Uma olhada em uma parte extremamente remota do Universo revela galáxias se movendo em alta velocidade de nós. A tais distâncias, mais galáxias são visíveis, são menores em tamanho, não são tão desenvolvidas e se afastam com grandes desvios para o vermelho do que as localizadas nas proximidadesQuando você olha para o universo distante, vê galáxias em todos os lugares - em todas as direções, milhões e bilhões de anos-luz. Cerca de dois trilhões de galáxias estão disponíveis para a humanidade para observação, e a quantidade total de tudo o que existe no Universo é muito maior e mais incrível do que a maioria de nós pode imaginar. Um dos fatos mais confusos é que todas as galáxias que observamos obedecem, em média, a uma regra: quanto mais distantes estiverem de nós, mais rápido, aparentemente, elas se afastam de nós. Essa descoberta, feita por Edwin Hubble e seus assistentes na década de 1920, nos levou a uma imagem de um universo em expansão. Mas o que significa que o universo está se expandindo? A ciência sabe disso, e agora você saberá!
Quanto mais olhamos, mais antigo e subdesenvolvido o Universo vemos. Mas isso é apenas se a Teoria Geral da Relatividade for aplicável ao Universo e controlar sua expansão.1) Qual é a expansão do universo? Essa é uma das perguntas que parece razoável, porque tudo o mais que pode se expandir consiste em matéria e existe no espaço e no tempo do Universo. Mas o próprio Universo é espaço e tempo, e contém toda a matéria e energia disponíveis. Falando da “expansão do Universo”, queremos dizer que o espaço está se expandindo e vemos que galáxias individuais e seus aglomerados se dispersam. A melhor visualização desse processo é a massa de passas que aumenta como resultado do cozimento no forno.
O modelo de “pão com passas” da expansão do Universo, no qual as distâncias relativas aumentam com a expansão do espaço (teste).A massa é o tecido do espaço, as passas são estruturas relacionadas (galáxias ou grupos / aglomerados de galáxias) e, do ponto de vista de qualquer passa, todas as outras se afastam dela, e quanto mais a passa, mais rapidamente ela foge. Somente no caso do universo não há fogão nem ar fora da massa; só há massa (espaço) e passas (matéria).
O desvio para o vermelho não é causado pelo movimento das galáxias a partir de nós - o desvio para a luz que viaja de pontos distantes do espaço para nós se deve ao alongamento do espaço entre nós e as galáxias2) Como sabemos que o tecido do espaço está se expandindo - talvez sejam apenas galáxias se movendo em velocidades diferentes? Se os objetos se moverem de você em todas as direções, talvez o espaço entre você e eles esteja se expandindo; mas esta é apenas uma das possibilidades. Também parece razoável que você possa estar no centro da explosão, e muitos objetos estavam mais distantes de você e se moviam mais rápido hoje porque eles ganharam mais energia durante a explosão. Se assim fosse, duas evidências disso se destacariam:
- A grandes distâncias, as galáxias com altas velocidades seriam menores porque se separariam no espaço ao longo do tempo.
- A proporção de desvio para o vermelho e alcance a grandes distâncias teria uma forma muito definida, diferente do caso em que o tecido do espaço se expande.
A diferença entre uma explicação baseada em movimentos simples (linha pontilhada) e previsões de GR (sólidas) para distâncias em um universo em expansão. Nossas observações são inequivocamente consistentes com as previsões de GR.A grandes distâncias, a densidade das galáxias é maior do que a nossa. Isso coincide com uma imagem na qual o espaço se expande, pois olhar para longe é o mesmo que olhar para o passado, onde a expansão não era tão forte. Também vemos que a proporção do desvio para o vermelho e a distância nas galáxias distantes coincide com a imagem da expansão da estrutura do espaço e não coincide com o caso em que as galáxias simplesmente se afastam de nós. A ciência fornece uma resposta para essa pergunta de duas maneiras muito diferentes, e as duas respostas apóiam a opção de um universo em expansão.
O gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) coincide com o Universo, que se expandiu mais rapidamente no passado, mas ainda está se expandindo hoje. Esta é uma versão moderna de observação que estende distâncias milhares de vezes mais do que o Hubble fez. Observe que os pontos não estão em uma linha reta, o que indica uma mudança na taxa de expansão com o tempo3) O Universo sempre se expandiu na mesma velocidade? Chamamos essa velocidade de constante do Hubble, mas é constante no espaço e não no tempo. O universo agora, hoje, está se expandindo mais lentamente do que no passado [
Aqui Ethan explica por que a expansão está desacelerando, e as galáxias se separam mais rápido / aprox. transl.]. Quando falamos em velocidade de expansão, entendemos a velocidade por unidade de distância: hoje é de cerca de 70 km / s / Mpc (quilômetros por segundo por megaparsec; megaparsec - 3.260.000 anos-luz). Mas a taxa de expansão depende da densidade de tudo o que existe no Universo, incluindo matéria com radiação. Com a expansão do Universo, a matéria e a radiação dentro dele se tornam menos densas, e com uma diminuição na densidade da matéria e da radiação, a velocidade de expansão também diminui. O universo se expandiu mais rápido no passado e diminuiu a velocidade desde o quente Big Bang. A constante Hubble não é assim chamada exatamente; deve ser chamado de parâmetro Hubble.
As opções para o destino distante do Universo oferecem várias possibilidades, mas se a energia escura for realmente constante, como indicam nossos dados, o Universo continuará seguindo a curva vermelha4) O Universo se expandirá para sempre, ou irá parar, ou mesmo recuar? Por muitas gerações, essa questão tem sido o santo graal da cosmologia e da astrofísica, e só foi possível respondê-la determinando a taxa de expansão do Universo e todos os tipos e quantidades de energia presentes nele. Agora, medimos com sucesso quanta matéria normal, radiação, neutrinos, matéria escura e energia escura estão presentes nela, bem como a velocidade de expansão do Universo. Com base nas leis da física e nos eventos passados, parece muito provável que o Universo se expanda para sempre. Embora essa probabilidade não seja igual a 100%; se algo, por exemplo, matéria escura, se comportar de maneira diferente no futuro, não como no passado ou hoje, todas as nossas conclusões terão que ser revisadas.
5) Existem galáxias fugindo de nós mais rápido que a velocidade da luz, e isso não é proibido? Do nosso ponto de vista, o espaço entre nós e qualquer ponto remoto está se expandindo. Quanto mais longe estiver, mais rápido ele se afasta de nós. Mesmo que a velocidade de expansão fosse pequena, um objeto bastante distante acabaria por ultrapassar o limite de qualquer velocidade final, pois a velocidade de expansão (velocidade por unidade de distância) multiplicada por uma distância suficientemente grande fornecerá qualquer valor de velocidade. Mas a GRT não proíbe isso! A lei que proíbe o movimento mais rápido que a luz se aplica apenas aos movimentos dos objetos no espaço, e não à expansão do próprio espaço. De fato, as próprias galáxias estão se movendo a velocidades da ordem de centenas ou milhares de km / s, o que é muito menos que 300.000 km / s, o limite de velocidade estabelecido pela luz. Fugitivo e desvio para o vermelho são causados pela expansão do universo, não pelo verdadeiro movimento da galáxia.
Dentro do Universo observável (círculo amarelo) existem aproximadamente 2 trilhões de galáxias. As galáxias localizadas a uma distância superior a um terço do caminho de nós até a fronteira nunca podem ser alcançadas devido à expansão do Universo, portanto, o volume aberto para o estudo humano é de apenas 3% do Universo observado.A expansão do Universo é uma conseqüência necessária da presença de matéria e energia preenchendo o espaço-tempo, sujeita a GR. Enquanto houver matéria, haverá atração gravitacional; portanto, a gravidade vence e tudo diminui, ou a gravidade perde e ganha expansão. Não há centro de expansão, não há nada fora do espaço onde o Universo se expandiria; a expansão é experimentada pelo tecido do próprio universo, em todos os lugares e constantemente. E o que é mais irritante, mesmo se deixássemos a Terra hoje e pegássemos a estrada na velocidade da luz, apenas 3% das galáxias de todo o Universo observável estariam disponíveis para nós; 97% deles já estão além de nossas capacidades. O universo pode ser um lugar difícil, mas pelo menos agora você sabe as respostas para cinco das perguntas mais confusas!