Pergunte a Ethan: Como é a borda do universo?

A simulação da estrutura em larga escala do Universo demonstra aglomerados complexos e não repetitivos. Mas, do nosso ponto de vista, podemos ver o volume finito do Universo. O que há além?

13,8 bilhões de anos atrás, o Universo conhecido começou com o Big Bang. Durante esse tempo, o espaço se expandiu, a matéria experimentou atração gravitacional e, como resultado, obtivemos um universo como o observado hoje. Mas, mesmo que seja enorme, nossas observações têm limites. A certa distância, as galáxias desaparecem, as estrelas desaparecem e não recebemos sinais das partes distantes do Universo. Mas o que está além desse limite? Nesta semana, o leitor pergunta:

Se o universo é finito em volume, onde está seu limite? Alguém pode se aproximar dela? Como ela será?

Vamos começar com a nossa localização atual e olhar o mais longe possível.


As estrelas e galáxias que vemos nas proximidades se parecem com as nossas. Mas quanto mais olhamos, mais fundo olhamos para o passado do Universo: lá é menos estruturado, mais jovem e não tão desenvolvido

Nas imediações de nós, o universo está cheio de estrelas. Se você voar para longe por 100.000 anos-luz, poderá reservar a Via Láctea. Além dele, encontra-se um mar de galáxias - talvez dois trilhões dentro do Universo observável. Há um grande número de variedades, formas, tamanhos e massas. Mas olhando para galáxias mais distantes, você pode ver algo incomum: quanto mais distante a galáxia, maior a probabilidade de ser menor em tamanho e massa, e suas estrelas gravitarem em direção ao azul com mais força do que as galáxias mais próximas.


Qual é a diferença entre galáxias em diferentes momentos da história do universo

Isso faz sentido se o universo tiver um começo: um aniversário. Foi assim que o Big Bang foi, o dia em que o universo que conhecíamos nasceu. A era da galáxia, que é relativamente próxima da nossa, coincide com a nossa era. Mas, olhando para uma galáxia a bilhões de anos-luz de distância, vemos luz que teve que passar bilhões de anos antes de chegar aos nossos olhos. A era da galáxia, cuja luz levou 13 bilhões de anos para chegar até nós, deveria ter menos de um bilhão de anos e, olhando mais profundamente para o espaço, de fato, olhamos para o passado.


O composto de luz ultravioleta, visível e infravermelha obtida pelo projeto Hubble eXtreme Deep Field - a maior das imagens liberadas do distante Universo

Acima está a imagem do projeto Hubble eXtreme Deep Field (XDF), a imagem mais profunda de um universo distante. Milhares de galáxias são visíveis nele, localizadas a distâncias muito diferentes de nós e entre si. Mas, com cores simples, é impossível ver que cada galáxia possui um espectro específico no qual nuvens de gás absorvem luz com comprimentos de onda muito específicos, graças à física simples do átomo. Com a expansão do Universo, esse comprimento é esticado, então galáxias mais distantes nos parecem mais vermelhas. Essa física nos permite fazer suposições sobre a distância até elas e, quando as organizamos, acontece que as mais jovens e as menores são as galáxias mais distantes.



Atrás das galáxias deve haver as primeiras estrelas, e depois nada além de um gás neutro - quando o Universo não teve tempo de atrair matéria para estruturas que são densas o suficiente para formar estrelas. Tendo passado alguns milhões de anos atrás, veremos que a radiação no Universo era tão quente que átomos neutros não podiam se formar ali, o que significa que os fótons constantemente refletiam partículas carregadas. Quando átomos neutros se formam, essa luz deve simplesmente seguir uma linha reta e durar para sempre, porque não é afetada por nada além da expansão do universo. A descoberta dessa radiação residual - radiação relicária - há mais de 50 anos foi a confirmação final do Big Bang.


Um diagrama sistemático da história do universo descrevendo a reionização . Antes da formação de estrelas e galáxias, o Universo estava cheio de átomos neutros que bloqueavam a luz. E embora a maior parte do universo tenha sofrido reionização somente após 550 milhões de anos, alguns sites mais felizes foram praticamente reionizados antes desse período.

Da nossa localização atual, podemos olhar em qualquer direção e ver o mesmo curso da história do espaço. Hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, temos galáxias e estrelas conhecidas por nós. Anteriormente, as galáxias eram menores, mais azuis, mais jovens e menos desenvolvidas. Antes disso havia as primeiras estrelas, e antes disso - apenas átomos neutros. Antes dos átomos neutros havia plasma ionizado e antes dele - prótons e nêutrons livres, ocorrência espontânea de matéria e antimatéria, quarks e glúons livres, todas partículas instáveis ​​do Modelo Padrão e, finalmente, o momento do Big Bang. Olhar para distâncias cada vez maiores é o mesmo que olhar para o passado.


Representação do artista na forma de um conceito logarítmico do Universo observável. As galáxias são seguidas por uma estrutura em larga escala e pelo plasma quente e denso do Big Bang nos quintais. Uma aresta é um limite apenas no tempo.

Embora isso defina nosso universo observável - com a fronteira teórica do Big Bang, localizada a 46,1 bilhões de anos-luz da nossa localização -, não será uma fronteira real do espaço. É apenas uma linha do tempo; existem limitações no que podemos ver, porque a velocidade da luz permitiu que as informações viajassem apenas 13,8 bilhões de anos a partir da época do quente Big Bang. Essa distância é superior a 13,8 bilhões de anos-luz, já que o tecido do Universo se expandiu (e continua se expandindo), mas é certamente finito. Mas e o tempo antes do Big Bang? O que você veria se de alguma forma chegasse a uma fração de segundo antes que o Universo possuísse as mais altas energias, fosse denso, quente, cheio de matéria, antimatéria e radiação?


A inflação proporcionou um Big Bang quente e deu origem a um universo observável, ao qual temos acesso. As flutuações da inflação plantaram sementes que cresceram em sua estrutura atual

Você encontraria um estado de inflação cósmica em que o Universo se expandisse extremamente rapidamente e em que a energia inerente ao próprio espaço dominasse. O espaço naquele tempo expandiu-se exponencialmente, foi esticado a um estado plano, adquiriu as mesmas propriedades em todos os lugares, então as partículas existentes foram espalhadas em direções diferentes, e as flutuações inerentes aos campos quânticos foram estendidas por todo o Universo. Quando a inflação terminou no local em que estamos, um Big Bang quente encheu o Universo de matéria e radiação e gerou aquela parte do Universo - o Universo observável - que vemos hoje. E agora, 13,8 bilhões de anos depois, nós temos o que temos.


O Universo observável pode estender 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente existem partes mais inobserváveis ​​do Universo, possivelmente até uma quantidade infinita, semelhante àquela em que estamos.

Nossa localização não é diferente, nem no espaço nem no tempo. O que podemos ver em 46 bilhões de anos-luz não atribui nenhum significado especial a essa fronteira ou a este local. Isso é simplesmente uma limitação do nosso campo de visão. Se de alguma forma pudéssemos tirar uma fotografia de todo o Universo, estendendo-se além da fronteira observada, como se tornou 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, tudo pareceria a nossa parte mais próxima. Teria uma grande rede cósmica de galáxias, aglomerados, filamentos galácticos , vazios cósmicos, estendendo-se além da área relativamente pequena visível para nós. Qualquer observador em qualquer lugar veria um universo muito semelhante ao que vemos do nosso ponto de vista.


Uma das observações mais remotas do Universo mostra estrelas e galáxias próximas, mas as galáxias das regiões externas simplesmente parecem mais jovens e menos desenvolvidas. Do ponto de vista deles, eles têm 13,8 bilhões de anos e são mais desenvolvidos, e parecemos a eles como bilhões de anos atrás.

Os detalhes individuais seriam diferentes, assim como os detalhes do nosso sistema solar, galáxia, grupo local etc. dos detalhes de outro observador. Mas o universo não é limitado em volume - apenas sua parte observada por nós é limitada. A razão para isso é a fronteira temporária - o Big Bang - que nos separa do resto. Só podemos abordá-lo com a ajuda de telescópios, que analisam os primeiros dias do Universo e, em teoria. Até descobrirmos como superar o tempo atual de mão única, essa será a nossa única abordagem para entender os "limites" do Universo. Mas no espaço não há limites. Tanto quanto sabemos, alguém à beira do nosso universo observável nos veria à beira do seu universo observável!

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .