A afinação não tão afinada do Universo

Há mais de uma maneira de construir um universo adequado à vida.

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Artigo traduzido de Nautilus. Autor: Fred Adams. Ilustrador: Jackie Ferrentino.

Antes que haja vida, deve haver estrutura. Nosso universo sintetizou núcleos atômicos no início de sua história. Esses núcleos enlaçaram elétrons para formar átomos. Esses átomos se aglomeraram em galáxias, estrelas e planetas. Por fim, os seres vivos tiveram um lugar para chamar de lar. Damos por certo que as leis da física permitem a formação de tais estruturas, mas esse não deve ter sido o caso.

Nas últimas décadas, muitos cientistas argumentaram que, se as leis da física fossem ligeiramente diferentes, o cosmo teria sido desprovido de estruturas complexas. Paralelamente, os cosmólogos têm percebido que nosso universo pode ser apenas um componente do multiverso, uma vasta coleção de universos que compõe uma região muito maior do espaço-tempo. A existência de outros universos fornece uma explicação atraente para o aparente aperfeiçoamento das leis da física. Essas leis variam de universo para universo e vivemos em um universo que permite observadores que não poderiam viver em nenhum outro lugar.

Os astrofísicos discutiram tanto essa afinação que muitas pessoas tomam como um dado que nosso universo é inexplicavelmente apto para estruturas complexas. Mesmo os céticos do multiverso aceitam essa afinação; Eles simplesmente pensam que deve ter alguma outra explicação. Mas, na verdade, a afinação nunca foi rigorosamente demonstrada. Não sabemos realmente quais leis da física são necessárias para o desenvolvimento de estruturas astrofísicas, que são, por sua vez, necessárias para o desenvolvimento da vida. Trabalhos recentes sobre a evolução estelar, astrofísica nuclear e a formação de estruturas sugerem que o argumento para a afinação é menos convincente do que se pensava anteriormente. Uma grande variedade de universos possíveis poderia apoiar a vida. Nosso universo não é tão especial quanto poderia parecer.

O primeiro tipo de afinamento envolve os pontos fortes das forças fundamentais da natureza em estrelas ativas. Se a força eletromagnética fosse muito forte, a repulsão elétrica dos prótons não permitiria a fusão nuclear em núcleos estelares, e as estrelas não brilhariam. Se o eletromagnetismo fosse muito fraco, as reações nucleares ficariam fora de controle, e as estrelas explodiriam em explosões espetaculares. Se a gravidade fosse muito forte, as estrelas colapsariam em buracos negros ou nunca se inflamariam.

Definindo os Parâmetros: O universo teria sido habitável mesmo se as forças do eletromagnetismo e da gravidade tivessem sido mais fortes ou mais fracas. A área cruzada mostra a gama de valores consistentes com a vida. O asterisco mostra os valores reais em nosso universo; Os eixos são dimensionados para esses valores. As restrições são que as estrelas devem ser capazes de sofrer fusão nuclear (abaixo da curva preta), viver o tempo suficiente para que a vida complexa evolua (abaixo da curva vermelha), ser suficientemente quente para suportar biosferas (à esquerda da curva azul) e não crescer mais que sua galáxia hospedeira (à direita da curva azul). Fred C. Adams

Por outro lado, as estrelas são notavelmente robustas. O poder da força elétrica poderia variar por um fator de quase 100 em qualquer direção antes que as operações estelares fossem comprometidas. A gravidade teria que ser 100.000 vezes mais forte. Indo na outra direção, a gravidade poderia ser um bilhão de vezes mais fraca e ainda permitir que as estrelas ficassem ativas. Os valores para as forças gravitacionais e eletromagnéticas dependem da taxa de reação nuclear, que por sua vez depende das forças nucleares. Se a taxa de reação fosse mais rápida, as estrelas poderiam funcionar em uma gama ainda maior de forças para gravidade e eletromagnetismo. Reações nucleares mais lentas restringiriam o alcance.

Além dessas exigências operacionais mínimas, as estrelas devem atender a uma série de restrições que restringem ainda mais o poder permitido para as forças. Elas devem ser quentes. A temperatura superficial de uma estrela deve ser alta o suficiente para conduzir as reações químicas necessárias para a vida. Em nosso universo, existem amplas regiões em torno da maioria das estrelas onde os planetas são quentes o suficiente, com cerca de 300 Kelvin (aproximadamente 27°C), para apoiar a biologia. Nos universos onde a força eletromagnética é mais forte, as estrelas são mais frias, tornando-as menos hospitaleiras.

Estrelas também devem ter uma longa vida. A evolução de formas de vida complexas ocorre ao longo de enormes períodos de tempo. Uma vez que a vida é conduzida por um conjunto complexo de reações químicas, o relógio básico para a evolução biológica é definido pela escala de tempo dos átomos. Em outros universos, esses relógios atômicos irão tiquetaquear a taxas diferentes, dependendo da força do eletromagnetismo, e essa variação deve ser levada em conta. Quando a força é mais fraca, as estrelas queimam seu combustível nuclear mais rapidamente, e suas vidas diminuem.

Finalmente, as estrelas devem ser capazes de se formar. Para que as galáxias e, mais tarde, as estrelas se condensem fora do gás primordial, o gás deve ser capaz de perder energia e esfriar. A taxa de resfriamento depende (ainda) da força do eletromagnetismo. Se esta força for muito fraca, o gás pode não arrefecer suficientemente rápido e permaneceria difuso em vez de se condensar em galáxias. As estrelas também devem ser menores do que as galáxias hospedeiras, caso contrário a formação de estrelas seria problemática. Estes efeitos põem outro limite mais baixo na força do eletromagnetismo.

Juntando tudo, as forças fundamentais podem variar em várias ordens de grandeza e ainda assim permitir que os planetas e as estrelas satisfaçam todas as restrições. As forças não são tão finamente afinadas quanto muitos cientistas pensam.

Um segundo exemplo de possível afinação surge no contexto da produção de carbono. Depois de estrelas moderadamente grandes terem fundido o hidrogênio em hélio em seus núcleos centrais, o próprio hélio torna-se o combustível. Através de um complicado conjunto de reações, o hélio é queimado em carbono e oxigênio. Devido ao seu papel importante na física nuclear, os núcleos de hélio recebem um nome especial: partículas alfa. Os núcleos mais comuns são compostos de uma, três, quatro e cinco partículas alfa. O núcleo com duas partículas alfa, o berílio-8, está ausente, e por uma boa razão: é instável em nosso universo.

A instabilidade do berílio cria um grave gargalo para a criação de carbono. À medida que as estrelas fundem núcleos de hélio para se tornarem berílio, os núcleos de berílio quase imediatamente se deterioram em suas partes constituintes. Em algum momento, o núcleo estelar mantém uma pequena mas transitória população de berílio. Estes raros núcleos de berílio podem interagir com o hélio para produzir carbono. Como o processo envolve em última instância três núcleos de hélio, ele é chamado de reação triplo-alfa. Mas a reação é muito lenta para produzir a quantidade de carbono observada em nosso universo.

Para resolver essa discrepância, o físico Fred Hoyle previu em 1953 que o núcleo de carbono tem que ter um estado ressonante em uma energia específica, como se fosse um pequeno sino que toca em um certo tom. Devido a esta ressonância, as taxas de reação para a produção de carbono são muito maiores do que seriam de outra forma – grande o suficiente para explicar a abundância de carbono encontrada em nosso universo. A ressonância foi posteriormente medida no laboratório no nível de energia previsto.

A preocupação é que, em outros universos, com níveis alternativos das forças, a energia desta ressonância poderia ser diferente, e as estrelas não produziriam bastante carbono. A produção de carbono fica comprometida se o nível de energia for alterado em mais de 4%. Esse problema é chamado às vezes de problema da afinação triplo-alfa.

Felizmente, este problema tem uma solução simples. O que a física nuclear tira, também dá. Suponhamos que a física nuclear mudasse o suficiente para neutralizar a ressonância do carbono. Entre as possíveis mudanças desta magnitude, cerca de metade teria o efeito colateral de tornar o berílio estável, de modo que a perda da ressonância se tornaria irrelevante. Em tais universos alternativos, o carbono seria produzido da maneira mais lógica, juntando as partículas alfa uma de cada vez. O hélio poderia fundir-se em berílio, que poderia então reagir com partículas alfa adicionais para produzir carbono. Afinal, aqui não há nenhum problema de afinação.

Um terceiro exemplo de um potencial afinamento diz respeito aos núcleos mais simples compostos de duas partículas: núcleos de deutério, que contêm um próton e um nêutron; diprótons, constituídos por dois prótons; e dinêutrons, consistindo em dois nêutrons. Em nosso universo, apenas o deutério é estável. A produção de hélio ocorre primeiramente pela combinação de dois prótons em deutério.

Se a força nuclear forte fosse ainda mais forte, diprótons poderiam ter sido estáveis. Neste caso, as estrelas poderiam ter gerado energia através da mais simples e mais rápida das reações nucleares, onde os prótons se combinam para se transformar em diprótons e eventualmente outros isótopos de hélio. Dizem que as estrelas queimariam seu combustível nuclear a taxas catastróficas, resultando em vidas muito curtas para suportar biosferas. Por outro lado, se a força forte fosse mais fraca, então o deutério seria instável e o caminho para elementos pesados ​​não estaria disponível. Muitos cientistas especularam que a ausência de deutério estável levaria a um universo sem elementos pesados ​​e que tal universo estaria desprovido de complexidade e vida.

Como se vê, as estrelas são entidades notavelmente estáveis. Sua estrutura se ajusta automaticamente para queimar combustível nuclear exatamente à taxa necessária para se sustentar contra o esmagamento de sua própria gravidade. Se as taxas de reação nuclear forem mais altas, as estrelas queimarão seu combustível nuclear a uma temperatura central mais baixa, mas não seriam tão diferentes. Na verdade, nosso universo tem um exemplo desse tipo de comportamento. Os núcleos de deutério podem combinar com prótons para formar núcleos de hélio através da ação da força forte. A seção transversal para esta reação, que quantifica a probabilidade de sua ocorrência, é quatrilhões de vezes maior do que para a fusão ordinária de hidrogênio. No entanto, estrelas em nosso universo queimam seu deutério em uma maneira relativamente sem intercorrências. O núcleo estelar tem uma temperatura operacional de 1 milhão de Kelvin, em comparação com os 15 milhões de Kelvin necessários para queimar o hidrogênio em condições normais. Essas estrelas que queimam o deutério têm centros mais frios e são um pouco maiores do que o Sol, mas de outra forma normais.

Da mesma forma, se a força nuclear forte fosse menor, as estrelas poderiam continuar a operar na ausência de deutério estável. Uma série de processos diferentes fornecem caminhos pelos quais as estrelas podem gerar energia e sintetizar elementos pesados. Durante a primeira parte de suas vidas, as estrelas se contraem lentamente, seus núcleos centrais crescem mais quentes e densos, e elas brilham com a saída de energia. As estrelas em nosso universo tornam-se eventualmente quentes e densas o bastante para inflamar a fusão nuclear, mas em universos alternativos poderiam continuar esta fase da contração e gerar o poder perdendo a energia potencial gravitacional. As estrelas de vida mais longa poderiam brilhar com uma potência de saída comparável ao Sol por até 1 bilhão de anos, talvez o tempo suficiente para a evolução biológica acontecer.

Para estrelas suficientemente massivas, a contração se aceleraria e se tornaria um colapso catastrófico. Esses corpos estelares basicamente virariam supernovas. Suas temperaturas e densidades centrais aumentariam para valores tão grandes que as reações nucleares se inflamariam. Muitos tipos de reações nucleares ocorreriam na agonia da morte dessas estrelas. Esse processo de nucleossíntese explosiva poderia fornecer ao universo núcleos pesados, apesar da falta de deutério.

Uma vez que tal universo produza traços de elementos pesados, gerações posteriores de estrelas têm ainda outra opção para a queima nuclear. Esse processo, chamado de ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio, não requer o deutério como um estado intermediário. Em vez disso, o carbono atua como um catalisador para instigar a produção de hélio. Este ciclo opera no interior do Sol e fornece uma pequena fração de sua potência total. Na ausência de deutério estável, o ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio dominaria a geração de energia. E isso não esgota as opções para geração de energia nuclear. As estrelas também poderiam produzir hélio através do processo triplo-nucleon que é aproximadamente análogo ao processo triplo-alfa para a produção de carbono. Assim, as estrelas têm muitos canais para fornecer energia e núcleos complexos em universos alternativos.

Um quarto exemplo de afinação diz respeito à formação de galáxias e outras estruturas de grande escala. Foram semeadas por pequenas flutuações de densidade produzidas nos primeiros momentos do tempo cósmico. Depois que o universo se esfriou o suficiente, essas flutuações começaram a crescer mais forte sob a força da gravidade, e regiões mais densas eventualmente se tornaram galáxias e aglomerados. As flutuações começaram com uma pequena amplitude, denotada por Q, igual a 0,00001. O universo primitivo era incrivelmente suave: a densidade, temperatura e pressão das regiões mais densas e das regiões mais rarefeitas eram as mesmas poucas partes por 100.000. O valor de Q representa outro possível exemplo de afinação no universo.

Se Q tivesse sido menor, teria levado mais tempo para as flutuações crescerem fortes o suficiente para se tornarem estruturas cósmicas, e as galáxias teriam menor densidade. Se a densidade de uma galáxia é muito baixa, o gás na galáxia é incapaz de arrefecer. Pode nunca se condensar em discos galáticos ou coalescer em estrelas. Galáxias de baixa densidade não são habitats viáveis ​​para a vida. Pior, um atraso suficientemente longo poderia ter impedido que as galáxias se formassem. Começando há cerca de 4 bilhões de anos, a expansão do universo começou a acelerar e puxar a matéria mais rapidamente do que poderia aglomerar – uma mudança de ritmo que normalmente é atribuída à misteriosa energia escura. Se Q fosse muito pequeno, poderia ter levado tanto tempo para as galáxias entrarem em colapso que a aceleração teria começado antes que a formação da estrutura estivesse completa e um crescimento adicional teria sido suprimido. O universo poderia ter acabado desprovido de complexidade, e sem vida. Para evitar esse destino, o valor de Q não pode ser menor em mais de um fator de 10.

E se Q tivesse sido maior? As galáxias teriam se formado mais cedo e acabado mais densas. Isso também representaria um perigo para as perspectivas de habitabilidade. As estrelas ficariam muito mais próximas umas das outras e interagido mais frequentemente. Ao fazê-lo, poderiam ter tirado os planetas de suas órbitas, lançando-os no espaço profundo. Além disso, se as estrelas estivessem mais próximas, o céu noturno ficaria mais brilhante – talvez tão brilhante quanto o dia. Se o fundo estelar fosse muito denso, a luz das estrelas combinadas poderia ferver os oceanos de qualquer planeta receptivo.

Uma galáxia que se formou em um universo hipotético com grandes flutuações de densidade inicial pode ser ainda mais hospitaleira do que a nossa Via Láctea. A região central é muito brilhante e quente para a vida, e as órbitas planetárias são instáveis. Mas a região exterior é semelhante à vizinhança solar. No meio, a luz das estrelas de fundo da galáxia é comparável em brilho à luz solar recebida pela Terra, então todos os planetas, não importa suas órbitas, são potencialmente habitáveis. Fred C. Adams

Neste caso, o argumento da afinação não é muito restritivo. As regiões centrais das galáxias poderiam de fato produzir uma radiação de fundo tão intensa que todos os planetas seriam inabitáveis. Mas os subúrbios das galáxias teriam sempre uma densidade suficientemente baixa para que os planetas habitáveis ​​sobrevivessem. Uma fração apreciável de imóveis galáticos permaneceria viável mesmo se Q fosse milhares de vezes maior do que em nosso universo. Em alguns casos, uma galáxia pode ser ainda mais hospitaleira. Em grande parte da galáxia, o céu noturno poderia ter o mesmo brilho que o Sol que vemos durante o dia na Terra. Os planetas receberiam sua energia de todo o conjunto de estrelas de fundo em vez de apenas de seu próprio sol. Eles poderiam residir em quase qualquer órbita. Em um universo alternativo com flutuações de densidade maiores do que o nosso, até Plutão teria tanta luz quanto o dia de Miami. Como resultado, uma galáxia moderadamente densa poderia ter planetas mais habitáveis ​​do que a Via Láctea.

Em suma, os parâmetros do nosso universo poderia ter variado por grandes fatores e ainda permitido estrelas ativas e planetas potencialmente habitáveis. A força da gravidade poderia ter sido 1.000 vezes mais forte ou 1 bilhão de vezes mais fraca, e as estrelas ainda funcionariam como motores de combustão nuclear de longa duração. A força eletromagnética poderia ter sido mais forte ou mais fraca por fatores de 100. As taxas de reação nuclear poderiam ter variado em muitas ordens de magnitude. A física estelar alternativa poderia ter produzido os elementos pesados ​​que compõem a matéria-prima básica para planetas e pessoas. Claramente, os parâmetros que determinam a estrutura estelar e evolução não são excessivamente afinados.

Dado que nosso universo não parece estar particularmente bem afinado, ainda podemos dizer que nosso universo é o melhor para a vida desenvolver? Nosso entendimento atual sugere que a resposta é não. Pode-se facilmente imaginar um universo que seja mais amigável com a vida e talvez mais lógico. Um universo com fortes flutuações de densidade inicial faria galáxias mais densas, que poderiam suportar planetas mais habitáveis ​​do que os nossos. Um universo com berílio estável teria canais diretos disponíveis para a produção de carbono e não precisaria da complicação do processo triplo-alfa. Embora essas questões ainda estejam sendo exploradas, já podemos dizer que os universos têm muitos caminhos para o desenvolvimento da complexidade e da biologia, e alguns poderiam ser ainda mais favoráveis ​​à vida do que os nossos. À luz dessas generalizações, os astrofísicos precisam reexaminar as possíveis implicações do multiverso, incluindo o grau de afinação em nosso universo.

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2 Comentários em "A afinação não tão afinada do Universo"

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Felipe Fernandes
Visitante

Excelente! Agora a ciência ajuda a explicar a falácia do idealismo e de toda ideia que nele se fundamenta!

Caio Luna
Visitante

Acho que também devemos considerar que se, nesse outro universo, houvesse mais elementos químicos capazes de formar moléculas complexas do que no nosso universo (que é só um, o carbono), então a vida poderia surgir em menos tempo, não precisando que as estrelas tenham tanto tempo de vida.

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