Pergunte a Ethan: Como podemos ver 46,1 bilhões de anos-luz de distância em um universo de 13,8 bilhões de anos?

Após o Big Bang, o Universo estava quase perfeitamente uniforme e cheio de matéria, energia e radiação em um estado de rápida expansão. Com o passar do tempo, o Universo não apenas forma elementos, átomos e aglomerados que levam a estrelas e galáxias, mas também se expande e esfria o tempo todo. O Universo continua a se expandir até hoje, crescendo a uma taxa de 6,5 anos-luz em todas as direções por ano com o passar do tempo. (NASA/GSFC)

Na Relatividade Geral, o tecido do espaço não permanece estático ao longo do tempo. Todo o resto depende dos detalhes que medimos.


Se há uma coisa que determinamos experimentalmente ser uma constante no Universo, é a velocidade da luz no vácuo. c . Não importa onde, quando ou em que direção a luz viaje, ela se move a 299.792.458 metros por segundo, percorrendo uma distância de 1 ano-luz (cerca de 9 trilhões de km) a cada ano. Já se passaram 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, o que pode levar você a esperar que os objetos mais distantes que podemos ver estejam a 13,8 bilhões de anos-luz de distância. Mas não só isso não é verdade, a distância mais distante que podemos ver é mais de três vezes mais remota: 46,1 bilhões de anos-luz. Como podemos ver tão longe? É isso que Anton Scheepers e Jere Singleton querem saber, perguntando:



Se a idade do universo é de 13,8 bilhões de anos, como podemos detectar qualquer sinal que esteja a mais de 13,8 bilhões de anos-luz de distância?



É uma boa pergunta, e que você precisa de um pouco de física para responder.

Frequentemente visualizamos o espaço como uma grade 3D, mesmo que isso seja uma simplificação excessiva dependente do quadro quando consideramos o conceito de espaço-tempo. Na realidade, o espaço-tempo é curvado pela presença de matéria e energia, e as distâncias não são fixas, mas podem evoluir à medida que o Universo se expande ou se contrai. (REUNMEDIA / STORYBLOCKS)



Podemos começar imaginando um Universo onde os objetos mais distantes que pudemos ver realmente estavam a 13,8 bilhões de anos-luz de distância. Para que isso aconteça, você teria que ter um Universo onde:

  • objetos permaneceram na mesma distância fixa um do outro ao longo do tempo,
  • onde o tecido do espaço permaneceu estático e não se expandiu nem se contraiu ao longo do tempo,
  • e onde a luz se propaga através do Universo em linha reta entre dois pontos quaisquer, nunca sendo desviada ou afetada pelos efeitos da matéria, energia, curvatura espacial ou qualquer outra coisa.

Se você imaginar seu Universo como uma grade tridimensional - com um x , e , e com eixo — onde o próprio espaço é fixo e imutável, isso seria realmente possível. Os objetos emitiriam luz no passado distante, essa luz viajaria pelo Universo até chegar aos nossos olhos, e a receberíamos o mesmo número de anos depois que a luz percorreu.

Em um Universo estático e imutável, todos os objetos emitiriam luz em todas as direções, e essa luz se propagaria pelo Universo na velocidade da luz. Depois de um tempo de 13,8 bilhões de anos, a distância máxima que a luz poderia ter percorrido seria de 13,8 bilhões de anos-luz. (ANDREW Z. COLVIN DO WIKIMEDIA COMMONS)



Infelizmente para nós, todas essas três suposições estão incorretas. Para começar, os objetos não permanecem a uma distância constante e fixa um do outro, mas são livres para se mover pelo espaço que ocupam. Os efeitos gravitacionais mútuos de todos os objetos massivos e contendo energia no Universo fazem com que eles se movam e acelerem, aglomerando massas em estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias, enquanto outras regiões se tornam desprovidas de matéria.

Essas forças podem se tornar extremamente complexas, expulsando estrelas e gás das galáxias, criando objetos de hipervelocidade ultrarrápidos e criando todos os tipos de acelerações. A luz que percebemos será desviada para o vermelho ou azul dependendo da nossa velocidade relativa ao objeto que estamos observando, e o tempo de viagem da luz não será necessariamente o mesmo que a distância atual entre dois objetos.

Um objeto emissor de luz movendo-se em relação a um observador fará com que a luz que emite pareça 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)



Este último ponto é muito importante, porque mesmo em um universo onde o espaço é estático, fixo e imutável, os objetos ainda podem se mover através dele. Podemos até imaginar um caso extremo: um objeto que estava localizado a 13,8 bilhões de anos-luz de distância, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, mas estava se afastando de nós a uma velocidade muito próxima da velocidade da luz.

Essa luz ainda se propagará em nossa direção na velocidade da luz, percorrendo 13,8 bilhões de anos-luz em um período de 13,8 bilhões de anos. Mas quando essa luz chega aos dias de hoje, o objeto pode estar até duas vezes mais distante: até 27,6 bilhões de anos-luz de distância se se afastasse de nós arbitrariamente perto da velocidade da luz. Mesmo que o tecido do espaço não tenha mudado ao longo do tempo, há muitos objetos que podemos ver hoje que podem estar a mais de 13,8 bilhões de anos-luz.



O único problema é que sua luz poderia viajar por 13,8 bilhões de anos-luz no máximo; como os objetos se movem depois de emitir essa luz é irrelevante.

A luz, no vácuo, parece sempre se mover na mesma velocidade, a velocidade da luz, independentemente da velocidade do observador. Se um objeto distante emitisse luz e se afastasse rapidamente de nós, poderia estar tão longe hoje quanto o dobro da distância de viagem da luz. (USUÁRIO DO PIXABAY MELMAK)

Mas o tecido do espaço também não é constante. Essa foi a grande revelação de Einstein que o levou a formular a Teoria Geral da Relatividade: que nem o espaço nem o tempo eram estáticos ou fixos, mas formavam um tecido conhecido como espaço-tempo, cujas propriedades dependiam da matéria e da energia presentes no Universo. .

Se você pegasse um Universo que fosse, em média, preenchido de forma relativamente uniforme com alguma forma de matéria ou energia – independentemente de ser matéria normal, matéria escura, fótons, neutrinos, ondas gravitacionais, buracos negros, energia escura, cordas cósmicas , ou qualquer combinação deles - você descobriria que o tecido do próprio espaço é instável: ele não pode permanecer estático e imutável. Em vez disso, deve expandir ou contrair; as grandes distâncias cósmicas entre objetos devem mudar ao longo do tempo.

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. Quando combinados com as medições de distância do Hubble, esses dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante está uma galáxia, maior é o desvio para o vermelho da sua luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

A partir das décadas de 1910 e 1920, as observações começaram a confirmar esse quadro. Descobrimos que as nebulosas espirais e elípticas no céu eram galáxias além da nossa; medimos a distância até eles; descobrimos que quanto mais distantes eles estavam, maior o desvio para o vermelho da luz.

No contexto da Relatividade Geral de Einstein, isso levou a uma conclusão infalível: o Universo estava se expandindo.

Isso é ainda mais profundo do que as pessoas normalmente percebem. O tecido do espaço em si não permanece constante ao longo do tempo, mas se expande, empurrando objetos que não estão gravitacionalmente ligados uns aos outros. É como se galáxias individuais e grupos/aglomerados de galáxias fossem passas embutidas em um mar de massa invisível (semelhante ao espaço), e que, à medida que a massa levedava, as passas fossem separadas. O espaço entre esses objetos se expande, e isso faz com que objetos individuais pareçam recuar um do outro.

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Isso tem enormes implicações para o significado por trás de nossas observações. Quando observamos um objeto distante, não vemos apenas a luz que ele emitiu, nem vemos apenas a luz deslocada pela velocidade relativa da fonte e do observador. Em vez disso, vemos como o Universo em expansão afetou essa luz dos efeitos cumulativos do espaço em expansão que ocorreram em todos os pontos ao longo de sua jornada.

Se quisermos sondar os limites absolutos de quão longe podemos ver, procuraríamos por luz que foi emitida o mais próximo possível de 13,8 bilhões de anos atrás, que estava chegando aos nossos olhos hoje. Calcularíamos, com base na luz que vemos agora:

  • quanto tempo a luz tem viajado,
  • como o Universo se expandiu desde então e agora,
  • quais devem ser todas as diferentes formas de energia presentes no Universo para explicar isso,
  • e quão longe o objeto deve estar hoje, dado tudo o que sabemos sobre o Universo em expansão.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)

Não fizemos isso apenas para um punhado de objetos neste momento, mas para literalmente milhões deles, variando de distância de nosso próprio quintal cósmico até objetos a mais de 30 bilhões de anos-luz de distância.

Como os objetos podem estar a mais de 30 bilhões de anos-luz de distância, você pergunta?

É porque o espaço entre quaisquer dois pontos – como nós e o objeto que estamos observando – se expande com o tempo. O objeto mais distante que já vimos teve sua luz viajando em nossa direção por 13,4 bilhões de anos; estamos vendo como era apenas 407 milhões de anos após o Big Bang, ou 3% da idade atual do Universo. A luz que observamos é desviada para o vermelho por cerca de um fator de 12, pois o comprimento de onda da luz observada é 1210% desde que foi comparado ao momento em que foi emitida. E depois dessa jornada de 13,4 bilhões de anos, esse objeto está agora a cerca de 32,1 bilhões de anos-luz de distância, consistente com um Universo em expansão.

A galáxia mais distante já descoberta no Universo conhecido, GN-z11, tem sua luz vindo até nós de 13,4 bilhões de anos atrás: quando o Universo tinha apenas 3% de sua idade atual: 407 milhões de anos. A distância desta galáxia até nós, levando em conta o Universo em expansão, é de incríveis 32,1 bilhões de anos-luz. (NASA, ESA E G. BACON (STSCI))

Com base no conjunto completo de observações que fizemos - medindo não apenas desvios para o vermelho e distâncias de objetos, mas também o brilho remanescente do Big Bang (o fundo cósmico de microondas), o agrupamento de galáxias e recursos na estrutura em grande escala do Universo, lentes gravitacionais, aglomerados de galáxias em colisão, a abundância de elementos de luz criados antes de qualquer estrela ser formada, etc. – podemos determinar do que o Universo é feito e em que proporções.

A relação distância/desvio para o vermelho, incluindo os objetos mais distantes de todos, vistos de suas supernovas do tipo Ia. Os dados favorecem fortemente um Universo em aceleração. Observe como essas linhas são todas diferentes umas das outras, pois correspondem a Universos feitos de ingredientes diferentes. (NED WRIGHT, COM BASE NOS DADOS MAIS RECENTES DE BETOULE ET AL.)

Hoje, nossas melhores estimativas são de que vivemos em um Universo composto por:

  • 0,01% de radiação na forma de fótons,
  • 0,1% de neutrinos, que têm uma massa pequena, mas diferente de zero,
  • 4,9% de matéria normal, feita de prótons, nêutrons e elétrons,
  • 27% de matéria escura,
  • e 68% de energia escura.

Isso se encaixa em todos os dados que temos e leva a um histórico de expansão único que data do momento do Big Bang. A partir disso, podemos extrair um valor único para o tamanho do Universo visível: 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções.

O tamanho do nosso Universo visível (amarelo), juntamente com a quantidade que podemos alcançar (magenta). O limite do Universo visível é de 46,1 bilhões de anos-luz, pois esse é o limite de quão longe um objeto que emite luz que chegaria até nós hoje estaria depois de se expandir para longe de nós por 13,8 bilhões de anos. (E. SIEGEL, COM BASE NO TRABALHO DOS USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL)

Se o limite do que poderíamos ver em um Universo de 13,8 bilhões de anos fosse realmente 13,8 bilhões de anos-luz, seria uma evidência extraordinária de que tanto a Relatividade Geral estava errada e que os objetos não poderiam se mover de um local para um local mais distante no Universo. Universo ao longo do tempo. A evidência observacional esmagadora indica que os objetos se movem, que a Relatividade Geral está correta e que o Universo está se expandindo e dominado por uma mistura de matéria escura e energia escura.

Quando você leva em conta o conjunto completo do que é conhecido, descobrimos um Universo que começou com um Big Bang quente há cerca de 13,8 bilhões de anos, vem se expandindo desde então e cuja luz mais distante pode vir até nós de um objeto atualmente localizado 46,1 bilhões de anos-luz de distância. O espaço entre nós e os objetos distantes e não ligados que observamos continua a se expandir a uma taxa de 6,5 anos-luz por ano na fronteira cósmica mais distante. Com o passar do tempo, os confins distantes do Universo vão se afastar ainda mais do nosso alcance.


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

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Idéias Frescas

Categoria

Outro

13-8

Cultura E Religião

Alquimista Cidade

Livros Gov-Civ-Guarda.pt

Gov-Civ-Guarda.pt Ao Vivo

Patrocinado Pela Fundação Charles Koch

Coronavírus

Ciência Surpreendente

Futuro Da Aprendizagem

Engrenagem

Mapas Estranhos

Patrocinadas

Patrocinado Pelo Institute For Humane Studies

Patrocinado Pela Intel The Nantucket Project

Patrocinado Pela Fundação John Templeton

Patrocinado Pela Kenzie Academy

Tecnologia E Inovação

Política E Atualidades

Mente E Cérebro

Notícias / Social

Patrocinado Pela Northwell Health

Parcerias

Sexo E Relacionamentos

Crescimento Pessoal

Podcasts Do Think Again

Patrocinado Por Sofia Gray

Vídeos

Patrocinado Por Sim. Cada Criança.

Geografia E Viagens

Filosofia E Religião

Entretenimento E Cultura Pop

Política, Lei E Governo

Ciência

Estilos De Vida E Questões Sociais

Tecnologia

Saúde E Medicina

Literatura

Artes Visuais

Lista

Desmistificado

História Do Mundo

Esportes E Recreação

Holofote

Companheiro

#wtfact

Pensadores Convidados

Saúde

O Presente

O Passado

Ciência Dura

O Futuro

Começa Com Um Estrondo

Alta Cultura

Neuropsicologia

Grande Pensamento+

Vida

Pensamento

Liderança

Habilidades Inteligentes

Arquivo Pessimistas

Começa com um estrondo

Grande Pensamento+

Neuropsicologia

Ciência dura

O futuro

Mapas estranhos

Habilidades Inteligentes

O passado

Pensamento

O poço

Saúde

Vida

Outro

Alta cultura

A Curva de Aprendizagem

Arquivo Pessimistas

O presente

Patrocinadas

A curva de aprendizado

Recomendado