A Origem do Universo e a Formação Planetária

IMAGEM DO TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE DA GALÁXIA NGC 4594 OU MESSIER 104, A "GALÁXIA DO SOMBRERO" LOCALIZADA A 31 MILHÕES DE ANOS-LUZ DA TERRA. AS BORDAS DESSA GALÁXIA SÃO FORMADAS DE NUVENS MOLECULARES GIGANTES, ABUNDANTES EM POEIRA CÓSMICA.

A ciência que estuda a origem e evolução do Universo a partir da perspectiva deste em larga escala é a Cosmologia. Os fundamentos dessa ciência se originam das leis da física, isto é, um conjunto de leis matemáticas que refletem o funcionamento dos sistemas do Universo e além da qual não existem interações e eventos senão as que são permitidas por esse conjunto de leis. Tais leis que fundamentam a Cosmologia Moderna são fundamentadas na Teoria da Relatividade Geral de Einstein e em detalhes sobre o comportamento subatômico do Universo, isto é, sobre os primeiros momentos de sua existência, onde está o domínio da Mecânica Quântica que ainda precisa se correlacionar à Relatividade Geral para produzir um conjunto de leis consistentes tanto com o Macrocosmos quanto com o Microcosmos e esse conjunto de leis físicas é chamado de Gravitação Quântica. De modo simples, a Teoria da Relatividade Geral (TRG) descreve que o espaço e o tempo são uma única entidade física denominada espaço-tempo. Este serve como um substrato para os eventos que ocorrem no Universo. 

Essa descrição, no entanto, não depende de um sistema de coordenadas ou de um substrato ou background para existir porque esta depende apenas da relação entre eventos ocorrendo no espaço-tempo e tal propriedade é denominada na física de difeomorfismo. Na presença de matéria e energia, as propriedades geométricas do espaço-tempo são acomodadas de tal modo que objetos se movendo em suas trajetórias seguem as menores trajetórias possíveis próximas a massas grandes como estrelas e planetas e estas trajetórias no espaço-tempo curvo são denominadas de geodésicas. A este fenômeno dá-se o nome de gravitação na visão moderna publicada por Einstein e Hilbert em 1916. Uma vez que massa e energia deformam o espaço-tempo curvando-o e fazendo partículas descreverem essa curvatura, toda a matéria e energia existentes produzem uma geometria para o Universo. Este é um dos conceitos fundamentais da Cosmologia. Através da estimativa do percentual de massa e sua distribuição no Cosmos, isto é, sua densidade, pode-se determinar a geometria global do espaço-tempo. De acordo com a teoria mais aceita atualmente, do Big Bang, o Universo teve um início, um começo onde o próprio espaço-tempo e tudo nele contido surgiram em um ponto, ou singularidade gravitacional, de infinita densidade e temperatura, onde o próprio espaço e o tempo se confundiam e eram dissolvidos em flutuações quânticas incessantes curvando-se infinitamente sobre si mesmos, o que na visão quântica significa flutuações do vácuo quântico ou espuma quântica. 

A singularidade gravitacional do Big Bang inflacionou, isto é, expandiu a uma taxa acelerada exponencial onde a velocidade em que houve a expansão superou a velocidade da luz durante um curtíssimo intervalo de tempo e então cessou dando lugar a uma expansão suave e regular que persiste até hoje. O evento que criou o Universo é conhecido como Big Bang. Durante o Big Bang ocorreu a síntese dos primeiros átomos a existirem, os elementos químicos hidrogênio, seu isótopo leve deutério, o hélio, lítio e traços de berílio foram os únicos elementos sintetizados durante a fase energética e altamente quente do Big Bang. Essa síntese desses elementos é chamada de nucleossíntese do Big Bang ou nucleogênese. A nucleogênese produziu abundante hidrogênio e secundariamente hélio. Apenas traços de lítio e berílio foram sintetizados a partir da sopa quente de partículas subatômicas que quando esfriaram formaram seus núcleos atômicos. Após a nucleogênese, a matéria quente ainda não havia esfriado o suficiente para quebrar o seu equilíbrio térmico com os fótons que colidiam e eram absorvidos pelos elétrons livres do plasma de matéria. Cerca de 300 mil anos após o Big Bang o Universo esfriou o suficiente para os fótons se desacoplarem da matéria tornando o Universo transparente. 

Esses fótons libertados formam uma radiação eletromagnética que preenche todo o Cosmos, essa radiação são os resquícios da fase continuada quente do Big Bang, essa radiação tinha alta energia na época em que foi emitida, mas devido à expansão do espaço-tempo seu comprimento de onda foi alargado até a faixa das microondas. Hoje, essa radiação é denominada de Radiação Cósmica de Fundo em Microondas ou RCFM. Essa é considerada a principal evidência de um Big Bang quente. Essa radiação apresenta uma distribuição espectral perfeitamente compatível com um espectro teórico de radiação de corpo negro com uma temperatura de 2,7 K. Uma radiação de corpo negro é um conjunto de comprimentos de onda do espectro eletromagnético cuja intensidade é proporcional à temperatura de um corpo aquecido, indicando que o Universo no passado distante, isto é, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, se comportava como um corpo quente homogêneo e isotrópico, portanto, a radiação emitida é uma assinatura do Universo quando era jovem, com altíssima temperatura.

IMAGEM DO CÉU INTEIRO DA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICROONDAS TIRADA PELO SATÉLITE PLANCK. OS PONTOS MAIS VERMELHOS SÃO MILÉSIMOS DE GRAUS KELVIN MAIS QUENTES QUE OS PONTOS MAIS AZUIS. A RCFM CONTÉM LIGEIRAS ANISOTROPIAS INTERPRETADAS PELO MODELO COSMOLÓGICO DO BIG BANG QUENTE COMO IRREGULARIDADES QUÂNTICAS DO UNIVERSO PRIMORDIAL. ESTAS IRREGULARIDADES PERMITIRAM A FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS DE MATÉRIA DIFERENCIADAS, AS GALÁXIAS, SEPARADAS POR VAZIOS CÓSMICOS. A TEMPERATURA MÉDIA DESSA RADIAÇÃO É DE 2,7 KELVINS.

A RCFM também mostra a temperatura atual do Universo, com o valor medido de 2,7 K, isto é, pouco menos de 3 pontos acima do zero absoluto de temperatura. Dados codificados na RCFM medidos pelas sondas espaciais COBE, WMAP e PLANCK mostram que existem pequenas irregularidades na distribuição de sua temperatura, isto é, mostra que existem pontos no céu que apresentam maiores ou menores temperaturas com amplitudes muito sutis percebidas apenas por equipamentos sofisticados como o satélite WMAP e o PLANCK que registraram com precisão a distribuição da RCFM. Essas pequenas irregularidades têm um significado profundo na evolução da estrutura do Universo e na consequente coalescência de matéria para formar galáxias, estrelas, planetas e vida. Todas essas irregularidades na RCFM representam flutuações quânticas que existiram quando o Universo tinha apenas 10 elevado a -43 segundos de vida (Era de Planck), onde as leis da gravitação quântica dominavam profundamente na singularidade do Big Bang. 

Essas irregularidades foram como que aumentadas ou ampliadas até vastas escalas cósmicas devido a um rápido evento de expansão acelerada que durou de 10 elevado a -36 até 10 elevado a -32 segundos após o Big Bang. Essa expansão exponencial do tecido do espaço-tempo primordial é denominada de inflação cósmica e permitiu suavizar a geometria do espaço-tempo e ampliar essas pequenas “imperfeições” quânticas para que estas no futuro gerassem “sementes” de aglomeração gravitacional capazes de gerar estruturas diferenciadas, onde pudessem existir regiões mais densas de matéria que a gravidade aglomerou e regiões menos densas que constituíram praticamente vazios cósmicos. Essas “imperfeições” do Universo primordial permitiram que as galáxias se formassem no futuro. Isto permitiu que a gravidade moldasse estruturas individualizadas tais como aglomerados de gás espiral típico como as galáxias espirais e dentro das galáxias a produção de estrelas, estas estrelas fabricariam em seus interiores, governadas pelas forças nucleares fraca e forte, os demais elementos químicos mais pesados que o hélio e entre estes elementos o carbono teve um papel chave na geração da vida em planetas que existiriam num futuro distante como a Terra em nosso Sistema Solar. O evento gerador de elementos químicos através da fusão nuclear no interior de estrelas massivas é conhecido como nucleossíntese estelar ou simplesmente nucleossíntese.

Apesar do sucesso das predições da teoria do Big Bang e a resolução de alguns problemas apresentados pela teoria através da hipótese da inflação cosmológica, a teoria está fundamentada pelas observações astronômicas feitas pelo astrônomo Edwin Hubble que, assim como Humanson anteriormente, mediu os desvios dos comprimentos de onda de emissão da luz de diversas galáxias em várias porções do céu e descobriu que a esmagadora maioria delas tinha seus espectros de comprimento de onda desviados para comprimentos de onda longos, ou seja, desviados para o vermelho. Essa característica assinatura espectral das galáxias é chamada de redshift, o deslocamento para o vermelho. Hubble calculou as distâncias entre nossa posição na Terra e muitas galáxias usando como padrão de calibração a luminosidade conhecida de estrelas variáveis cefeidas. 

Sabendo a distância entre a Terra e estrelas cefeidas próximas, calculada através de ângulos de paralaxe, é possível utilizar o padrão de variação de luminosidade destas estrelas e encontrar cefeidas em outras galáxias para inferir a distância média delas. Após isto Hubble interpretou que os redshifts das galáxias ocorriam por causa de um desvio Doppler da luz, ou seja, quando um objeto emissor de luz se afasta de um observador o seu comprimento de onda é estirado na direção do observador que recebe o sinal luminoso com comprimento de onda deslocado em direção ao vermelho no espectro eletromagnético. A interpretação do desvio Doppler relativístico do espectro de luz das galáxias permitiu a Hubble calcular as velocidades com que estas galáxias se afastavam de nós e mutuamente umas das outras. O resultado foi uma correlação quase linear entre redshifts e distâncias medidas. Hubble concluiu que quanto mais distante a galáxia mais rápido ela se afastava de nós. E este fenômeno está ocorrendo em todas a direções no Universo. Então se concluiu que o Universo estava se expandindo, que o espaço-tempo em escala intergaláctica estava como que se estirando. Esta relação entre redshift e distância ficou conhecida como Lei de Hubble-Humanson. 

GRÁFICO RESULTANTE DAS OBSERVAÇÕES DO ASTRÔNOMO EDWIN HUBBLE RELACIONANDO AS DISTÂNCIAS MEDIDAS DAS GALÁXIAS EM RELAÇÃO À TERRA E SEUS REDSHIFTS MEDIDOS (INTERPRETADOS COMO VELOCIDADES DE RECESSÃO DAS GALÁXIAS GERANDO EFEITO DOPPLER RELATIVÍSTICO DA LUZ) MOSTRANDO UMA CORRELAÇÃO ESTATISTICAMENTE LINEAR. A INCLINAÇÃO DA RETA GERADA É PROPORCIONAL À CONSTANTE DE HUBBLE. A INTERPRETAÇÃO DADA PARA ESTA RELAÇÃO, CHAMADA DE LEI DE HUBBLE, É DE QUE O UNIVERSO ESTÁ SE EXPANDINDO, A DISTÂNCIA ENTRE AS GALÁXIAS AUMENTA COM O TEMPO. O GRÁFICO FOI GERADO AQUI UTILIZANDO SUPERNOVAS TIPO IA COMO PADRÕES DE LUMINOSIDADE. HUBBLE USOU ORIGINALMENTE ESTRELAS CEFEIDAS.

Visto que o espaço-tempo se expande, os físicos começaram a trabalhar em modelos matemáticos para descrever o comportamento do Universo em larga escala utilizando as equações de Einstein. Se as galáxias se afastam umas das outras mutuamente, se regressarmos a seta do tempo cosmológico observaremos as galáxias se aproximando umas das outras até chegar num ponto de infinita densidade, a singularidade cosmológica. Então houve um início no tempo e depois uma violenta expansão que perdura até hoje. O modelo de espaço-tempo cosmológico em expansão utilizado ficou conhecido como métrica de Fredman-Robertson-Walker-Lemaitrê. O astrônomo Fred Hoyle, defensor da teoria contrária a esta, formulou o termo pejorativo "big bang" para esta "explosão" que ocorreu no início do Universo. O nome pegou. Um clérigo e pesquisador na área de física, Georges Lemaitrê, formulou a hipótese do que ele chamou de "átomo primordial" explicando que o Universo teve um início em um ponto, a singularidade do Big Bang, e a partir deste ponto ocorreu a expansão cosmológica que gerou espaço-tempo, matéria e radiação. 

Problemas começaram a surgir porque não haviam evidências desse big bang e o modelo de Hubble-Humanson considerava que a idade do Universo, já que ele aparentemente é finito no tempo, era de cerca de 15 bilhões de anos. Refinamentos posteriores da chamada Constante de Hubble calculam a idade atual do Universo como 13,8 bilhões de anos. Esse tempo não é suficiente para que estruturas complexas de superaglomerados de galáxias se formassem. Cálculos realizados por diversos astrônomos mostram que estas superestruturas se formam sob ação da gravidade em um tempo mínimo de 150 bilhões de anos, mais do que a idade do Universo. Com a descoberta da rotação anômala dos discos galácticos e nos aglomerados galácticos pelos pesquisadores, parecia que havia mais matéria do que era visível nos telescópios. Os corpos em escala galáctica e intergaláctica exerciam uma atração gravitacional maior do que o esperado nos cálculos da gravitação tanto de Newton quanto de Einstein. Os cientistas chamaram essa "matéria invisível" de matéria escura. A matéria escura foi a invocada para resolver o problema das estruturas em larga escala diminuindo o tempo necessário para a formação destas.

IMAGEM FAMOSA DO "HUBBLE ULTRA DEEP FIELD" MOSTRANDO UMA ÁREA DO CÉU EQUIVALENTE AO TAMANHO DA CABEÇA DE UMA AGULHA VARRIDA PELO TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE VÁRIAS VEZES PARA MAIOR EXPOSIÇÃO REVELANDO UM CAMPO COM CERCA DE 10 MIL GALÁXIAS. ESTA É A IMAGEM REAL MAIS DISTANTE DO UNIVERSO EM DETALHES FEITA POR UM TELESCÓPIO. ESTAS GALÁXIAS POSSUEM ELEVADOS REDSHIFTS, INTEPRETADOS COMO VELOCIDADES INCRÍVEIS DE AFASTAMENTO DAS GALÁXIAS, UMAS DAS OUTRAS.

IMAGEM DE SIMULAÇÃO DE COMPUTADOR DAS ESTRUTURAS EM LARGA ESCALA DO UNIVERSO, NA FORMA DE FILAMENTOS E VAZIOS. CADA PONTO DE LUZ SÃO AGLOMERADOS INTEIROS DE GALÁXIAS. O TEMPO PARA FORMAÇÃO DESTAS ESTRUTURAS FOI CALCULADO POR ASTRÔNOMOS COMO SENDO DE 150 BILHÕES DE ANOS. MAS NO MODELO DO BIG BANG QUENTE INCORPORANDO A MATÉRIA ESCURA, ESTAS ESTRUTURAS SE FORMAM DENTRO DO TEMPO DE 13,8 BILHÕES DE ANOS CALCULADO PELA CONSTANTE DE HUBBLE COMO SENDO A IDADE DO UNIVERSO. ESTA ESTRUTURA DE LARGA ESCALA É SIMULADA POR QUE ESTÁ ALÉM DO UNIVERSO OBSERVÁVEL.

Outra anomalia observada na expansão do Universo foi constatada em 1998 quando astrônomos observaram uma queda sistemática anômala de luminosidade de supernovas tipo Ia. Em sistemas estelares binários onde uma estrela companheira é uma gigante ou supergigante da sequência principal (uma estrela da sequência principal é aquela que realiza a fusão normal do hidrogênio convertendo-o em hélio) e a outra é uma estrela colapsada, uma anão branca, o forte campo gravitacional da densa anã branca acreciona para si gás da estrela companheira. Uma anã branca é um núcleo de uma estrela que se extinguiu após exaurir suas reservas de hidrogênio e inchar se transformando em uma gigante vermelha. Durante a fase de gigante vermelha a estrela realiza a fusão nuclear cada vez menos eficiente de hélio para carbono e assim sucessivamente sintetizando os elementos químicos da tabela periódica até o ferro. Quando o ferro é produzido a estrela não realiza mais fusão devido à esta ser endotérmica para o núcleo do elemento ferro. Como resultado a estrela colapsa pela própria gravidade esmagando elétrons contra núcleos formando uma matéria densa chamada matéria degenerada. As camadas externas de gás da estrela são ejetadas suavemente ou de forma intermitente formando uma nebulosa planetária. O núcleo de matéria degenerada é uma anã branca, um objeto com o diâmetro equivalente ao diâmetro da Terra, mas contendo praticamente uma massa solar sendo um dos objetos mais densos do Universo. Estrelas com massas de até 5 vezes a massa do Sol têm esse destino final. Estrelas massivas com até 100 vezes a massa do Sol podem se tornar objetos colapsados ainda mais densos, as estrelas de nêutrons. Massas superiores produzem colapso em um buraco negro de massa estelar. 

Quando o núcleo da estrela colapsa em uma estrela de nêutrons ou num buraco negro, as camadas de gás externas da estrela são violentamente expandidas para o espaço em uma explosão de alta energia, uma supernova tipo II. Durante este evento energético os elementos químicos mais pesados que o ferro são sintetizados. Quando o gás acrecionado da estrela companheira é aquecido e compressionado na superfície da anã branca atinge-se um limite de compressão onde os núcleos atômicos se fundem gerando uma explosão termonuclear na anã branca. O resultado é uma supernova tipo Ia cuja luminosidade é superior em magnitude a de uma galáxia inteira durando horas ou dias. As supernovas tipo Ia possuem uma curva de luminosidade característica. Analisando eventos de supernovas Ia em galáxias distantes, de alto redshift, observou-se um desvio das curvas de luminosidade que só poderiam ser explicados, dentro do modelo da métrica de um espaço-tempo em expansão cosmológica, como sendo ocasionado pela aceleração da expansão cosmológica. Para acelerar a expansão deve haver um componente antigravitacional no espaço-tempo, uma componente que se mantivesse constante e afastasse cada vez mais rápido as galáxias umas das outras. Essa componente foi chamada de energia escura. A misteriosa energia escura é considerada no modelo cosmológico do big bang quente associado à matéria escura como sendo a constante cosmológica, uma componente antigravitacional das equações de campo de Einstein, sugerida pelo próprio cientista numa tentativa de formular um modelo de Universo estático, porque Einstein não estava confortável com a ideia de uma expansão cosmológica. Não se sabe ao certo o que é a energia escura, do que ela é feita. 

MODELO TEÓRICO DE UMA SUPERNOVA TIPO IA. CONSISTE DE UM SISTEMA BINÁRIO COMPOSTO DE UMA ESTRELA GIGANTE ORBITANDO UMA ESTRELA ANÃ BRANCA, UM NÚCLEO COLAPSADO DENSO DE UMA ESTRELA HÁ MUITO CONSUMIDA, A ANÃ BRANCA ACRECIONA MATERIAL DA ESTRELA COMPANHEIRA FORMANDO UM DISCO DE ACREÇÃO ATÉ UM LIMITE DE COMPRESSÃO DO PLASMA ONDE OCORRE UMA EXPLOSÃO TERMONUCLEAR COM IMENSA LIBERAÇÃO DE ENERGIA, ESSA EXPLOSÃO É A SUPERNOVA TIPO IA QUE POSSUI UMA CURVA DE LUMINOSIDADE CARACTERÍSTICA QUE PERMITE CALIBRAR DISTÂNCIAS COSMOLÓGICAS, SENDO ESTES EVENTOS "VELAS PADRÃO".

Os astrônomos Fred Hoyle e Jayant Narlikar eram os defensores da teoria cosmológica do Estado Estacionário que se baseia no princípio cosmológico perfeito ditando o Universo como homogêneo e isotrópico não apenas no espaço, mas também no tempo. Com isso o Universo não tem começo e não terá fim, ele mantém a mesma aparência eternamente e para resolver o problema da expansão observada por Hubble, Hoyle e Narlikar invocaram as equações de campo de Einstein para estabelecer um campo escalar que permitia a constante criação de matéria a partir do vácuo. De acordo com eles é possível ocorrerem mini-bangs em qualquer ponto do Universo gerando mais matéria e preenchendo o vazio entre as galáxias que se afastam umas das outras. No entanto a interpretação do redshift como velocidade de afastamento foi também questionada pelo astrofísico Fritz Zwicky, que formulou sua teoria da "luz cansada". De acordo com Zwicky os fótons das galáxias viajam através de campos gravitacionais intergalácticos enfraquecendo, ou seja, perdendo energia, de forma proporcional a distância percorrida. O resultado seria o redshift maior para galáxias mais distantes. Também houve a proposição do astrônomo Halton Arp de que os redshifts são resultado do aumento de massa das partículas subatômicas criadas em eventos de criação espontânea de matéria nos centros de galáxias ativas. De acordo com a hipótese do astrônomo Ambarzumian, as galáxias mais antigas ejetam protogaláxias que ganham massa à medida que interagem com o campo do vácuo do espaço em um modelo de Universo governado pelo princípio da inércia de Mach. Segundo Halton Arp os redshifts são quantizados, as partículas subatômicas são criadas sem massa e interagem fracamente entre si emitindo radiação de comprimentos de onda longos. 

À medida que as partículas "sentem" o campo de vácuo do Cosmos, elas ganham massa e estabilizam emitindo radiação de menor redshift. De fato o bóson de Higgs é um campo de vácuo que dá massa às partículas. A hipótese de Arp é fundamentada em observações de galáxias que ele chamou de peculiares. Muitas galáxias de baixo redshift apresentam-se conectadas por filamentos de gás hidrogênio quente ou através de jatos de ejeção de matéria com galáxias e quasares com redshifts elevados. Como poderia uma galáxia de baixo redshift, com velocidade de recessão menor e distância menor, está fisicamente conectada com objetos de alto redshift que deveriam estar muitos milhões ou até bilhões de anos-luz mais distantes? A hipótese de Halton Arp foi até mesmo considerada pelo astrônomo Carl Sagan em seu livro Cosmos, onde ele deixou em aberto a questão de aceitar o modelo do Big Bang como verdade absoluta e ignorar outras evidências que não corroboram com a teoria. Muitas outras proposições alternativas ao Big Bang existem, inclusive explicações alternativas para a existência de uma radiação cósmica de fundo. De acordo com Narlikar, a radiação cósmica de fundo tem um espectro de corpo negro porque representa radiação que foi completamente termalizada, ou seja, os fótons perderam a informação de suas origens, podendo representar também o background de um Cosmos extremamente velho. Modelos cosmológicos baseados na teoria de gravitação de Einstein modificada ou modelo de gravidade newtoniana modificada desconsidera a matéria escura e a energia escura e tratam o Universo com uma curvatura positiva e estático. Este modelo não é instável se as galáxias tiverem velocidades relativas tangenciais aos eixos da dimensão maior do Universo, ou seja, a quinta dimensão espacial invocada neste modelo e a idade calculada para esse universo seria de mais de 1 trilhão de anos. 

UMA DAS FAMOSAS GALÁXIAS PECULIARES OBSERVADAS PELO ASTRÔNOMO HALTON ARP. AQUI A GALÁXIA NGC 7603, COM BAIXO REDSHIFT, APARECE NA IMAGEM EM RAIOS X CONECTADA POR FILAMENTO GASOSO A TRÊS QUASARES COM ELEVADOS REDSHIFTS. ESTA OBSERVAÇÃO FOI TEMA DE MUITO DEBATE ENTRE PESQUISADORES E DESAFIA A INTERPRETAÇÃO DOS REDSHIFTS COMO OCASIONADOS POR VELOCIDADES DE RECESSÃO COSMOLÓGICA. AQUI HALTON ARP INTERPRETA QUE OBJETOS DE REDSHIFTS CONTRASTANTES ESTÃO CONECTADOS POR GÁS QUENTE PORQUE REDSHIFTS SÃO INTRÍNSECOS E NÃO REPRESENTAM INDÍCIO CONCRETO DE QUE O UNIVERSO ESTÁ SE EXPANDINDO. O FILAMENTO DE GÁS SUPERAQUECIDO NÃO PODERIA SE EXTENDER POR MILHÕES DE ANOS-LUZ REFORÇANDO A CONEXÃO FÍSICA REAL ENTRE ESTA GALÁXIA E TRÊS QUASARES.

Não vou me aprofundar muito aqui nas muitas nuances das teorias sobre a origem do Universo. Apenas devemos considerar que na ciência precisamos ter a mente aberta para novas descobertas e evidências. Não adotar modelos científicos como dogmas inquebráveis e sim estar aberto a novas fascinantes possibilidades de explicar algo tão vasto quanto o Cosmos ainda cheio de mistérios a revelar. Vou discutir aqui a formação planetária e sobre a origem das galáxias vou considerar o modelo tradicional de formação de acordo com a teoria do big bang, mas existem teorias alternativas para a formação de galáxias. As estruturas cosmicamente importantes no contexto de evolução planetária são primeiramente as galáxias. Estas foram formadas pela acreção gravitacional de grandes nuvens de gás que se aglutinaram e formaram nuvens maiores rotacionando e adquirindo estabilidade devido à fricção do próprio gás assumindo formas de discos em rotação. A maioria das galáxias atuais tem esse padrão de discos espirais. 

Partes do gás interno das galáxias se desestabilizaram gravitacionalmente colapsando em estruturas individuais, bolsões compressionados a tão grandes pressões e adquirindo como consequência uma temperatura central tão elevada que deu ignição à fusão nuclear do hidrogênio convertendo esses bolsões de gás em bolas de plasma incandescente emitindo radiação eletromagnética, luz visível para a maioria destes objetos. Estes objetos cósmicos são as estrelas. Estas passaram a iluminar o Universo, uma verdadeira explosão de formação estelar generalizada em todas as protogaláxias da época. Gerações de estrelas nasceram, fabricaram grandes quantidades de elementos químicos e terminaram suas vidas em gigantescas explosões de supernovas que permitiram liberar para o espaço interestelar os elementos da nucleossíntese. Esses elementos, os “metais”, isto é, os elementos químicos mais pesados que o hélio, foram acumulados durante bilhões de anos de história cósmica em nuvens de gás que ficaram cada vez mais enriquecidas em “metais” forjados nas estrelas. A próxima geração de estrelas que se formaram a partir desse gás enriquecido em metais acumularia para si matéria sólida e essa matéria sólida podia agora se aglutinar em corpos menores orbitando suas estrelas companheiras, os planetas.

O Sol é uma estrela de geração recente, formado cerca de 8,7 bilhões de anos após o início do universo no modelo do big bang. Ele se formou a partir do colapso gravitacional de uma nuvem molecular, uma nebulosa de gás e poeira muito fria e densa rica em matéria não na forma atômica ou ionizada, mas na forma molecular e contendo partículas sólidas de minerais produzidos em atmosferas de estrelas supergigantes denominadas estrelas AGB (Assimptotic Giant Branch) e em supernovas. Quase toda a matéria colapsada foi ejetada pela rotação do disco protoestelar, o restante formou o Sol e uma pequena parcela de material acrecionado era composta de gás e poeira interestelar. O gás e a poeira se acumularam em volta do protossol em um disco protoplanetário. No disco a matéria coalesceu em corpos maiores, os planetesimais, e muitos destes se aglutinaram por colisões aleatórias e por gravidade produzindo corpos de dimensões com mais de centenas de quilômetros, os protoplanetas. Esses embriões planetários varreram suas órbitas acrescionando gravitacionalmente toda poeira e gás disponíveis e aumentando suas massas até atingirem dimensões de planetas. A região mais próxima do Sol não preservou os elementos voláteis como os gases abundantes hidrogênio e hélio que foram varridos pelos ventos solares intensos. Nesta região interna do disco protoplanetário os planetas rochosos foram consolidados. Apenas nas regiões distantes mais frias do disco, os planetas acumularam o gás e tornaram-se gigantes gasosos. Modelos de simulação por computador, as simulações numéricas, do disco protoplanetário mostram que em apenas 4 milhões de anos de evolução o disco contém milhares de protoplanetas ou embriões planetários com diâmetros variando do tamanho da Lua até o tamanho de Marte.

IMAGEM DO HST DA NEBULOSA NGC 1491, LOCALIZADA NA CONSTELAÇÃO DE PERSEUS. ESTA NEBULOSA CONTÉM GIGANTESCAS NUVENS MOLECULARES, AS PORÇÕES ESCURAS NA IMAGEM. ESTAS NUVENS DENSAS RICAS EM POEIRA CÓSMICA SÃO REGIÕES DE INTENSA FORMAÇÃO ESTELAR. O SOL SE FORMOU JUNTO DE OUTRAS ESTRELAS EM UMA NEBULOSA COMO ESTA.

CONCEPÇÃO ARTÍSTICA DE UM DISCO PROTOPLANETÁRIO, COM A PROTESTRELA NO CENTRO E O MATERIAL SÓLIDO SE AGLUTINANDO EM PLANETESIMAIS NO DISCO DE GÁS E POEIRA. EM POUCOS MILHÕES DE ANOS A POEIRA NO DISCO EVOLUI PARA EMBRIÕES PLANETÁRIOS COM TAMANHOS VARIANDO EM DIÂMETROS DA LUA ATÉ MARTE. OS EMBRIÕES PLANETÁRIOS SE AGLUTINAM POR COLISÕES FORMANDO OS PRECURSORES DOS PLANETAS ROCHOSOS.

IMAGEM DE UM DISCO PROTOPLANETÁRIO REAL FEITA PELO RADIOTELESCÓPIO ALMA (ATACAMA LARGE MILIMETER ARRAY), ESTE REPRESENTA UMA PROTOESTRELA EM ESTÁGIO "T-TAURI" A 450 ANOS-LUZ DA TERRA. ESTE DISCO PROTOPLANETÁRIO FOI CHAMADO DE OBJETO HL TAURI.

Os protoplanetas colidiram entre si e se estilhaçavam constantemente. Outros se fundiam em massas maiores gerando os futuros planetas rochosos do Sistema Solar. Acredita-se que Marte seja um protoplaneta remanescente. Análises isotópicas e de elementos terras raras dos meteoritos marcianos mostram que Marte teve uma história de extração magmática primordial diretamente relacionada à composição dos condritos. A Terra já possui uma história mais complicada, podendo ser resultado da fusão de vários protoplanetas em eventos colisionais violentos, gerando uma história primordial de extração magmática para a crosta muito mais complexa do que Marte. Diz-se que o processo de formação de planetas é estocástico, ou seja, é resultante de acumulação de processos aleatórios desencadeados por colisões e coalescências. Quando cessou a fase de acreção planetária, os planetas rochosos tinham uma crosta ainda fundida e incandescente, desprovidos de uma atmosfera espessa. Os planetas praticamente formados passaram pelo processo de diferenciação planetária onde o material interno deles fundiu as rochas convertendo os planetas em bolas de magma. Na fase líquida ou semifluida os elementos químicos se fracionaram separando os planetas em camadas internas, crosta, manto e núcleo. Esses planetas teriam de esfriar suas crostas e produzir as primeiras massas de rocha em sua superfície. A degaseificação do manto protoplanetário por vulcões liberou grande parte de voláteis como CO2, SO2, H2O, N2 e CH4 que passaram a compor a atmosfera planetária primordial.

A prototerra passou por esse processo, sua primeira fase de evolução foi a diferenciação planetária, onde o ferro e o níquel junto de metais raros e densos como platina, paládio, irídio, ouro e ósmio afundaram em meio a massa rochosa fundida da prototerra indo compor o núcleo, os elementos de densidade e afinidade química intermediária como o cálcio e magnésio se concentraram mais nas porções intermediárias formando o manto e elementos leves e incompatíveis geoquimicamente com o magnésio e o ferro, tais como sódio, potássio, alumínio e o abundante silício, foram compor a crosta. Após a diferenciação a prototerra agora com um núcleo de ferro-níquel formado, passou a gerar seu próprio campo magnético, e as convecções térmicas de massa em seu manto passaram a trazer constantemente magma juvenil para a crosta ocasionando o vulcanismo generalizado e a geração da atmosfera primitiva devido à expulsão dos gases presos no manto.

ILUSTRAÇÃO SIMPLIFICADA DO PROCESSO DE DIFERENCIAÇÃO PLANETÁRIA, ONDE OS MATERIAIS SÃO FRACIONADOS POR DENSIDADE E POR AFINIDADE GEOQUÍMICA QUANDO O PROTOPLANETA ESTÁ NA FASE DE BOLA DE MAGMA.

Num estágio inicial da prototerra, ocorreu uma colisão tangencial entre a prototerra e outro protoplaneta, esse outro corpo tinha o diâmetro aproximado do planeta Marte e este recebeu o nome de Theia. Quando houve a colisão, a prototerra não foi destruída, mas parte de seu material foi violentamente ejetado para o espaço junto dos fragmentos de Theia. A matéria ejetada formou um disco de acreção em torno da prototerra. Esse disco protolunar passou a coalescer gravitacionalmente formando um único corpo, a protolua. Após à formação da protolua, a prototerra desenvolveu junto de sua nova companheira importantes marés gravitacionais que iriam governar os ciclos do futuro oceano que a prototerra teria. Geoquímicos teorizam sobre a origem de minérios de ouro e platinoides extraídos hoje na crosta terrestre ser posterior à formação do núcleo da Terra. A teoria chamada de "verniz cósmico tardio" afirma que a Terra pode ter sido bombardeada, durante a época do bombardeamento pesado tardio, entre 4,1 e 3,9 bilhões de anos atrás, por bilhões de asteroides que incorporaram material extra na crosta terrestre, trazendo consigo ouro e platinoides que não desceram para o núcleo, mas foram incorporados no manto superior terrestre e depois reciclados em processos tectônicos posteriores que geraram os depósitos minerais mais antigos da Terra como os dos crátons do Congo, Kalahari, Kaapvaal e Barberton na África, Pilbara e Yilgarn na Austrália que contêm as maiores reservas de ouro e platinoides do planeta com idades máximas de 3,9 bilhões de anos e mínimas de 2,7 bilhões de anos.

SIMULAÇÃO ANIMADA DA FORMAÇÃO DA LUA PELO MODELO COLISIONAL ENTRE A PROTOTERRA E O PROTOPLANETA HIPOTÉTICO THEIA. A COLISÃO TEVE DE SER TANGENCIAL SENÃO OCORRERIA A DESTRUIÇÃO DA PROTOTERRA.

A formação de estrelas no Universo é um processo espontâneo, assim como a formação de planetas também é espontânea. De fato, não se admira que hajam milhares de planetas extrasolares ou também chamados de exoplanetas que já foram detectados por técnicas de observação astronômica avançada. Devido às limitações das técnicas de detecção de outros sistemas estelares e seus planetas, muitos dos exoplanetas descobertos são gigantes gasosos e alguns estão incrivelmente próximos de suas estrelas sendo chamados de Júpiteres Quentes. A maioria dos sistemas estelares são binários em nossa Galáxia devido à maior probabilidade de estrelas se ligarem gravitacionalmente formando pares devido ao fato de as estrelas serem formadas em grupos em uma mesma nuvem molecular. Muitos exoplanetas com até cinco vezes a massa da Terra já foram detectados e são chamados de Superterras. A descoberta de um exoplaneta semelhante à Terra é mera questão de tempo, maior refinamento da tecnologia observacional e paciência. Muitos desses exoplanetas semelhantes à Terra também podem conter formas de vida. Analisando as nuvens moleculares, observa-se a enorme variedade de moléculas orgânicas sintetizadas no meio interestelar por diversos processos astrofísicos. Quando a poeira interestelar, contendo compostos orgânicos, é aglutinada em discos protoplanetários, a matéria de carbono é também, naturalmente, incorporada no conteúdo dos planetesimais. Muitos desses planetesimais que não participam da acreção planetária vagam como asteroides ricos em água e compostos de carbono.

Em nosso sistema solar existem exemplos de amostras de asteroides desse tipo, os meteoritos mais raros já catalogados são amostras desses asteroides, ou mesmo de cometas e estes são os condritos carbonáceos tipo CI e CM. Os mais famosos são os condritos Orgueil e Murchison, ambos representando quedas testemunhadas no século XIX e na década de 60 respectivamente. Recentemente tivemos a queda do condrito carbonáceo CM Aguas Zarcas na Costa Rica. Esses meteoritos possuem alto teor de matéria orgânica e água. Para se perceber a diversidade de compostos de carbono encontrados na matriz desses meteoritos, foram encontrados aldeídos, carboidratos, hidrocarbonetos alifáticos, hidrocarbonetos aromáticos mononucleares e policíclicos, bases nitrogenadas, vários tipos de aminoácidos levógiros, aminas, amidas, ácidos carboxílicos, entre outros. Notemos que os aminoácidos levógiros são os componentes fundamentais para a construção das proteínas essenciais a todas as formas de vida na Terra. Todas as formas de vida na Terra são compostas de apenas 20 aminoácidos diferentes, sendo todos eles levógiros, isto é, têm simetria esquerda do carbono quiral. Além disso, as bases nitrogenadas purinas e pirimidinas são os componentes moleculares fundamentais da macromolécula de DNA.

ASTEROIDE 101955 BENNU FOTOGRAFADO PELA SONDA NÃO TRIPULADA OSIRIS-REX DA NASA EM 2 DE DEZEMBRO DE 2018. ESSE É UM PEQUENO ASTEROIDE PRÓXIMO DA TERRA COM COMPOSIÇÃO CARBONÁCEA. ESSES ASTEROIDES CONTÊM QUANTIDADES APRECIÁVEIS DE ÁGUA E COMPOSTOS DE CARBONO. OS METEORITOS CONDRITOS CARBONÁCEOS CI E CM SÃO AMOSTRAS DESSE TIPO DE ASTEROIDE.

COMETA 67P-CHURYUMOV-GERASIMENKO FOTOGRAFADO PELA SONDA NÃO TRIPULADA ROSETTA DA ESA EM 2015. A INVESTIGAÇÃO DESSE COMETA REVELOU QUE ESTES SÃO OBJETOS COM BAIXO ALBEDO, RICOS EM UMA MATRIZ SILICÁTICA DE GRANULAÇÃO FINA, SENDO POROSOS E CONTENDO QUANTIDADES ELEVADAS DE MATERIAL CARBONÁCEO ORGÂNICO E INORGÂNICO.

UM DOS FRAGMENTOS INDIVIDUAIS DO METEORITO ORGUEIL, UM CONDRITO CARBONÁCEO TIPO CI. ESSE METEORITO CONTÉM 22% EM MASSA DE ÁGUA NA FORMA DE MINERAIS HIDRATADOS EM SUA MATRIZ E 5% DE CARBONO NA FORMA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS EXTRATERRESTRES E INORGÂNICOS CARBONÁCEOS.

Todas as moléculas essenciais à vida foram encontradas nesses meteoritos e dados astronômicos de sensoriamento remoto de asteroides e cometas oriundos de regiões longínquas do sistema solar mostram que esses planetas menores ricos em água e matéria orgânica são abundantes nestas regiões distantes do Sistema Solar. Indo além disso, verifica-se a universalidade dos compostos de carbono que foram identificados em nebulosas moleculares gigantes que constituem berçários estelares contendo até centenas de milhares de estrelas jovens recém-formadas a partir do colapso gravitacional de partes da nuvem molecular. Dois exemplos clássicos de nuvens moleculares com intensa atividade de formação de estrelas são as nebulosas de Órion e da Águia, enfatizando as estruturas peculiares dos Pilares da Criação. Matéria carbonáca na forma de poeira cósmica também foi detectada em nuvens moleculares gigantes em outras galáxias tais como Centaurus A e a Galáxia Sombrero.

Nessas regiões densas, frias e opacas dessas nebulosas foram identificadas assinaturas espectrais de diversas moléculas orgânicas e compostos inorgânicos de carbono como CO2 além de água na forma de pequenos cristais de gelo. Dentro desses cristais de gelo podem existir também moléculas orgânicas complexas protegidas da intensa radiação ionizante das estrelas mais quentes que iluminam a nebulosa. Todos os compostos encontrados nessas nebulosas gigantes são similares aos compostos de carbono encontrados nos meteoritos de nosso Sistema Solar. Todas essas evidências mostram que a química da vida como conhecemos, baseada essencialmente em átomos de carbono ligados aos elementos organógenos (CHONPS) e água, é universal e abundante no Cosmos. O carbono é o único elemento químico que produz ligações químicas com ele mesmo sobre diversas condições e outros átomos de tal forma a gerar cadeias complexas de moléculas. Moléculas diversas, complexas e gigantes são necessárias para a geração de vida, que necessita de processos físico-químicos complexos para funcionar. As constantes tais como a massa do próton, a carga elétrica do elétron, a intensidade da força nuclear forte e nuclear fraca, a constante universal da gravidade, a constante de Planck que governa os processos quânticos e a constante cosmológica que governa a taxa de aceleração da expansão do Universo todas estas estão “finamente ajustadas” para produzir um Universo rico em complexidade e estruturação cosmológica tal que permite a formação de estrelas capazes de sintetizar por fusão nuclear abundantes quantidades de carbono – elemento fundamental para a origem da vida. De forma alternativa a esta visão de constantes "finamente ajustadas", os astrônomos Fred Hoyle e Chandra Wickramasinghe postularam que num Universo eterno no modelo do Estado Estacionário, sem big bang, a vida na Terra teria sido semeada por cometas e asteroides carbonáceos. 

Esta hipótese é chamada de Panspermia Cósmica que afirma ser o Universo, principalmente nas densas regiões de nuvens moleculares, recheado de esporos de bactérias inertes, muitos destes "fossilizados" de eras infinitas de geração cosmológica. As bactérias em suas formas inertes seriam acrecionadas junto da poeira cósmica nos planetesimais. Os cometas e asteroides encerram bactérias em seus interiores e semaram a Terra no passado durante a era do bombardeamento cósmico tardio com vida. Uma vez num ambiente rico em água e gás carbônico as bactérias se regeneraram de suas formas de esporos inertes e começaram o processo de evolução biológica. A hipótese de Hoyle-Wickramasinghe recebeu muitas críticas negativas, mas evidências de que microorganismos podem sobreviver à radiação cósmica e ultravioleta do espaço interestelar existem em artigos científicos de astrobiologia. Há controvérsias sobre a Panspermia, no entanto, alguns pesquisadores como Richard B. Hoover, afirmam ter descoberto autênticas estruturas bacterianas extraterrestres na matriz de condritos CI e CM. Com a universalidade da formação estelar e planetária contendo todos os elementos essenciais para a origem da vida e diante da imensidão do Cosmos, é muito difícil imaginar que apenas o planeta Terra abrigue vida. Todas as evidências apontam que não estamos sozinhos no Universo, a questão agora é confirmar a existência de vida em alguns dos planetas extrassolares já catalogados ou outros promissores que ainda serão descobertos, pelo menos vida microbiana alienígena.