Como é que o tamanho do universo é maior que sua idade?
Sabemos que a idade do Universo é de 13,8 bilhões de anos, mas o tamanho do Universo observado é de 46 bilhões de anos-luz. Como isso é possível?
A natureza exige que não excedamos a velocidade da luz. Tudo o resto é opcional.
- Robert Brolt
Uma das descobertas mais surpreendentes do século XX foi devido ao estudo de enormes nebulosas espirais espalhadas pelo céu noturno.
Logo ficou claro que esses objetos são galáxias semelhantes à nossa Via Láctea, localizada a milhares de anos-luz de nós. Além disso, a maioria deles está se movendo na direção de nós. O que é ainda mais interessante é que quanto mais longe uma galáxia está de nós, (em média) ela se afasta mais rapidamente. Apenas alguns anos depois, o mecanismo e a lei que governam esse fenômeno foram descobertos.
Não havia dificuldades com a lei: você mede a velocidade da galáxia com base no deslocamento espectral e estima a distância a ela usando vários métodos, incluindo velas comuns. Como resultado - embora você ainda tenha erros - você receberá dados sobre a remoção de galáxias e a velocidade de sua fuga. A relação entre esses dois parâmetros é conhecida como lei de Hubble e determina como as galáxias distantes se movem em relação a nós.O mecanismo do fenômeno ocorrido acabou sendo mais interessante.
Há uma forte tentação de assumir que a causa do fenômeno observado - objetos mais distantes se afastam mais rapidamente - está em algum tipo de explosão que aconteceu no passado. Se assim fosse, as galáxias que recebessem menos do que a "energia inicial de explosão" estariam mais próximas umas das outras e se separariam mais lentamente, e as galáxias distantes de nós receberiam mais energia para voar tão rápido.Se assim fosse, estaríamos muito perto do centro da explosão, e a densidade das galáxias próximas a nós seria muito maior do que muito longe de nós. Nesse caso, o espaço seria estático - como uma rede tridimensional fixa. Mas essa não é a única oportunidade.
Também é possível que, em vez do Universo estático originado pela explosão, ele possa obedecer a uma decisão mais poderosa do GR: ele pode se expandir! Em vez de começar devido a uma explosão catastrófica em um universo estático, o tecido do cosmos pode se expandir com o tempo na proporção da quantidade de energia contida nele.Nesse caso, o número de galáxias deve ser, em média, o mesmo em volumes iguais de espaço, a velocidade de expansão deve aumentar em uma dependência previsível da distância, o Universo deveria ter sido mais quente no passado e o aglomerado de galáxias deveria ter formado uma estrutura semelhante a uma teia na qual todas as regiões do espaço parecem iguais. em larga escala.
No caso da primeira opção, com uma explosão e espaço estático, e no caso da idade finita do Universo, poderíamos olhar para a distância a uma distância determinada por essa idade. Em uma idade estática do Universo de 5 anos, poderíamos ver a luz vindo de objetos localizados a menos de 5 anos-luz de nós. Em um universo estático de 13,8 bilhões de anos, poderíamos ver luz vinda de objetos localizados a não mais que 13,8 bilhões de anos-luz de nós.Mas todas as nossas observações refutam essa possibilidade e nos direcionam para a idéia de um espaço em expansão no qual o conteúdo de energia no Universo determina a velocidade da expansão e, portanto, a que distância os objetos estão de nós.
O que é menos intuitivo é que, em um universo em expansão, podemos ver além do que isso determina sua idade simples! É simplesmente uma obrigação. Considere o diagrama acima, no qual vários aglomerados de galáxias se afastam devido à expansão do universo. Imagine que estamos em um cluster central e observe um cluster no canto inferior esquerdo.Quando a luz sai do aglomerado no canto inferior esquerdo (esquerda), esse aglomerado fica a 87 anos-luz de nós. A luz começa sua jornada em nossa direção, mas o Universo está se expandindo. Ou seja, o espaço entre esse cluster e o nosso está aumentando, como um pedaço de massa, o futuro pão. A luz continua a chegar até nós, mas com o aumento da distância, ela precisa passar mais de 87 anos-luz para chegar até nós. Mas quando a luz atinge seu destino (à direita), esse aglomerado já está a 173 anos-luz de nós.A questão principal é: até onde a luz realmente chegou? A resposta é mais de 87 anos-luz, mas menos de 173 anos-luz!
Aplique esse princípio a todo o universo.Há 13,8 bilhões de anos, o Universo era irrealisticamente quente e denso e estava cheio de uma enorme variedade de fontes de energia: radiação (fótons), matéria (prótons, nêutrons, elétrons) e a energia inerente do espaço (energia escura). Se o Universo em expansão fosse preenchido com apenas um desses três tipos de energia, e você perguntasse a que distância está o objeto, a luz da qual acaba de chegar, você receberá três respostas diferentes. Porque
Como a densidade de energia a qualquer momento da história determina a história da expansão do Universo, e a radiação, a matéria e a energia inerente do espaço evoluem de maneira diferente! E aqui está o resultado final para o Universo, com 13,8 bilhões de anos:Se o Universo fosse preenchido apenas com radiação, um objeto cuja luz só chegaria até nós após uma jornada de 13,8 bilhões de anos estaria a 27,6 bilhões de anos-luz de nós.Se o Universo fosse preenchido apenas com matéria, um objeto cuja luz só chegaria a nós depois de uma jornada de 13,8 bilhões de anos estaria a 41,4 bilhões de anos-luz de nós.Se o Universo fosse preenchido apenas com energia escura, nenhuma luz chegaria até nós, pois a expansão seria exponencial e, após esse período, simplesmente não veríamos nada.Mas nenhum desses exemplos corresponde ao universo real, no qual essas energias são misturadas e essa mistura muda com o tempo.
Nos estágios iniciais do universo, nos primeiros milhares de anos, a radiação dominou, principalmente na forma de fótons e neutrinos. Então ocorreu uma transição de fase e a matéria (normal e escura) se tornou o componente predominante por bilhões de anos. E, mais recentemente, após a formação do sistema solar e da Terra, a energia escura se tornou dominante. Como a energia escura não foi (e não será) a única fonte de energia para o Universo, nunca nos encontraremos em uma situação em que a luz não nos alcance. Mas é suficiente empurrar as fronteiras do Universo além da versão apenas com a matéria: até 46,1 bilhões de anos-luz.Isso é contra-intuitivo, mas você deve se lembrar: 13,8 bilhões de anos atrás, todo o Universo observável era menor que o nosso sistema solar atual!
A expansão do universo começou muito rapidamente e diminuiu com o tempo. Ele continua a desacelerar, mas tende assintoticamente não a zero, mas a um valor finito, embora grande. Isso significa que a luz de um objeto muito distante, levada pela expansão do Universo a mais de 40 bilhões de anos-luz de nós, pode nos alcançar hoje, tornando uma jornada pelo Universo comparável a toda a história de sua existência.E quando chegar até nós, veremos a luz emitida em um momento em que o Universo era extremamente jovem.A única diferença é o desvio para o vermelho espectral, que nos permite determinar a idade e o afastamento desse objeto.É por isso que em um universo de 13,8 bilhões de anos, os objetos visíveis mais distantes estão a uma distância de 46 bilhões de anos-luz de nós!Source: https://habr.com/ru/post/pt397063/
All Articles