Capítulo 7: Os primeiros minutos

Noite 70: A máquina de água

O dia 70 foi um dia de manutenção. Na programação que o solo mandava toda manhã, a tarefa principal de Noor tinha um nome simples: substituir um filtro do sistema de recuperação de água. Numa estação espacial, a água é preciosa demais para ser desperdiçada. Ela é pesada para mandar da Terra, então a estação recolhe quase cada gota que consegue e a limpa repetidas vezes. O vapor de água que a tripulação expira e o suor que sai da pele são retirados do ar. A água de lavagem é recolhida. Até a urina é recolhida, limpa e transformada de novo em água potável.

Noor tinha treinado essa tarefa muitas vezes em terra, numa cópia da máquina. Na estação, ela levou a maior parte da manhã. Fechou as válvulas na ordem certa, conferiu as leituras de pressão, abriu um painel e puxou o filtro velho. Cada peça solta ficava amarrada ou guardada num saco. Ade flutuava ali perto com a lista de verificação e lia cada passo em voz alta antes de ela executá-lo, e Noor repetia o passo para ele. Em terra, isso poderia parecer lento. Em órbita, é assim que se evitam erros.

Quando o filtro novo ficou no lugar, a máquina fez os seus testes. Uma fileira de pequenas luzes ficou verde, uma depois da outra. As equipes em solo acompanhavam as mesmas leituras nas suas telas e confirmaram que tudo parecia normal. Noor anotou o horário no registro e guardou o filtro velho num saco, para ser colocado numa nave de carga e levado embora mais tarde.

No almoço, ela encheu a sua bolsa de beber com a água da estação e a ergueu contra a luz. A água estava perfeitamente límpida. Não tinha gosto de nada, que é exatamente o gosto que uma água boa deve ter. Tomás levantou a sua própria bolsa e disse, como dizia sempre que alguém consertava a máquina de água, que o café de ontem tinha virado o café de hoje. Ade disse que essa não era uma frase em que ele quisesse pensar enquanto comia.

Naquela noite, Sami escreveu que tinha passado a noite inteira descarregando caixas de água engarrafada num supermercado e que estava feliz por ninguém pedir que ele bebesse a mesma água duas vezes. Noor respondeu que, de certa forma, todo mundo na Terra bebe uma água que já foi usada antes, por nuvens, rios, plantas e animais, há bilhões de anos. E depois pensou mais para trás, em de onde veio a própria água. Uma molécula de água é feita de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. O oxigênio tem a sua própria história, que vamos ouvir numa noite mais adiante. Mas o hidrogênio de cada gota de água é muito mais antigo. Ele vem dos primeiros minutos do universo.

Os menores blocos de construção

Na noite anterior, conhecemos a luz mais antiga, liberada quando o universo tinha cerca de 380.000 anos. Esta noite vamos muito mais para trás, a uma época em que o universo tinha apenas alguns minutos de idade. Para entender o que aconteceu então, precisamos saber um pouco sobre aquilo de que os átomos são feitos. As palavras podem ser novas, mas a ideia é simples, como aprender as peças de uma máquina antes de consertá-la.

Todo átomo tem um centro minúsculo chamado núcleo. Em volta do núcleo há partículas ainda menores chamadas elétrons. O próprio núcleo é feito de dois tipos de partículas. Os prótons têm carga elétrica positiva. Os nêutrons não têm carga nenhuma, e daí vem o nome deles. Prótons e nêutrons têm quase o mesmo peso, e os dois são muito mais pesados do que um elétron.

É difícil imaginar o quanto um núcleo é pequeno. Uma comparação que os professores costumam usar é esta. Se um átomo inteiro fosse do tamanho de um grande estádio esportivo, o núcleo dele seria mais ou menos do tamanho de uma ervilha pequena no meio do gramado. Os elétrons estariam em algum lugar lá longe, nas arquibancadas. Quase todo o peso do átomo está nessa ervilha minúscula no centro.

O número de prótons no núcleo decide que tipo de átomo ele é. Um átomo com um próton é hidrogênio. Um átomo com dois prótons é hélio. Um átomo com seis prótons é carbono, e um átomo com oito prótons é oxigênio. Cada um desses tipos básicos de átomo se chama elemento. Os nêutrons acrescentam peso e ajudam a manter o núcleo unido, mas não mudam o elemento.

O núcleo mais simples de todos é um único próton sozinho. Esse é o núcleo do hidrogênio comum. O núcleo do hélio é mais complicado. Ele é feito de dois prótons e dois nêutrons, bem apertados uns contra os outros. Para montar um núcleo de hélio, é preciso trazer prótons e nêutrons para muito perto uns dos outros, tão perto que uma força muito intensa dentro do núcleo consiga agarrá-los. Em condições comuns, isso quase nunca acontece, porque os prótons se repelem por causa das suas cargas elétricas. É preciso um calor e uma pressão enormes para forçá-los a se juntar.

Nos primeiros momentos do universo, ainda não havia átomos nem núcleos. Havia só uma mistura quente de prótons livres, nêutrons livres, elétrons, luz e outras partículas minúsculas, todos se movendo muito depressa. Estava quente demais para qualquer coisa grudar. Sempre que um próton e um nêutron se juntavam, o calor os separava de novo quase na mesma hora. O universo era como uma cozinha tão quente que nenhuma massa conseguiria crescer, porque tudo queimava no instante em que era misturado.

Uma janela curta para construir

À medida que o universo se expandia, ele esfriava. Depois de alguns minutos, chegou a uma temperatura em que prótons e nêutrons finalmente conseguiam ficar juntos. Essa temperatura ainda era muito mais quente do que o centro do Sol é hoje, mas já não era quente demais. Por um curto período, o universo inteiro se tornou um lugar onde núcleos leves podiam ser montados. Prótons e nêutrons se juntaram em pares, os pares se juntaram em núcleos de hélio, e uma quantidade muito pequena de um elemento um pouco mais pesado, o lítio, também foi feita.

Essa janela não ficou aberta por muito tempo. O universo continuou se expandindo e esfriando. Mais ou menos nos primeiros vinte minutos, a temperatura e a densidade tinham caído tanto que a construção parou. As partículas agora estavam espalhadas demais e lentas demais para se encontrar com força suficiente. O que tinha sido feito até ali era o material com que o universo teria de trabalhar. Durante muitos milhões de anos depois disso, até as primeiras estrelas começarem a brilhar, nenhum elemento novo foi feito.

Talvez você se pergunte como alguém pode saber a temperatura do universo quando ele tinha alguns minutos de idade. O raciocínio é mais simples do que parece. Os astrônomos sabem a que velocidade o universo está se expandindo hoje e o quanto a luz mais antiga está quente hoje. Quando o universo era menor, a mesma luz estava espremida num espaço menor e, por isso, estava mais quente, de um jeito simples e bem compreendido. Passando o filme de trás para a frente com essas regras, os físicos conseguem calcular o quanto o universo estava quente em cada momento, até os primeiros minutos.

Havia outro motivo para o tempo ser curto. Um nêutron sozinho, fora de um núcleo, não dura muito. Em cerca de um quarto de hora, em média, um nêutron livre se transforma num próton. Então os nêutrons estavam desaparecendo devagar o tempo todo. Os únicos nêutrons que conseguiam sobreviver eram os que tinham sido incorporados a núcleos de hélio. Dá para comparar isso com uma padaria em que o fermento vai perdendo a força aos poucos. O padeiro precisa usá-lo depressa, ou ele vai acabar.

Quando a construção parou, havia muito menos nêutrons do que prótons. Grosso modo, havia um nêutron para cada sete prótons. Esse número decide o resultado. Imagine dezesseis partículas: dois nêutrons e catorze prótons. Os dois nêutrons se juntam com dois dos prótons para fazer um núcleo de hélio, que tem quatro partículas no total. Os outros doze prótons ficam sozinhos, como doze núcleos de hidrogênio. Então, em peso, quatro partes em dezesseis são hélio, o que dá um quarto. Os outros três quartos são hidrogênio.

Essa é a previsão dos primeiros minutos: em massa, cerca de três quartos de hidrogênio e cerca de um quarto de hélio, com traços minúsculos de um tipo mais pesado de hidrogênio e de lítio. Centenas de milhares de anos depois, quando o universo esfriou mais e os elétrons se acomodaram em volta desses núcleos, formaram-se os primeiros átomos. Eram os átomos da névoa brilhante, a névoa que se dissipou e liberou a luz mais antiga.

Duas histórias que se encontraram

Há aqui um belo encontro de duas histórias. A primeira é a história da previsão. Em 1948, George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, que conhecemos na noite anterior, calcularam como um universo jovem, quente e denso poderia montar núcleos leves nos seus primeiros minutos. Nos anos seguintes, outros físicos aperfeiçoaram os cálculos, usando medições melhores de como prótons e nêutrons se comportam. Os detalhes desse trabalho levaram muitos anos para ficar certos, mas o resultado principal continuou o mesmo: o universo jovem deveria ter feito principalmente hidrogênio e cerca de um quarto de hélio.

A segunda história começou ainda antes, com uma jovem chamada Cecilia Payne. Nos anos 1920, ela era uma estudante que trabalhava num observatório, estudando a luz das estrelas. Na noite das galáxias que se afastam, vimos que a luz pode ser aberta num espectro, uma faixa de cores com linhas escuras. Cada elemento deixa o seu próprio padrão de linhas. Durante muito tempo, os astrônomos supuseram que, como o espectro do Sol mostrava linhas de ferro e de muitos outros elementos, o Sol devia ser feito mais ou menos das mesmas coisas que a Terra.

Payne usou ideias novas da física para entender como a temperatura de uma estrela muda o padrão das suas linhas. Quando levou isso em conta, chegou a uma conclusão surpreendente. As estrelas são feitas principalmente de hidrogênio e hélio. Os elementos mais pesados estão lá, mas só em pequenas quantidades. Ela concluiu esse trabalho em 1925. Na época, a ideia parecia tão improvável que um astrônomo veterano respeitado a convenceu a escrever que o resultado dela provavelmente não era real. Alguns anos depois, outros astrônomos, inclusive esse mesmo veterano, chegaram à mesma conclusão por outros caminhos. Payne tinha razão.

Vale a pena pensar por um momento na situação de Payne. Ela era jovem, era uma mulher numa área em que poucas mulheres tinham permissão para fazer esse tipo de trabalho, e o resultado dela ia contra aquilo em que quase todo mundo acreditava. Muitas pessoas no lugar dela teriam abandonado a ideia. Ela não abandonou o trabalho. Foi cuidadosa, publicou-o, e as evidências estavam lá para que outros as conferissem. O resultado dela é hoje um dos alicerces da astronomia.

Junte as duas histórias, e algo notável aparece. Os físicos perguntaram o que os primeiros minutos deveriam ter feito. Os astrônomos mediram do que as estrelas e as nuvens de gás são feitas de verdade. As duas respostas apontam para a mesma coisa: um universo feito principalmente de hidrogênio, com cerca de um quarto de hélio. Quando os astrônomos medem as nuvens de gás mais antigas e as estrelas mais antigas, que tiveram menos tempo para ser alteradas por estrelas posteriores, as quantidades concordam bem com a previsão.

Uma das pistas mais fortes

Na primeira noite, este livro citou três pistas principais de que o universo teve um começo quente e denso. A primeira era que as galáxias estão se afastando. A segunda era a luz mais antiga. A terceira é a história desta noite: as quantidades dos elementos mais leves. Essa terceira pista é especialmente forte porque é um teste com números. Uma teoria que diz apenas “as coisas já foram quentes um dia” poderia se encaixar em muitos resultados. Uma teoria que diz “cerca de um quarto de hélio, não metade, não um décimo” pode ser verificada, e poderia ter falhado.

Ela não falhou. O hélio está lá mais ou menos na quantidade certa, onde quer que os astrônomos olhem, em estrelas antigas e no gás entre as galáxias. Os traços de hidrogênio pesado também se encaixam na previsão. E os números que vêm desses elementos leves concordam com os números que vêm, de forma totalmente separada, dos padrões da luz mais antiga. Dois tipos muito diferentes de medição, feitos com instrumentos muito diferentes, contam a mesma história sobre o universo jovem.

Há também um teste que pode ser feito na Terra. A montagem de núcleos leves depende da facilidade com que prótons e nêutrons se juntam a uma dada temperatura. Essas taxas não são adivinhadas. São medidas em laboratórios, onde máquinas disparam prótons e outras partículas umas contra as outras e contam o que sai. Os cálculos dos primeiros minutos usam esses números medidos. Nesse sentido, um pequeno laboratório na Terra e o universo jovem inteiro seguem as mesmas regras.

Há um enigma que precisa ser mencionado com honestidade. A quantidade de lítio que os astrônomos encontram em algumas estrelas muito antigas é menor do que os cálculos dos primeiros minutos preveem. Os cientistas ainda estão estudando o porquê. Talvez alguma coisa dentro dessas estrelas antigas tenha destruído aos poucos parte do seu lítio. Talvez alguma coisa no cálculo precise ser melhorada. Esse enigma ainda não é totalmente compreendido. Mas é um enigma pequeno dentro de uma grande concordância, e não muda o quadro principal dos primeiros minutos.

Também vale saber o que os primeiros minutos não fizeram. Eles não fizeram quase nada mais pesado que o lítio. Não havia carbono, nem oxigênio, nem ferro, nem ouro. O universo que saiu dos primeiros minutos era muito simples: hidrogênio, hélio, um pouco dos seus parentes próximos e mais nada. Todos os outros elementos, inclusive o oxigênio que você está respirando e o carbono de todo ser vivo, precisaram ser feitos depois. Esse trabalho foi feito pelas estrelas, e a história delas pertence a noites futuras.

Então, quando você segura um copo de água, está segurando duas histórias muito diferentes. O oxigênio que há nele foi feito dentro de estrelas, muito depois do começo. Mas o hidrogênio, os “dois” dos dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, foi feito nos primeiros minutos, há cerca de 13,8 bilhões de anos. Esse hidrogênio já esteve em nuvens, estrelas, cometas, oceanos e chuva. Agora está no seu copo.

Antes de dormir

Antes de dormir, Noor encheu mais uma bolsa com a água limpa e a bebeu devagar perto da janela. A Terra lá embaixo estava sob a luz do dia. Ela via o azul de um oceano, salpicado de nuvens brancas, e a borda de um litoral. Toda aquela água, pensou ela, e em cada gota o mesmo hidrogênio antigo, esperando ao longo de bilhões de anos.

Ela escreveu para Sami: “A água que você descarregou esta noite é muito antiga. O hidrogênio dela foi feito nos primeiros vinte minutos do universo. Suas caixas eram mais pesadas do que você pensava.” Sami respondeu que as costas dele já tinham avisado, obrigado. Depois acrescentou que ia olhar para a próxima garrafa de um jeito um pouco diferente.

Ade, que a tinha visto escrevendo, perguntou o que ela estava contando ao irmão naquela noite. Quando ela explicou, ele ficou calado por um momento e depois disse que tinha lido cada página do manual da máquina de água e nunca, nem uma vez, tinha pensado na água como algo antigo. Tomás disse que esse era o problema dos especialistas: conhecem uma coisa tão bem que se esquecem de se surpreender com ela.

Amanhã, ou esta noite, talvez você também encha um copo de água no fim do seu dia de trabalho. Não é preciso pensar no universo toda vez. Mas uma vez, talvez, você possa segurar o copo por um momento antes de beber. Na sua mão está algo feito quase no começo do tempo, que viajou um caminho muito longo para chegar até você.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que todos os elementos foram feitos no Big Bang. Parece natural, já que o Big Bang é o começo de tudo. Mas os primeiros minutos fizeram só os elementos mais leves: hidrogênio, hélio e uma quantidade minúscula de lítio. Elementos mais pesados, como carbono, oxigênio, ferro e ouro, foram feitos muito depois, dentro das estrelas e nos eventos violentos do fim da vida de algumas estrelas. O universo começou simples e foi ficando mais rico com o tempo.

Muita gente também pensa que o hélio é um elemento raro, porque na Terra a maioria das pessoas só o conhece dos balões de festa, e às vezes ele está em falta. Na verdade, o hélio é o segundo elemento mais comum do universo, depois do hidrogênio. Ele é raro na Terra por outro motivo. O hélio é muito leve e não se combina com outros elementos, então todo hélio que há no ar escapa aos poucos para o espaço. A maior parte do hélio que as pessoas recolhem na Terra vem das profundezas do subsolo, onde é produzido lentamente pela desintegração de alguns tipos de átomos nas rochas. Lá fora, no universo, o hélio está em toda parte.

Por fim, muita gente imagina que os primeiros minutos são puro palpite, porque ninguém estava lá para vê-los. É verdade que ninguém assistiu, e é verdade que algumas perguntas sobre os primeiríssimos momentos ainda estão em aberto, como veremos na próxima noite. Mas essa parte da história é uma das mais bem testadas de todas. Ela usa a mesma física que é medida com cuidado em laboratórios na Terra, faz previsões claras com números, e essas previsões concordam com o que os astrônomos medem no céu. Na próxima noite, vamos voltar ainda mais, a uma época anterior até aos prótons e nêutrons, e ali o chão sob os nossos pés vai ficar bem menos firme.