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: AstronomyGalaxiesPhysicsQ & Abig bangrelativity
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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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?


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Discussão - 23 comentários

  1. João Carlos disse:

    (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…

  2. Carlos Eduardo disse:

    Sendo assim João Carlos e para que eu possa compreender melhor esta questão de espaço e tempo, o que havia antes do Big-Bang ?

  3. João Carlos disse:

    @ 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.

  4. Carlos Eduardo disse:

    Gostaria de saber o que há depois da borda do universo, existe alguma coisa, ou é o nada absoluto ?

  5. João Carlos disse:

    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.

  6. Helder Almeida disse:

    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”?

  7. Daniel Araújo disse:

    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.

  8. João Carlos disse:

    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…

  9. Zé Carlos disse:

    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 [(1×10) 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

  10. João Carlos disse:

    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.

  11. Mano Habilis disse:

    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?

  12. João Carlos disse:

    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.

  13. Israel Bastos disse:

    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?

  14. João Carlos disse:

    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.

  15. Lux disse:

    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.

  16. João Carlos disse:

    Obrigado… Recebo os cumprimentos em nome do verdadeiro autor: o PhD em cosmologia Ethan Siegel. Eu sou apenas um mero tradutor.

  17. Scientist disse:

    Obrigado e parabéns pelos post! (e pelo blog!)

  18. João Carlos disse:

    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.

  19. Scientist disse:

    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.

  20. Victor Hugo disse:

    Muito bom! Resposta bem clara e objetiva.

  21. João Carlos disse:

    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.

  22. Pqp muito bom!!!!!!!!!

  23. Fabrício disse:

    Por enquanto não. Meu cérebro ainda está emaranhado com essa resposta. 😀

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