por esta razão, a primeira parte da reação em cadeia é 
chamada de ciclo próton-próton, na qual dois prótons se fundem formando um isótopo do 
hidrogênio chamado deutério( hidrogênio pesado) , cujo núcleo é formado por um próton e 
um nêutron. 
 
H H H e , 4 Mev 1 + 1 → 2 + + + v e + 1 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
Os 
neutrinos, 
por 
serem desprovidos de massa, 
conseguem atingir velocidades 
altíssimas, suficiente para 
escapar do sol. Enquanto que o 
pósitron é aniquilado ao interagir 
com sua anti-partícula ( elétron) 
gerando fótons altamente 
energéticos, liberando energia na forma de luz. Na etapa seguinte do processo, o núcleo de 
deutério ( ) ​se funde ao próton formando o isótopo de Hélio-3, que contém um total de H 2 
dois prótons e um nêutron em seu núcleo, como ilustra a reação abaixo: 
 
H H He , 9 Mev 2 + 1 → 3 + γ + 5 4 
 
 
 
 
 
 
​Fóton: é uma partícula de energia na forma de radiaçãoγ 
eletromagnética 
 
 
 
 
 
Por último, dois núcleos de Hélio-3 se fundem formando Hélio-4 e liberando mais dois 
prótons que irão iniciar novas reações em cadeia e repetir o ciclo. 
 
 
He He He H 2, 6 Mev 3 + 3 → 4 + 2 1 + γ + 1 8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
As reações do ciclo proton-proton podem ser resumidas no esquema abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Referências 
 
● CESAR, MARCOS,2019: A astronomia na antiguidade: um olhar sobre as 
contribuições chinesas, mesopotâmicas e egípcias. 
● GLEISER, Marcelo(1997): A dança do universo: dos mitos de criação ao big bang. 
● CASTRO, Campos(2016): A cosmologia indígena brasileira. 
● MUNIZ, Ricardo. O que é matéria e do que ela é feita? USP/ Univesp