Era da recombinação ou desacoplamento

Conforme a teoria do Big Bang, a nucleosíntese primordial teve início quando o Universo tinha aproximadamente 3 minutos. Já a formação dos átomos neutros, com a captura dos elétrons pelos núcleos leves, ocorreu a aproximadamente 300.000 anos, quando se formaram o hidrogênio, hélio entre outros átomos mais leves da tabela periódica. 

Com a formação desses objetos neutros, o Universo começou a ficar transparente, de forma que a radiação poderia se propagar livremente pelo espaço. Essa radiação é a radiação cósmica de fundo, que ainda hoje permeia todo o nosso Universo. 

Por conta desses dois fenômenos, esse período é conhecido como era da recombinação ou do desacoplamento.

Figura 1 – Esquema da era do desacoplamento.

Crédito da figura: disponível em http://cftc.cii.fc.ul.pt/PRISMA/capitulos/capitulo1/modulo4/topico4.php

Os elementos neutros mais leves foram os responsáveis pela formação das estruturas de grande escala, como as galáxias, que só foram surgir 10⁹ anos após o Big Bang.

Como a matéria era neutra e a forças fraca e forte só atuam na escala atômica, pois são de curto alcança, a única força responsável pela formação dessas estruturas foi a força gravitacional. Sendo assim, além da matéria bariônica, a matéria escura, se existisse no Universo primordial deveria ter tido participação nesse processo.

Instabilidade gravitacional

A partir do início do século XX, quando se estabeleceu o consenso de que as galáxias e aglomerado de galáxias eram os blocos fundamentais do universo, os cosmólogos ocuparam-se em refinar e evoluir os modelos cosmológicos que buscam uma explicação para a formação das estruturas em larga escala do universo.

A teoria mais aceita pelos cosmólogos sobre a formação das estruturas em larga escala do universo tem como base a instabilidade gravitacional. Acredita-se que esse fenômeno, que ocorreu em pequenas regiões com densidade acima da média, poderia originar de concentrações localizadas de matéria.

O físico britânico James Jeans propôs que uma nuvem de gás existente no Universo primordial apresentaria pequenas flutuações em sua densidade (veja figura 2). Desse modo, as regiões de maior densidade iriam atrair gravitacionalmente a matéria mais próxima e assim aumentar sua massa. Eventualmente, com o passar do tempo, essas flutuações cresceriam, aumentando sua massa até que o colapso gravitacional acontecesse formando um objeto autogravitante, que pode ser chamado de estrela. A massa necessária para que o colapso gravitacional aconteça é conhecida como “massa de Jeans”. 

Figura 2 - Observamos pequenas flutuações na densidade (figura A). A atração gravitacional se intensifica, aumentando a densidade das flutuações (figura B). O aumento relativo das flutuações intensifica a atração de novas partículas (figura C), até o momento em que a estrutura eventualmente atinge a “massa de Jeans”, proporcionando o colapso gravitacional (figura D) produzindo um objeto autogravitante.

Figura adaptada de: Observatório do CDCC USP - São Carlos

A maioria dos cosmólogos acredita que as flutuações na densidade da “sopa primordial” deram origem às estruturas em larga escala do Universo. Dessa maneira, os modelos cosmológicos indicam que essas flutuações estão associadas aos primeiros instantes após o Big Bang.

Através desses modelos, é possível calcular com muita precisão o tamanho que essas flutuações deveriam ter no momento em que a matéria se desacoplou da radiação para formarem as galáxias ou aglomerados de galáxias. Estes mesmos modelos indicam que estas flutuações primordiais podem ser identificadas com a temperatura da radiação cósmica de fundo, que hoje podemos observar com incrível precisão.

Ao considerarmos os modelos cosmológicos que procuram explicar a formação da estrutura em larga escala do universo, percebemos que a quantidade de matéria bariônica, disponível na nucleossíntese primordial, não é suficiente para explicar a rapidez do crescimento das estruturas de galáxias e dos aglomerados de galáxias existentes. O mecanismo da instabilidade gravitacional funciona apenas se alguma outra componente, que não seja a matéria bariônica, estimule o colapso gravitacional produzindo as flutuações de densidades necessárias (figura 3) para explicar o Universo que observamos.

Figura 3 - O diagrama abaixo representa as flutuações de densidade, que podem ter estado presentes antes da era do desacoplamento, como manchas em azul (sobre um fundo verde). A área verde do diagrama é o estado de plasma que existe antes do desacoplamento. A área amarela do diagrama é a fase atômica eletricamente neutra do universo, principalmente composta de hidrogênio. Toda a região do contorno verde-amarelo liberou fótons no tempo do desacoplamento. Estes fótons serão libertados em massa em regiões onde as manchas azuis existem. Nós, além disso, deveríamos ver concentrações mais altas de radiação em algumas direções do céu do que em outras quando nós observamos a Radiação de Fundo Cósmica.

Disponível em: http://www.bertolo.pro.br/fisica_cosmologia/Cosmologia/Cosmology/decoupling.htm

Alguns cosmólogos e físicos de partículas, como Alexander Belikov, Dan Hooper, George Blumenthal, Joel Primack, Martin Rees, Sandra Faber, Simon White entre outros, acreditam que esta “alguma coisa” sejam as partículas de matéria escura que causaram a instabilidade gravitacional. Essas instabilidades formaram halos de matéria escura com distribuições esféricas e densidade máxima em seu centro, que autogravitam.

Como as partículas de matéria escura interagem apenas gravitacionalmente e não interage com os fótons, a probabilidade de colisões destas partículas é pequena permitindo que a atração gravitacional aconteça antes da era do desacoplamento. Desse modo, as partículas de matéria bariônica foram atraídas gravitacionalmente para as regiões onde já existiam aglomerados de matéria escura. O acréscimo de matéria bariônica nas regiões dos halos de matéria escura proporcionou o colapso gravitacional formando as primeiras estruturas do Universo.