• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Qual será o tamanho do universo?

A linha do tempo da história do nosso Universo observável. Observe que o diâmetro do Universo está aumentando e a taxa de aumento está ficando maior no presente. Isso tem implicações profundas em como ela crescerá no futuro. (Equipe científica da NASA / WMAP)

A energia escura significa que a expansão do Universo está acelerando. Mas quão grande ele vai ficar, e quão rápido?

Nosso Universo, como o observamos hoje, é um lugar vasto e enorme, cheio de estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e vastos vazios cósmicos entre eles. Com o passar do tempo, a gravitação continuará a puxar essas grandes concentrações de matéria umas para as outras, mas a expansão do Universo funciona para separá-las. Há 20 anos, descobrimos o destino final do Universo: a taxa de expansão, devido à energia escura, derrotará a gravitação, o que significa que nosso Universo nunca voltará e entrará em colapso. À medida que continuamos a crescer, porém, quão grande será o Universo e quando? É isso que Rudy Siegel (sem parentesco) quer saber para o Ask Ethan desta semana:

A estimativa atual para o diâmetro do universo é de 93 bilhões de anos-luz. Com a atual aceleração do universo medida pelo redshift e a futura aceleração exponencial, quanto tempo até atingirmos um diâmetro de 100 bilhões de anos-luz?

Para descobrir a resposta a esta pergunta específica e muito mais, vamos dar uma olhada em como é o nosso Universo hoje.

O Hubble eXtreme Deep Field, nossa visão mais profunda do Universo até hoje, que revela galáxias de quando o Universo tinha apenas 3-4% de sua idade atual. (NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09)

Perto dali, o Universo está cheio de galáxias que estão aglomeradas e agrupadas. Quanto mais longe olhamos, em termos de distância, mais para trás no tempo também estamos olhando. Dentro de nossa própria galáxia, uma estrela que está a 10 anos-luz de distância está sendo vista como era há 10 anos: leva 10 anos para a luz, movendo-se na velocidade da luz, atravessar essa distância. Mas a distâncias extremamente grandes, a expansão do Universo desempenha um papel. Uma galáxia cuja luz está chegando após uma jornada de 10 bilhões de anos estará mais distante do que 10 bilhões de anos-luz hoje; será mais como 16 bilhões de anos-luz de distância. A razão para isso? A luz é emitida, viaja pelo espaço, mas o espaço em expansão afasta todos os objetos não ligados. Isso inclui praticamente todas as galáxias distantes fora do grupo local.

Não é simplesmente que as galáxias estão se afastando de nós que causa um desvio para o vermelho, mas sim que o espaço entre nós e a galáxia desvia para o vermelho a luz em sua jornada daquele ponto distante até nossos olhos. À medida que o Universo continua a se expandir, os objetos que emitiram a luz se afastam ainda mais do que o número de anos que a luz percorreu quando chegou. (Larry McNish / RASC Calgary Center)

Conseguimos determinar com sucesso do que o Universo é feito e também medimos qual é a taxa de expansão hoje. Combine essas duas informações sob a estrutura da Relatividade Geral, e as leis da física determinarão automaticamente como o Universo se expandiu ao longo de sua história e como ele se expandirá infinitamente no futuro . Com base no que sabemos até agora, a parte do Universo que é acessível a nós hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, agora tem 46 bilhões de anos-luz de raio.

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. (Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, anotado por E. Siegel)

Provavelmente há muito mais Universo, em todas as direções, além desse ponto. Onde estamos, porém, só podemos observar as partes onde a luz teve tempo suficiente para nos alcançar desde o Big Bang. Com base na taxa de expansão observada e no fato de sabermos que nosso Universo é feito de:

• 68% de energia escura , que age como uma constante cosmológica,
• 27% de matéria escura , que se dilui com o volume à medida que o Universo se expande,
• 4,9% de matéria normal , que age como matéria escura, mas também colide consigo mesma,
• 0,1% de neutrinos , que age como matéria hoje, mas como radiação quando se aproxima da velocidade da luz, e
• 0,01% de fótons , que se diluem com o volume e também têm seus comprimentos de onda estendidos e resfriados à medida que o Universo se expande,

podemos extrapolar quais componentes determinaram a taxa de expansão ao longo da história do Universo.

A importância relativa de diferentes componentes de energia no Universo em vários momentos no passado. (E. Siegel)

Observe que, muito recentemente, a energia escura passou a dominar. À medida que avançamos no futuro, será o único fator determinante na taxa de expansão do Universo. À medida que o Universo continua a se expandir, a densidade da matéria – normal e escura – continua a cair, mas a densidade da energia escura permanecerá constante. Como a taxa de expansão (quadrado) é proporcional à densidade de energia do Universo, isso significa que a densidade constante que a energia escura fornece significa que a taxa de expansão é assíntota a uma constante. Com base na taxa de expansão atual observada pelo Planck, 67 km/s/Mpc, isso significa duas grandes coisas para o futuro:

1. a taxa de expansão será assíntota para 55 km/s/Mpc, quando apenas a energia escura é importante, e
2. essa taxa de expansão fará com que objetos distantes recuem de forma acelerada, e o Universo se expandirá exponencialmente.

(Observe que um Mpc é um megaparsec, uma unidade astronômica de distância que equivale a cerca de 3,26 milhões de anos-luz.)

Os destinos esperados do Universo (três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses universos são governados pelas equações de Friedmann. (E. Siegel / Além da Galáxia)

Pense no porquê disso: por que uma taxa de expansão constante significa que objetos distantes aceleram e que o Universo se expande exponencialmente. Imagine uma galáxia a 10 Mpc de distância. Se a taxa de expansão é de 55 km/s/Mpc, então parece se afastar de nós a 550 km/s devido à expansão do Universo. Com o tempo, ele se afasta cada vez mais. Quão rápido parece retroceder, então?

• Quando está a 10 Mpc de distância, ele recua a 550 km/s.
• Quando está a 20 Mpc de distância, recua a 1100 km/s.
• Quando está a 40 Mpc de distância, recua a 2200 km/s.
• Quando está a 80 Mpc de distância, recua a 4400 km/s.

E assim por diante. Quanto mais o tempo passa e quanto mais distante a galáxia está, mais rápido ela se afasta da vista. Mas eis o que você precisa perceber: a quantidade de tempo para ir de 10 a 20 Mpc é o mesmo que ir de 20 a 40, ou 40 a 80, ou 1.000 a 2.000, e assim por diante. Em um Universo dominado pela energia escura, é assim que funciona a expansão exponencial.

Este diagrama mostra, em escala, como o espaço-tempo evolui / se expande em incrementos de tempo iguais se o seu universo for dominado por matéria, radiação ou a energia inerente ao próprio espaço, com esta última correspondendo ao nosso universo dominado pela energia escura. (E. Siegel)

Então, se quiséssemos traçar o tamanho aparente do Universo, em raio, em função do tempo, tudo o que teríamos que fazer é fazer as contas. Os resultados são simples, diretos e fáceis de ler. Se você segurar uma régua até o gráfico, você pode ver que em um passado muito distante, a linha tem uma certa inclinação que indica dominação da radiação. No passado mais recente, o Universo era dominado pela matéria, onde a inclinação da linha muda. E então a linha muda para uma curva exponencial, quando a energia escura assume o controle da matéria à medida que a densidade da matéria cai ainda mais. É onde começamos a viver hoje.

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. Observe a era dominada pela radiação inicial, a era dominada pela matéria recente e a era em expansão exponencial atual e futura. (E. Siegel)

Nosso Universo observável, como o conhecemos agora, tem 92 bilhões de anos-luz de diâmetro. Aos 13,8 bilhões de anos de idade, é até onde conseguimos chegar.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Observe que estamos limitados em quão longe podemos ver pela quantidade de tempo que ocorreu desde o Big Bang quente: 13,8 bilhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 bilhões de anos-luz. Qualquer um que viva em nosso Universo, em qualquer local, veria quase exatamente a mesma coisa de seu ponto de vista. (Usuário da Wikipédia Pablo Carlos Budassi)

Quando o Universo atingirá 100 bilhões de anos-luz de diâmetro? Quando tiver 14,9 bilhões de anos, apenas 1,1 bilhão de anos a partir de agora. Nesse ponto, o Universo terá 73% de energia escura e a taxa de expansão terá caído para 65 km/s/Mpc. Não muito de uma mudança. Mas à medida que avançamos a passos largos, as mudanças tornam-se muito dramáticas.

Quando o Universo tiver 24,5 bilhões de anos, um pouco mais de 10 bilhões de anos no futuro, será 94% de energia escura, a taxa de expansão será de 57 km/s/Mpc, mas o Universo observável será de 200 bilhões de luz anos de diâmetro.

Com uma idade de 37,6 bilhões de anos, o Universo terá 99,4% de energia escura, a taxa de expansão será de 55,4 km/s/Mpc, e agora o Universo terá 400 bilhões de anos-luz de diâmetro.

E agora, a cada 12,2 bilhões de anos depois disso, o tamanho do Universo dobrará, com a taxa de expansão se estabilizando em 55,4 km/s/Mpc. Isso significa que o Universo atingirá 1 trilhão de anos-luz de diâmetro quando tiver 54 bilhões de anos; 10 trilhões de anos-luz em 86 bilhões de anos; 100 trilhões de anos-luz em 118 bilhões de anos; e um quatrilhão de anos-luz de diâmetro em 149 bilhões de anos. Quando o Universo tiver dez vezes sua idade atual, será quase dez mil vezes seu tamanho atual. Esse é o poder da expansão exponencial.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Com o passar do tempo, as coisas ficam exponencialmente mais distantes umas das outras. (NASA e ESA)

Tal como está hoje, o Universo observável contém algo em torno de 2 trilhões de galáxias. À medida que avançamos para um futuro muito distante, toda essa matéria que não faz parte do nosso grupo local retrocederá de nós para esses horizontes distantes do Universo. O que está agora contido em uma esfera com 93 bilhões de anos-luz de diâmetro será esticado em volumes cada vez maiores, levando a um Universo onde a densidade média eventualmente cai para zero, e o faz de forma desconfortavelmente rápida. Se você nasceu quando o Universo tinha dez vezes sua idade atual, Milkdromeda, que é onde nosso grupo local se fundirá, seria a única galáxia que você poderia ver no Universo por trilhões de anos-luz. Aproveite nosso Universo do jeito que está enquanto estamos aqui, porque ele está se expandindo para longe de nós nessa taxa exponencial a cada momento que passa.

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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