• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: o ‘desvio para o vermelho cósmico’ pode ser causado pelo movimento galáctico, em vez da expansão do espaço?

O impressionante aglomerado de galáxias MACS J1149.5+223, cuja luz levou mais de 5 bilhões de anos para chegar até nós, foi o alvo de um dos programas Hubble Frontier Fields. Esse objeto massivo gravitacionalmente ilumina os objetos atrás dele, esticando-os e ampliando-os e permitindo-nos ver recessos mais distantes das profundezas do espaço do que em uma região relativamente vazia. As galáxias com lentes estão entre as mais distantes de todas e podem ser usadas para testar a natureza do desvio para o vermelho em nosso Universo. (NASA, ESA, S. RODNEY (JOHN HOPKINS UNIVERSITY, EUA) E A EQUIPE FRONTIERSN; T. TREU (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA LOS ANGELES, EUA), P. KELLY (UNIVERSIDADE DA CALIFORNIA BERKELEY, EUA) E A EQUIPE DE VIDRO; J . LOTZ (STSCI) E A EQUIPE DE CAMPO DE FRONTEIRA; M. POSTMAN (STSCI) E A EQUIPE CLASH; E Z. LEVAY (STSCI))

Ambos os efeitos podem ser responsáveis ​​por um redshift. Mas apenas um faz sentido para o nosso Universo.

Na física, como na vida, muitas vezes existem várias soluções para um problema que darão o mesmo resultado. Em nosso universo real, no entanto, há apenas uma maneira pela qual a realidade realmente se desenrola. O grande desafio que se apresenta aos cientistas é descobrir qual das possibilidades que a natureza permite é aquela que descreve a realidade que habitamos. Como fazemos isso com o Universo em expansão? É isso que Vijay Kumar quer saber, perguntando:

Quando observamos uma galáxia distante, a luz que vem da galáxia é desviada para o vermelho devido à expansão do espaço ou, na verdade, a galáxia está se afastando de nós. Como diferenciamos o redshift cosmológico e o redshift Doppler? Pesquisei na internet por respostas, mas não consegui obter nenhuma resposta razoável.

As apostas estão entre as mais altas que existem e, se acertarmos, podemos entender a natureza do próprio Universo. Mas devemos garantir que não estamos nos enganando.

Uma visão ultradistante do Universo mostra galáxias se afastando de nós em velocidades extremas. A essas distâncias, as galáxias parecem mais numerosas, menores, menos evoluídas e recuam em grandes desvios para o vermelho em comparação com as próximas. (NASA, ESA, R. WINDHORST E H. YAN)

Quando você olha para um objeto distante no céu, pode aprender muito sobre ele observando sua luz. As estrelas emitirão luz com base em sua temperatura e na taxa em que fundem elementos em seu núcleo, irradiando com base nas propriedades físicas de suas fotosferas. São necessários milhões, bilhões ou até trilhões de estrelas para formar a luz que vemos quando examinamos uma galáxia distante e, de nossa perspectiva aqui na Terra, recebemos essa luz de uma só vez.

Mas há uma enorme quantidade de informação codificada nessa luz, e os astrônomos descobriram como extraí-la. Ao quebrar a luz que chega em seus comprimentos de onda individuais - através da técnica óptica de espectroscopia - podemos encontrar características específicas de emissão e absorção em meio ao contínuo de luz de fundo. Onde quer que um átomo ou molécula exista com os níveis de energia corretos, ele absorve ou emite luz de frequências características e explícitas.

O espectro de luz visível do Sol, que nos ajuda a entender não apenas sua temperatura e ionização, mas a abundância dos elementos presentes. As linhas longas e grossas são hidrogênio e hélio, mas todas as outras linhas são de um elemento pesado que deve ter sido criado em uma estrela da geração anterior, em vez do Big Bang quente. Todos esses elementos têm assinaturas específicas correspondentes a comprimentos de onda explícitos. (NIGEL SHARP, NOAO / OBSERVATÓRIO NACIONAL SOLAR EM KITT PEAK / AURA / NSF)

Se um átomo é neutro, ionizado uma, duas ou três vezes, ou está ligado em uma molécula, determinará quais comprimentos de onda específicos ele emite ou absorve. Sempre que encontramos várias linhas emitidas ou absorvidas pelo mesmo átomo ou molécula, determinamos exclusivamente sua presença no sistema que estamos analisando. As proporções dos diferentes comprimentos de onda emitidos e absorvidos pelo mesmo tipo de átomo, íon ou molécula nunca mudam em todo o Universo.

Mas mesmo que átomos, íons, moléculas e as regras quânticas que governam suas transições permaneçam constantes em todos os lugares do espaço e em todos os momentos, o que observamos não é constante. Isso porque os diferentes objetos que observamos podem ter sua luz sistematicamente deslocada, mantendo as mesmas proporções de comprimento de onda, mas deslocando o comprimento de onda total por um fator multiplicativo geral.

Observados pela primeira vez por Vesto Slipher em 1917, alguns dos objetos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de átomos, íons ou moléculas particulares, mas com um deslocamento sistemático para o extremo vermelho ou azul do espectro de luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

A questão para a qual queremos uma resposta científica, é claro, é por que isso está ocorrendo? Por que a luz que observamos de objetos distantes parece mudar de uma só vez, na mesma proporção para todas as linhas em cada objeto individual que observamos?

A primeira possibilidade é uma que encontramos o tempo todo: uma mudança Doppler. Quando um objeto emissor de ondas se move em sua direção, há menos espaço entre as cristas de onda que você recebe e, portanto, as frequências que você observa são deslocadas para valores mais altos do que as frequências emitidas pela fonte. Da mesma forma, quando um emissor se afasta de você, há mais espaço entre as cristas e, portanto, suas frequências observadas são deslocadas para valores mais longos. Você está familiarizado com isso pelos sons emitidos por veículos em movimento – sirenes da polícia, ambulâncias, caminhões de sorvete – mas isso também acontece com fontes de luz.

Um objeto se movendo próximo à velocidade da luz que emite luz terá a luz que emite parecer deslocada dependendo da localização de um observador. Alguém à esquerda verá a fonte se afastando dela e, portanto, a luz será desviada para o vermelho; alguém à direita da fonte a verá deslocada para o azul, ou deslocada para frequências mais altas, à medida que a fonte se move em direção a ela. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO TXALIEN)

Há uma segunda possibilidade plausível, no entanto: isso pode ser uma mudança cosmológica. Na Relatividade Geral (nossa teoria da gravidade), é fisicamente impossível ter um Universo estático cheio de matéria e radiação ao longo dele. Se tivermos um Universo que é, nas maiores escalas, preenchido com quantidades iguais de energia em todos os lugares, esse Universo é obrigado a expandir ou contrair.

Se o Universo se expandir, a luz emitida de uma fonte distante terá seu comprimento de onda esticado à medida que o próprio tecido do espaço se expande, levando a um desvio para o vermelho. Da mesma forma, se o Universo se contrair, a luz emitida terá seu comprimento de onda comprimido, levando a um desvio para o azul.

Uma ilustração de como os desvios para o vermelho funcionam no Universo em expansão. À medida que uma galáxia fica cada vez mais distante, ela deve viajar uma distância maior e por um tempo maior através do Universo em expansão. Se o Universo estivesse se contraindo, a luz apareceria deslocada para o azul. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER, VIA CALGARY.RASC.CA/REDSHIFT.HTM )

Quando olhamos para as galáxias que realmente temos no Universo, a esmagadora maioria delas não está apenas desviada para o vermelho, elas estão desviadas para o vermelho em uma quantidade proporcional à sua distância de nós. Quanto mais distante estiver uma galáxia, maior será seu desvio para o vermelho, e a lei é tão boa que essas duas propriedades aumentam em proporção direta uma à outra.

Apresentado pela primeira vez no final da década de 1920 por cientistas como Georges Lemaitre, Howard Robertson e Edwin Hubble, isso foi tomado mesmo naqueles primeiros dias como uma evidência esmagadora a favor da expansão do Universo. Em outras palavras, quase um século atrás, as pessoas já estavam aceitando a explicação de que estava expandindo o espaço e não um desvio Doppler que era responsável pela relação desvio para o vermelho-distância observada.

Com o tempo, é claro, os dados ficaram ainda melhores em apoio a essa lei.

As observações originais de 1929 da expansão do Universo pelo Hubble, seguidas por observações subsequentemente mais detalhadas, mas também incertas. O gráfico de Hubble mostra claramente a relação redshift-distância com dados superiores aos seus predecessores e concorrentes; os equivalentes modernos vão muito mais longe. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Como se vê, há realmente um total de quatro possíveis explicações para a relação redshift-distância que observamos. Eles são os seguintes:

• A luz dessas galáxias distantes se cansa e perde energia à medida que viajam pelo espaço.
• As galáxias evoluíram a partir de uma explosão inicial, que empurra algumas galáxias para mais longe de nós no presente.
• As galáxias movem-se rapidamente, onde as galáxias mais rápidas e com maior desvio para o vermelho se afastam com o tempo.
• Ou o próprio tecido do espaço se expandindo.

Felizmente, existem maneiras observacionais de discernir cada uma dessas alternativas umas das outras. Os resultados de nossos testes observacionais rendem um vencedor claro.

De acordo com a hipótese da luz cansada, o número de fótons por segundo que recebemos de cada objeto cai proporcionalmente ao quadrado de sua distância, enquanto o número de objetos que vemos aumenta com o quadrado da distância. Os objetos devem ser mais vermelhos, mas devem emitir um número constante de fótons por segundo em função da distância. Em um universo em expansão, no entanto, recebemos menos fótons por segundo com o passar do tempo, porque eles precisam percorrer distâncias maiores à medida que o Universo se expande, e a energia também é reduzida pelo redshift. Mesmo considerando a evolução das galáxias, resulta em uma mudança no brilho da superfície que é mais fraca a grandes distâncias, consistente com o que vemos. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STIGMATELLA AURANTIACA)

A primeira é observar o brilho da superfície de galáxias distantes. Se o Universo não estivesse se expandindo, uma galáxia mais distante pareceria mais fraca, mas uma densidade uniforme de galáxias garantiria que encontrássemos mais delas quanto mais longe olharmos. Em um Universo onde a luz se cansasse, obteríamos uma densidade numérica constante de fótons de galáxias progressivamente mais distantes. A única diferença é que a luz pareceria mais vermelha quanto mais distantes estivessem as galáxias.

Isso é conhecido como o Teste de Brilho de Superfície Tolman , e os resultados nos mostram que o brilho da superfície de galáxias distantes diminui em função do redshift, em vez de permanecer constante. A hipótese da luz cansada não é boa.

A reconstrução 3D de 120.000 galáxias e suas propriedades de agrupamento, inferidas de seu desvio para o vermelho e formação de estruturas em grande escala. Os dados dessas pesquisas nos permitem realizar contagens profundas de galáxias e descobrimos que os dados são consistentes com um cenário de expansão, não com uma explosão inicial. (JEREMY TINKER E A COLABORAÇÃO SDSS-III)

A hipótese da explosão é interessante, porque se virmos galáxias se afastando de nós em todas as direções, podemos ser tentados a concluir que houve uma explosão há muito tempo, com as galáxias que vemos se comportando como estilhaços em movimento para fora. Isso deve ser fácil de detectar se assim for, no entanto, uma vez que deve haver um número menor de galáxias por unidade de volume nas maiores distâncias.

Por outro lado, se o Universo estivesse se expandindo, deveríamos esperar um maior número de galáxias por unidade de volume nas maiores distâncias, e essas galáxias deveriam ser mais jovens, menos evoluídas e menores em massa e tamanho. Esta é uma questão que pode ser resolvida observacionalmente e de forma bastante definitiva: as contagens profundas de galáxias mostram um Universo em expansão, não um onde as galáxias foram arremessadas a grandes distâncias de uma explosão.

As diferenças entre uma explicação baseada apenas em movimento para o desvio para o vermelho/distâncias (linha pontilhada) e as previsões da Relatividade Geral (sólidas) para distâncias no Universo em expansão. Definitivamente, apenas as previsões da Relatividade Geral correspondem ao que observamos. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO REDSHIFTIMPROVE)

Finalmente, há um teste direto de distância do desvio para o vermelho que podemos realizar para determinar se o desvio para o vermelho é devido a um movimento Doppler ou a um Universo em expansão. Existem diferentes maneiras de medir a distância de um objeto, mas as duas mais comuns são as seguintes:

• distância do diâmetro angular, onde você conhece o tamanho físico de um objeto e infere sua distância com base em quão grande ele aparece,
• ou distância de luminosidade, onde você sabe o quão brilhante um objeto é intrinsecamente e infere sua distância com base em quão brilhante ele aparece.

Quando você olha para o Universo distante, a luz tem que viajar através do Universo do objeto emissor até seus olhos. Quando você faz os cálculos para reconstruir a distância adequada ao objeto com base em suas observações, não há dúvida: os dados concordam com as previsões do Universo em expansão, não com a explicação Doppler.

Esta imagem mostra SDSS J0100+2802 (centro), o quasar mais brilhante no início do Universo. Sua luz vem até nós de quando o Universo tinha apenas 0,9 bilhão de anos, contra a idade de 13,8 bilhões de anos que temos hoje. Com base em suas propriedades, podemos inferir uma distância desse quasar de ~28 bilhões de anos-luz. Temos milhares de quasares e galáxias com medidas semelhantes, estabelecendo, sem sombra de dúvida, que o desvio para o vermelho se deve à expansão do espaço, não a um desvio Doppler. (PESQUISA DO CÉU DIGITAL SLOAN)

Se vivêssemos em um Universo onde as galáxias distantes fossem tão desviadas para o vermelho porque estavam se afastando de nós tão rapidamente, nunca inferiríamos que um objeto estava a mais de 13,8 bilhões de anos-luz de distância, já que o Universo tem apenas 13,8 bilhões de anos. (desde o Big Bang). Mas rotineiramente encontramos galáxias que estão a 20 ou mesmo 30 bilhões de anos-luz de distância, com a luz mais distante de todas, do Fundo de Microondas Cósmica, vindo até nós de 46 bilhões de anos-luz de distância.

É importante considerar todas as possibilidades que existem, pois devemos garantir que não estamos nos enganando ao tirar o tipo de conclusão que queremos. Em vez disso, temos que elaborar testes observacionais que possam discernir entre explicações alternativas para um fenômeno. No caso do desvio para o vermelho de galáxias distantes, todas as explicações alternativas desapareceram. O Universo em expansão, por mais pouco intuitivo que seja, é o único que se encaixa no conjunto completo de dados.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

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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