De onde veio o hidrogênio?

 

Esse post é uma espécie de continuação de “Você e o Universo…”. Recomendo que leia para se inteirar do assunto.

O hidrogênio é um dos principais elementos (senão o principal) que existe na natureza. Composto apenas por um próton em seu núcleo atômico e de um elétron orbitando em sua eletrosfera, o átomo de hidrogênio é o mais simples e por isso, tem presença marcante em todos os lugares. Sua mais famosa associação é com o oxigênio, formando o H₂O ou simplesmente água. Ele também participa em praticamente todos os compostos orgânicos existentes (ligando-se ao carbono como por exemplo para constituir a glicose que é o açúcar C₆H₁₂O₆).

Um dos elementos mais abundantes da natureza (cerca de ¾ da matéria do Universo) estava desafiando os físicos. De onde o hidrogênio surgiu? Ele é constituinte primário de estrelas e de nebulosas. Sua presença em estrelas serve como estopim para a formação de todos os demais elementos da natureza, começando pelo segundo mais simples (hélio) até o mais pesado naturalmente (urânio). Embora ele seja raro na forma pura na Terra (já que o átomo dele é tão “leve” que ele escapa da força de gravidade), encontramos facilmente em compostos, que constituem a água, eu ou você. A Ciência precisava responder essa questão.

O início das coisas

Para grandes pensadores como Aristóteles, o Universo sempre esteve aqui. Estava do mesmo jeito no passado, estava como está hoje e no futuro não teria mudado uma vírgula sequer. Esse Universo de Estado Estacionário servia bem para as observações da época e explicava com clareza do porque as coisas serem como serem. Esse pensamento manteve-se pouco alterado durante séculos até que um senhor, metido a britânico da alta sociedade, disse que as coisas que compunham o Universo, como nebulosas, estavam se afastando uma das outras. Ora, quem é esse cara que disse isso? Quem foi esse senhor que fez Einstein dizer que cometera o maior erro de sua vida? Foi Edwin Hubble.

Por nossa sorte, indo contra o que os pais queriam (que fosse advogado), Hubble era apaixonado pelas estrelas e passava horas observando e tirando fotografias do céu noturno. Com o tempo, e com dados do americano Vesto Slipher, percebeu que nebulosas e galáxias estavam se distanciando uma das outras. Mais ou menos na mesma época Einstein havia criado uma Constante Cosmológica para frear o Universo em expansão que surgia de seus cálculos. Para ele o Universo deveria ser estático caso contrário ele se colapsaria contra a própria ação da gravidade. Ao observar e analisar os estudos de Hubble e de outros, ele vira que sua equação estava certa e que aquela Constante não serviria para nada. Por isso que ele disse que havia feito o maior erro de sua vida (hoje Einstein poderia ficar feliz ao saber que sua Constante não foi totalmente esquecida entre os astrônomos que ainda o usam para outros fins).

Por incrível que pareça, na mesma época, um padre belga chamado Georges Lemaître havia proposto que no passado, tudo no Universo estava concentrado num único ponto que, num dado momento, explodiu. Isso justificaria o fato das coisas estarem se expandindo nas observações e nas equações de Hubble. Além do mais, ela explicava algo muito interessante.

No passado distante, toda a matéria do Universo estava concentrado num ponto muito pequeno, extremamente quente e denso. Num determinado momento, aquilo explodiu. Não interprete explosão como de uma bomba, mas de que tudo aquilo expandiu rapidamente, ocupando “espaço”. Em nanossegundos muitas coisas aconteceram que não convém detalhar aqui mas nesse período ocorreu o que os cientistas chamam de Teoria Inflacionária o qual o Universo se expandiu muito rápido. Isso é importante para que entendamos um conceito que direi daqui a pouco. A medida que o Universo se expandia sua temperatura foi caindo e aquela energia toda dispersa começou a fazer sentido com o surgimento de radiações e partículas fundamentais, como quarks e os fótons. Os quarks e outros fundamentais são os que constituem a matéria.

Cerca de 100 segundos depois disso, bárions (que são constituídos por três quarks) começaram a se juntar. Prótons e nêutrons, que são bárions, formaram o núcleo dos primeiros átomos. Uia, quer dizer que… calma, ainda não terminei! Quase 400 mil anos depois de surgiu o Universo, a temperatura havia caído tanto que elétrons (também partículas fundamentais) que estavam vagando pelo Universo finalmente começaram a se sossegar na presença dos núcleos atômicos, constituindo a eletrosfera. Núcleo mais elétrons formam o que chamamos de átomo!

Sim meu caro, aí está a explicação para a formação do elemento mais simples do Universo, o hidrogênio (olhinhos brilhando). E sabe qual é a teoria que explica o surgimento disso tudo? Você deve ter ouvido falar como a Teoria do Big Bang! Obviamente Lemaître não chegou dizendo tudo isso mas a base da teoria está aí: de que as coisas expandiram repentinamente e que explica com sucesso a expansão que observamos atualmente. Além disso, ela explica, satisfatoriamente, a origem de elementos simples, como o hidrogênio. Outros elementos leves, como hélio também surgiram nessa época, já que nada impedia a união de mais prótons e nêutrons para constituir núcleos um pouco mais pesados, mas a maior parte da matéria produzida foi hidrogênio.

Lembra-se da parte que havia dito sobre Teoria Inflacionária? Então, muita gente não acreditava na teoria do Big Bang na época em que ela foi apresentada. Entretanto essas vozes foram caladas quando, em 1964, os americanos Arno Penzias e Robert Wilson detectaram um estranho, mas persistente ruído quando apontavam uma antena para o céu. E o ruído era sentido em todas as direções que apontavam a antena. Julgaram a princípio que poderia ser algum problema na antena e iniciaram possíveis reparos (incluindo a retirada de um ninho de pombos no interior da antena). Entretanto, ao religarem os aparelhos o ruído continuava lá. Não demorou para perceberem que o que estavam ouvindo era o ruído do Big Bang!

Hoje o Universo emite um “ruído”, chamada de Radiação Cósmica de Fundo na temperatura de quase 3 K. Isso é constante e ocorre para qualquer lugar que você aponte a antena. Uma explicação para isso foi que, no princípio, o Universo estava muito juntinho permitindo a transferência de calor por igual em todas as áreas mantendo a mesma temperatura. E como o Universo expandiu muito rápido (Teoria Inflacionária, lembra) isso se manteve constante no Universo e hoje detectamos como essa radiação constante de 3 K em todos os lados. Sabe aquele canal de TV fora do ar ou aquele ruído que você ouve ao trocar de faixa no rádio. Então, aquilo é o ruído do Big Bang. Ou seja, se você quer um bom programa de domingo na TV é só colocar num canal que não exista e curtir o domingão. rsrs

Concluindo (finalmente…)

Nenhum cientista trabalha sozinho. Nenhum cientista está certo de tudo. A Ciência é o trabalho de diversas pessoas ao longo dos anos, cada um contribuindo com um tijolinho para aumentar nosso conhecimento sobre as coisas. Muitas da teorias defendidas séculos atrás não tem fundamento nenhum hoje e, com certeza, teoria hoje defendidas ficaram sem sentido daqui a vários anos. A Ciência é essa incrível ferramenta que ajuda a entender o mundo e tudo que nos cerca. Pode não ser grande coisa em nosso cotidiano saber como o hidrogênio surgiu ou o carbono de meu corpo mas são perguntas que são feitas a medida que vamos aprendendo mais coisas e temos curiosidade em saber realmente o lugar onde vivemos. Sinto-me maravilhado em saber que os átomos que me constituem vieram de um estrela, de uma supernova e de um grande estrondo que deu origem a todo o Universo.

Embora isso não seja talvez conversa para falar entre amigos (quem me conhece sabe que menti agora) eu sei que em meu íntimo, ao olhar para o céu noturno pipocado de estrelas (no interior onde moro ainda tenho essa dádiva) não sinto medo pois ele é conhecido para mim pois eu fui ele no passado e ele será alguém no futuro. Fico feliz em saber disso…

Com imagens de ~SimonKonrad (me lembrou Cosmos, de Carl Sagan). Com informações de:
VIEIRA, Cássio L., ANJOS, João dos. Um olhar para o futuro: desafios da física para o século 21. Vieira & Lent, Rio de Janeiro, 2008.