O tamanho do Universo: uma pergunta difícil
Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan Siegel em “Starts with a Bang” vai aí abaixo.
The Size of the Universe: A Hard Question
Category: Astronomy • Galaxies • Physics • Q & A • big bang • relativity
Posted on: July 31, 2009 3:19 PM, by Ethan Siegel
Me fazem uma mesma pergunta frequentemente e ela é uma das perguntas mais difíceis para qualquer cosmologista responder. Hoje, vou tentar encará-la. Ela é mais ou menos assim:
Se o Universo tem 13,7 bilhões de anos de idade e nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz, como é que podemos ver coisas que estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância?
Em primeiro lugar – e eu quero deixar isto bem claro – tudo nesta pergunta é uma dúvida legítima.
1.) O Universo tem mesmo 13,7 bilhões de anos de idade. Existe um pequeno erro de aproximação aqui – ninguém ficaria surpreso de ele tivesse 13,5 ou 14,0 bilhões de anos – mas certamente não são 12 bilhões ou menos de anos, nem 16 ou mais bilhões de anos.
2.) Nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Se você tiver massa, seja você uma galáxia, uma nave espacial, uma bala ou um neutrino, você terá que ir mais lentamente do que a velocidade da luz. E, se você não tiver massa, vai ter que andar exatamente na velocidade da luz. Sem exceções.
3.) As coisas mais distantes no Universo – coisas que emitiram suas luzes a 13,7 bilhões de anos atrás – estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância de nós agora.
Então, como foi que isso aconteceu? De duas maneiras, uma simples e outra nem tanto. A parte simples é que o Universo vem se expandindo todo esse tempo. Imagine que você tem uma formiga sobre um balão murcho e essa formiga se move a 1 cm/seg. Quando o balão está totalmente murcho, a formiga está a apenas 2 cm do topo do balão, seu destino. Porém, na medida em que ela caminha em direção ao topo, ela percebe que o balão em volta dela está se expandindo.
Como é que acontece essa expansão? Bem, essa é parte não tão simples assim… Expansão não é uma velocidade. É uma velocidade por unidade de distância. Digamos que ela seja de 0,4 cm/seg por centímetro. Isto significa que, se a formiga estiver a 1 cm de alguma coisa, essa coisa se expande para longe dela a 0,4 cm/seg. O topo do balão, que estava inicialmente a 2 cm de distância, se expande para longe a 0,8 cm/seg. E qualquer coisa que estiver a 15 cm de distância, estaria se expandindo para longe a 6 cm/seg.
Então, se eu fizer os cálculos dessa formiga caminhando a 1 cm/seg para um ponto a 2 cm de distância neste balão em expansão, não leva 2 segundos para ela chegar lá. Na verdade – fazendo corretamente os cálculos – leva um pouquinho de nada mais do que 3 segundos para a formiga alcançar seu destino. Além disso, o balão continuou a se expandir, de forma que, quando ela olha de volta para o ponto de partida, você sabe a que distância ele está?… A mais de 6 centímetros! Quando ela olha de volta para o ponto de partida, não só ele está três vezes mais distante do que quando ela começou a viagem, como todo o balão está maior do que era antes.
E é isso que o Universo está fazendo: se expandindo enquanto a luz está viajando em nossa direção, vinda de fontes distantes. Existe, é claro, mais um “busilis” em nosso Universo. A taxa de expansão é abestalhantemente lenta: 72 km por segundo por Megaparsec. Nos termos da formiga, isso é 2,3 x 10-18 cm / segundo / cm. Acontece apenas que nosso Universo é tão grande que, se você se afastar bastante – pouco menos do que 13 bilhões de anos-luz – a taxa de expansão eventualmente fica maior do que a velocidade da luz.
Mas está tudo bem. É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há matéria alguma se movendo. Portanto, em princípio, o espaço pode se expandir tão rapidamente quanto quiser, até mais rápido do que a velocidade da luz, porque não há coisa alguma se movendo. E é por isso que, muito embora o
Universo tenha apenas 13,7 bilhões de anos, nós podemos ver coisas a 46,5 bilhões de anos-luz de distância.
Alguma pergunta?
Discussão - 23 comentários
(outra pergunta complicada…) Senão, vejamos… Para efeitos de cosmologia, a contagem do tempo começa exatamente no Big Bang. Então, não há um “antes”. Na verdade, não existe uma resposta exata para o que aconteceu nos primeiros instantes da “existência”: todas as leis conhecidas da física deixam de ser válidas e não há como, com o atual conhecimento, sequer fazer uma especulação razoável (eu costumo dizer que “fiat lux!” é uma hipótese tão boa quanto qualquer outra…)
O grande problema é que usamos o termo “expansão” para algo que – por definição – não pode ficar “maior”. Isso quer dizer, na verdade, que os aglomerados de galáxias estão se afastando entre si, como se o universo estivesse se expandindo.
Outro grande problema é que se considera que todo o universo esteve “concentrado” em um único “ponto” (e se “expandiu” subitamente, no que é chamado de “Big Bang”)… só que esse “ponto” original tinha o “tamanho” de todo o Universo.
Dá mesmo um nó na cabeça…
Sendo assim João Carlos e para que eu possa compreender melhor esta questão de espaço e tempo, o que havia antes do Big-Bang ?
@ Carlos Eduardo: Pela própria definição, o Universo contem tudo o que existe. Então, não existe um “depois”, nem uma “borda”. Em qualquer lugar do Universo onde você se encontrar, ele vai parecer “infinito” em todas as direções.
Gostaria de saber o que há depois da borda do universo, existe alguma coisa, ou é o nada absoluto ?
Em princípio, sim, mas a luz delas ainda será visível por muito tempo. Não esqueça que estamos vendo elas como eram a 13,7 bilhões de anos atrás e que quem se expande é o universo, portanto a luz já emitida chega aqui… em frequências cada vez mais baixas, é claro.
As galáxias que estão na borda observável em relação à nós (13,7 bilhões de anos) tendem a entrar numa área de expansão mais rápida que a velocidade da luz? Se isso acontecer ela vão “sumir”?
João Carlos, sobre a questão do “centro do universo”.
Pelo que eu sei, ele não tem centro porque o espaço é fechado em si mesmo.
Ou seja, se você pegasse uma nave espacial que fosse capaz de viajar mais rápido que a luz (dobra espacial, ou qualquer coisa do gênero, não vamos discutir se algo assim é possível, porque não importa para o argumento); e se a nave partisse em uma direção, ele acabaria retornando ao ponto de onde partiu, assim como uma avião que viaja para o oeste continuamente em linha reta, chegará ao ponto de partida.
A analogia do balão é boa para entender melhor isso. Mas é preciso alguma abstração. Imagine o universo como sendo o balão. O espaço, as três dimensões deles, seria como a superfície desse balão, toda a matéria está espalhada nele. Claro, a superfície do balão possui duas dimensões, não três, mas é por isso que disse que é preciso abstrair um pouco para entender isso. Apenas considere que a superfície do balão seja todo o espaço que há no universo. Se a nossa hipotética nave espacial de dobra viaja pela superfície do balão, ele eventualmente retorna para o ponto de partida.
Mas nesse analogia, o que há “dentro” do balão? E o centro do balão? As coisas ficam mais interessantes… o que está dentro do balão é literalmente o passado. Aquilo que o universo era em tempos anteriores. E o que está acima do balão é o futuro. O “centro” do balão é o próprio big-bang.
Ou seja, o centro do universo é o big-bang. Se você ver o universo apenas como espaço e matéria, ele não tem um centro “hoje”, assim como a superfície do planeta não tem um centro (o planeta como um todo é que tem um centro); mas se você ver o universo como sendo espaço-tempo e matéria, aí sim ele tem um centro; mas este existe apenas no passado mais distante.
Realmente, a parte mais difícil de aceitar intuitivamente é essa de que o Universo não tem um centro. “Infinitos” não são visualizáveis.
Mas eu vou dar mais um dado para confundir: apesar de toda essa expansão, o Universo – para todos os efeitos – tem o mesmo tamanho que sempre teve… Como assim?… Ora, se o Universo, por definição, contém tudo que existe, não há coisa alguma com a qual se comparar o tamanho dele. Então, ele tem “um universo” de tamanho, igualzinho ao que tinha no Big Bang…
Embora seja a explicação mais razoável, convincente e disseminada pelos teóricos, vislumbro um paradoxo intrigante na teoria do Big Bang: se o universo está se expandindo, a uma determinada taxa, assim como um balão se expande ao ser preenchido por um gás, isso significa, para mim, que o universo tem um contorno que está em permanente expansão. Em tendo um contorno, seja qual for, geometricamente e necessariamente terá um centro em qualquer corte que fizermos no espaço-tempo, hipótese não aceita no meio acadêmico, considerando a unidade tridimensional do “espaço” (não me atrevo a “viajar” em quatro ou mais dimensões “espaciais” como Hawkins).
Intrigado com essa questão, tento formular uma tese que consiga compatibilizar a ausência de um centro do universo coexistindo com o Big Bang. Para tal, tenho que eliminar o contorno do universo, que, a priori, essa eliminação seria incompatível com a teoria do Big Bang.
Apelei, então, para a relatividade de Einstein que preceitua a velocidade da luz como uma constante de valor insuperável. Ocorre que a luz é composta por ondas eletromagnéticas de diversos espectros. Se a velocidade dessas ondas que compõem o espectro da luz divergirem em apenas alguns angstrons/seg entre elas, ao longo de 13 bilhões de anos-luz (idade estimada do universo), acrescido da taxa de expansão do universo, talvez pudesse indicar que o universo não tem um contorno (é realmente infinito) e assim ele também não teria um centro.
Essa tese esbarra em algumas questões para eu continuar aprofundando no tema: a) não temos provas que a velocidade das ondas eletromagnéticas varia de acordo com o seu comprimento da onda nem meios de medir variações tão pequenas (refiro-me a variações de velocidade da ordem de [(1x10) elevado a -18]%); b) mesmo que consigamos precisar diferenças dessa ordem de grandeza na velocidade das ondas eletromagnéticas, não tenho suficiente bagagem matemática para demonstrar aquilo que simplesmente imagino.
Comentários sobre essa bobagem [que o universo é infinito e a velocidade da luz não é mais uma uma constante, variando em função do comprimento da onda eletromagnética] são bem vindos, inclusive para eu me conscientixar sobre o tamanho da bobagem.
Zé Carlos em 22/08/2009
Em linhas gerais, sim. O problema é compreender que o Universo se expande, mas a matéria dentro dele, não. A colocação “a matéria não se desloca” dá uma idéia errada da coisa. Na verdade, a matéria se desloca o tempo todo — nem os continentes da Terra estão realmente “parados”. Mas, tomando a distância entre a Terra e o Sol como exemplo, essa distância varia dentro de um intervalo razoavelmente constante, mesmo em escala astronômica; não se deve esperar que a Terra se afaste ou se aproxime do Sol nos próximos um ou dois bilhões de anos.
Existem galáxias, grupos de galáxias, aglomerados de galáxias e super-aglomerados de galáxias, onde a gravidade vence a expansão do universo – mas essa “vitória” é local.
Por falar nisso, a gravidade parece ser um efeito de deformação do espaço-tempo em função da presença de matéria/energia. Mas os efeitos da gravidade são claramente visíveis, ao contrário dos efeitos da expansão do universo.
A terra gira em torno do sol a 108.000 km/h. O sistema solar gira em torno do centro da Via Láctea a 830.000 km/h. A Via Láctea gira em torno do centro do Grupo Local – Galáxias Vizinhas – a 144.000 km/h. O grupo local desloca-se em direção ao aglomerado de Virgem a 900.000 km/h. E tudo isso caminha para o Grande Atrator – imensa concentração de galáxias na direção do aglomerado de Centauro, a 137 milhões de anos-luz de distância – a uma velocidade de 2,2 milhões de Km/h, que é a maior velocidade de deslocamento de matéria conhecida no universo…
Segundo o texto, a matéria não se desloca e o universo se expande a 72 km/s – 259.200 km/h. Isso está correto?
O Universo está se expandindo aqui mesmo!… A taxa de expansão é que é tão pequena que não dá para notar… nem com algo do tamanho da Via Láctea!
O próximo post da série vai lidar exatamente com essa questão.
Se viajarmos muito a frente coisa em torno de 200 bilhoes de anos luz, chegariamos a algum lugar, ou encontrariamos o ponto de onde o universo está expandindo?
Não é isso, não… O universo todo está em expansão (inclusive a formiguinha em cima do balão…) Só que essa expansão é tão pequena para coisas pequenas como um simples sistema solar como o nosso (mais ainda para uma formiguinha) que não dá nem para medir em coisas de nosso dia-a-dia.
Uma analogia fácil de lembrar é aquela dos grãos de trigo nas casas do tabuleiro de xadrez: a casa seguinte leva o dobro de grãos da casa anterior. Isso causa um crescimento exponencial.
Não entendi o lance da matéria não estar se movimentando, o que está em expansão são só as bordas do universo, é isso?
não faz sentido.
Obrigado… Recebo os cumprimentos em nome do verdadeiro autor: o PhD em cosmologia Ethan Siegel. Eu sou apenas um mero tradutor.
Obrigado e parabéns pelos post! (e pelo blog!)
Sim, desde que você encontre uma formiga que viva um pouco mais do que 100 bilhões de anos e viaje a uma velocidade bem próxima da luz. E realmente essa formiga “Lazarus Long” nunca poderia voltar ao ponto de partida.
A gente só consegue ver coisas tão distantes porque elas não estavam tão distantes assim quando emitiram a “luz” que vemos.
Eu tenho uma pergunta.
Se a formiga dexar sua amiga aqui na Terra e viajar 100 bilhões de anos-luz, então ela se afastará da amiga a uma velocidade maior que a da luz? Pelo que eu entendi o espaço aumenta, mas as coisas deveriam se afastar uma das outras, ao contrário do que diz o último parágrafo :”Mas está tudo bem. É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há matéria alguma se movendo.”. Haveria movimento relativo entre as formigas, não?
E outra coisa: a formiga viajante jamais poderia voltar.
Muito bom! Resposta bem clara e objetiva.
Foi exatamente o que eu achei! Por isso pedi, imediatamente, permissão ao Professor Siegel para traduzir e postar.
Eu nunca tinha encontrado uma explicação tão simples, bem conduzida e acessível como esta.
Pqp muito bom!!!!!!!!!
Por enquanto não. Meu cérebro ainda está emaranhado com essa resposta.