Pergunte a Ethan: O Universo pode se expandir mais rápido que a velocidade da luz?
Esta imagem representa a evolução do Universo, começando com o Big Bang. Crédito da imagem: NASA/GSFC.
Como a taxa de expansão do Universo continua a nos confundir.
Ao expandir o campo do conhecimento, apenas aumentamos o horizonte da ignorância. – Henry Miller
É a lei mais fundamental da relatividade especial e a percepção que levou Einstein a algumas das maiores descobertas da física de todos os tempos: a ideia de que nada pode viajar mais rápido que a luz. Isso é verdade até hoje, pois todas as partículas sem massa no vácuo se movem exatamente na velocidade da luz, enquanto qualquer outra coisa – uma partícula massiva em qualquer lugar ou uma sem massa em um meio – está fadada a se mover mais lentamente que a velocidade da luz. Mas quando se trata do Universo em expansão, isso parece que ainda pode não se sustentar. Kevin Forward quer saber, enquanto pergunta:
Nos primeiros milionésimos de segundo do Big Bang o universo não se expandiu mais rápido que a velocidade da luz?
Como spoiler: não, ele não se expandiu mais rápido que a luz naquela época, nem em nenhum outro momento, nem nunca o fará. Mas há uma boa razão pela qual alguém pode pensar que sim.
Nosso Universo, desde o quente Big Bang até os dias atuais, passou por um enorme crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. Crédito da imagem: NASA / CXC / M.Weiss.
Nosso Universo, como o vemos hoje, existe há 13,8 bilhões de anos desde o quente Big Bang. Mas se você está perguntando até onde podemos ver em qualquer direção, a resposta não é 13,8 bilhões de anos-luz; é muito mais longe do que isso. Você pode, se pensar muito, imaginar que o dobro dessa distância é possível: se um objeto emissor de luz estivesse a 13,8 bilhões de anos-luz de distância 13,8 bilhões de anos atrás, talvez ele tenha emitido luz enquanto estava se afastando de nós, talvez até a uma velocidade velocidade aproximando-se da velocidade da luz. Se um objeto brilhante existisse naquela época e estivesse constantemente se afastando de nós a 299.792 km/s, sua luz estaria chegando agora, enquanto o próprio objeto estaria a 27,6 bilhões de anos-luz de distância. Tudo isso é um raciocínio sólido, mas faz uma suposição que não é necessariamente boa: que o próprio espaço é estático.
O aglomerado de galáxias de Hércules apresenta uma grande concentração de galáxias a muitas centenas de milhões de anos-luz de distância. Quanto mais longe olhamos, menos confiável é a suposição de que podemos tratar um objeto observado como estando no mesmo local no espaço e no tempo que nós. Crédito da imagem: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Agradecimento: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute.
O espaço que habitamos não é estático; está se expandindo. De fato, podemos medir qual é a taxa de expansão hoje, como era no passado distante e em todas as épocas intermediárias. Acontece que um objeto que estava a apenas 168 metros de distância no Big Bang (ok, 10 a 33 segundos após o Big Bang) só teria sua luz nos alcançado hoje, 13,8 bilhões de anos depois, após uma jornada incrível, e uma quantidade incrível de alongamento, e atualmente estaria a 46,1 bilhões de anos-luz de distância.
O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente há mais, Universo inobservável, talvez até uma quantidade infinita, assim como o nosso além disso. Este é apenas o limite do que é observável para nós hoje. Crédito da imagem: Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, anotado por E. Siegel.
A-ha, você proclama, isso significa que o espaço se expandiu mais rápido que a luz!
Mas foi? Porque para algo ir mais rápido que a luz, ele precisa ter uma velocidade inerente a ele: algo que você possa medir em, por exemplo, quilômetros por segundo. Mas não é assim que o Universo se expande.
Em distâncias maiores e tempos anteriores no Universo, estava se expandindo mais rapidamente. Mas isso não significa que ele se expandiu a uma velocidade mais rápida, mas sim a uma taxa mais rápida, que é uma velocidade por unidade de distância. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
Em vez disso, o Universo se expande como uma velocidade por unidade de distância: normalmente o medimos em quilômetros por segundo por megaparsec, onde um megaparsec é cerca de 3,26 milhões de anos-luz. Se a taxa de expansão for de 70 km/s/Mpc, isso significa que, em média, um objeto a 10 Mpc de distância deve se expandir a 700 km/s; um que está a 200 Mpc de distância deve recuar a 14.000 km/s; e um que está a 5.000 Mpc deve parecer estar se afastando a 350.000 km/s.
Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós, e mais sua luz é desviada para o vermelho, exigindo que olhemos para comprimentos de onda cada vez mais longos. Além de uma certa distância, as galáxias se tornam inalcançáveis por qualquer coisa que emitimos hoje, mesmo na velocidade da luz. Crédito da imagem: Larry McNish do RASC Calgary Center.
Isso significa que algo está se movendo mais rápido que a luz? Vamos voltar à teoria da relatividade especial de Einstein e perguntar o que significa quando dizemos que nada pode se mover mais rápido que a luz. Isso significa que, se você tiver dois objetos no mesmo evento de espaço-tempo – ocupando o mesmo espaço ao mesmo tempo – eles não podem se mover um em relação ao outro a uma velocidade mais rápida que a velocidade da luz. Mesmo que um esteja se movendo para o norte a 99% da velocidade da luz e o outro se mova para o sul a 99% da velocidade da luz, eles não vai estar se movendo a 198% da velocidade da luz em relação ao outro, mas 99,995% da velocidade da luz. Não importa o quão rápido cada um se mova, eles nunca excederão a velocidade da luz em relação um ao outro .
As partículas podem se mover muito rapidamente, na mesma direção, direções opostas ou em um ângulo em relação uma à outra. Mas quando você mede a velocidade entre duas partículas, só faz sentido, no contexto da relatividade, se você medir suas velocidades no mesmo local no espaço e no tempo. Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.
É por isso que é chamado de relatividade em primeiro lugar, porque mede o movimento relativo entre dois objetos no mesmo local no espaço e no tempo. Mas esse tipo de relatividade – relatividade especial – apenas define as regras em seu espaço local, sem expansão. A relatividade geral adiciona outra camada em cima disso: o fato de que o próprio espaço se expande. Ao medir a quantidade de matéria normal, matéria escura, energia escura, neutrinos, radiação e mais presentes no Universo hoje, e como a luz que nos atinge de todas as diferentes distâncias do Universo muda para o vermelho com essa expansão, podemos reconstruir exatamente o tamanho do Universo. foi em algum momento do passado.
A linha do tempo da história do nosso Universo observável, onde a porção observável se expande para tamanhos cada vez maiores à medida que avançamos no tempo para longe do Big Bang. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
Quando tinha aproximadamente 10.000 anos, o Universo observável já tinha 10 milhões de anos-luz de tamanho. Quando tinha apenas um ano de idade, o Universo observável tinha quase 100.000 anos-luz de tamanho. Quando tinha um segundo, já tinha mais de 10 anos-luz de tamanho. Isso com certeza parece expandir mais rápido que a luz, não é? Mas em nenhum momento qualquer partícula se moveu mais rápido que a luz em relação a qualquer outra partícula com a qual interagiu.
Um gráfico do tamanho/escala do Universo observável versus a passagem do tempo cósmico. Isso é exibido em uma escala log-log, com alguns marcos principais de tamanho/tempo identificados. Crédito da imagem: E. Siegel.
Em vez disso, tudo o que aconteceu foi que o espaço entre as partículas se expandiu e, ao fazê-lo, aumentou a distância entre elas e esticou o comprimento de onda da radiação presente naquele espaço. Isso continuou por bilhões de anos de história cósmica que ocorreu desde então e continua a ocorrer hoje. Embora possamos nunca alcançar objetos mais distantes do que 15,6 bilhões de anos-luz hoje, mesmo se fôssemos à velocidade da luz, isso não é porque eles estão recuando mais rápido que a luz, mas porque o espaço entre diferentes locais continua a se expandir.
A principal conclusão é que o espaço não se expande em uma velocidade específica, mas sim em uma taxa específica: uma velocidade por unidade de distância. Como resultado, quanto mais longe você olha, mais a expansão do espaço afeta a distância entre você e o objeto que você está vendo. Enquanto estiver se expandindo, você pode calcular uma distância que, se ultrapassar, tudo parece estar se afastando de você mais rápido que 299.792 m/s. Quanto mais distante um objeto estiver, você pode ter certeza de que sua luz será mais vermelha, sua distância será maior e parecerá estar se afastando de você cada vez mais rapidamente. Mas mais rápido que a velocidade da luz? Você precisa estar no mesmo local para medir isso. Em relação à nossa localização, nada se move mais rápido que a luz, e isso é verdade em todos os locais do Universo em todos os momentos. O espaço se expande, mas não apenas não se expande mais rápido que a luz, como também não se expande a uma velocidade!
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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