Núcleos e átomoscomo começou a radiação cósmica de fundo

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas é o brilho residual do Big Bang. Ela se formou cerca de 380.000 anos depois do Big Bang, quando os elétrons foram capturados pelos núcleos, o universo ficou transparente e a primeira luz começou sua jornada rumo ao futuro. Essa luz ainda pode ser medida hoje. Antes disso, aos 3 minutos, cerca de 25% da massa tinha virado hélio, e a receita dos elementos mais leves estava fixada aos 20 minutos.

Esta era vai de 3 minutos a 150 milhões de anos e tem três partes: a nucleossíntese, que faz os elementos mais leves; a recombinação e a transparência, quando a luz viaja livre pela primeira vez; e, por fim, a longa idade das trevas, quando o universo não tinha estrelas e só hidrogênio neutro esfriando.

Seis eventos

• 3 min · Nucleossíntese primordial: Cerca de 25% da massa vira hélio.
• 20 min · Formação do lítio-7: A receita dos elementos mais leves está fixada. Elementos novos terão de esperar pelas estrelas.
• 47.000 anos · Domínio da matéria: A densidade da matéria supera a da radiação, e a matéria pesa mais que a luz e a radiação.
• 380.000 anos · Recombinação: Os elétrons são capturados pelos núcleos.
• 380.000 anos · Radiação cósmica de fundo: O universo fica transparente e a primeira luz segue para o futuro, como uma neblina espessa que de repente se dissipa.
• 380.000 anos – 150 milhões de anos · Idade das trevas: Sem estrelas, só hidrogênio neutro esfriando.

A receita dos elementos leves

Ralph Alpher e George Gamow calcularam como os elementos leves se formaram no Big Bang, e o nome de Hans Bethe foi acrescentado para fazer a piada "αβγ". O artigo se intitula "The origin of chemical elements" (Alpher, Bethe e Gamow, Physical Review, 1948). Na linha do tempo acima, o hélio já era abundante aos 3 minutos e o lítio-7 apareceu aos 20 minutos, o que fixou a receita dos elementos mais leves.

O brilho residual, achado por acaso por duas pessoas

Dois pesquisadores da Bell Labs não conseguiam se livrar do ruído em sua antena. Por fim perceberam que era o brilho residual do Big Bang, e ganharam o Nobel de 1978. O artigo deles tem um título despretensioso, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s" (Penzias e Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). Por coincidência, uma equipe de Princeton se preparava para procurar exatamente essa radiação e foi superada pelos vizinhos. Eles escreveram a explicação teórica, intitulada "Cosmic black-body radiation" (Dicke, Peebles, Roll e Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

Medindo o brilho residual com mais precisão

O espectro medido pelo COBE coincidiu quase perfeitamente com a curva teórica de corpo negro, dando apoio decisivo à teoria do Big Bang. O artigo é "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite" (Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990). Dois anos depois, dados do mesmo satélite mostraram variações de temperatura de uma parte em 100.000 na radiação de fundo. Essas diferenças minúsculas foram as sementes das galáxias posteriores. O artigo se intitula "Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps" (Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992). Ondas sonoras do universo primitivo também deixaram uma escala característica de cerca de 500 milhões de anos-luz na distribuição das galáxias, que se tornou uma régua para medir o universo. O artigo é "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies" (Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005). Por fim, o satélite Planck mediu as ondulações finas do brilho residual: a matéria comum responde por cerca de 5% da energia total do universo, a matéria escura por cerca de 27% e o resto é energia escura (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Como "ver" a idade das trevas

Sem estrelas não há luz para enxergar, então os pesquisadores recorrem ao hidrogênio. Os humanos detectaram pela primeira vez a emissão de rádio de 21 cm do hidrogênio neutro, o que tornou possível "ver" o gás da Via Láctea que de outro modo é invisível. O título do artigo é simplesmente "Observation of a line in the galactic radio spectrum" (Ewen e Purcell, Nature, 1951). O experimento EDGES relatou um sinal de absorção de 21 cm deixado pela primeira geração de estrelas, num artigo intitulado "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum". O resultado ainda é contestado e aguarda verificação independente (Bowman et al., Nature, 2018).

O que há dentro de um átomo

Partículas alfa são ocasionalmente rebatidas por uma folha de ouro, e disso Ernest Rutherford deduziu que a massa de um átomo está concentrada num núcleo minúsculo (Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). O artigo se intitula "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom".

Como o jogo mostra isso

No jogo, o intervalo de tempo da era Núcleos e átomos é "3 min – 150 milhões de anos" e seu recurso é átomos. Os geradores são Captura de prótons, Fusão de dêuterons, Síntese de hélio-4 e Captura de elétrons, correspondendo ao processo da nucleossíntese até a formação dos átomos.