• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Como sabemos que o universo tem 13,8 bilhões de anos?

Se você olhar cada vez mais longe, você também olhará cada vez mais longe no passado. O mais distante que podemos ver no tempo é de 13,8 bilhões de anos: nossa estimativa para a idade do Universo. Apesar das incertezas que temos em nossa ciência, esse número é solidamente conhecido por incertezas de ~ 1% ou menos. (Crédito: NASA/ESA/STScI/A. Campo)

• Os cientistas afirmam com confiança que se passaram 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, com uma incerteza de menos de 1%.
• Isso apesar de uma incerteza de ~ 9% na taxa de expansão do universo e do conhecimento de uma estrela datada de 14,5 bilhões de anos.
• Pode ser tão pouco quanto 13,6 bilhões de anos ou até 14,0 bilhões de anos, mas não pode ser nem 1 bilhão de anos mais velho ou mais novo do que nosso número atual.

Um dos fatos mais reveladores sobre o universo é que realmente sabemos quantos anos ele tem: 13,8 bilhões de anos. Se pudéssemos voltar no tempo, descobriríamos que o universo como o conhecemos era um lugar muito diferente desde o início. As estrelas e galáxias modernas que vemos hoje surgiram de uma série de fusões gravitacionais de objetos de menor massa, que consistiam em estrelas mais jovens e mais puras. Nos estágios iniciais, não havia estrelas ou galáxias. Olhando para trás ainda mais, chegamos ao Big Bang quente. Hoje, astrônomos e astrofísicos que estudam o universo primitivo afirmam com confiança a idade do universo com uma incerteza de não mais de ~ 1% - uma conquista notável que reflete a descoberta do aniversário do nosso universo.

Mas como chegamos lá? Essa é a pergunta de Ruben Villasante, que quer saber:

Como foi determinado que o big bang ocorreu há 13,7 bilhões de anos?

Agora, antes que você diga, Oh, o questionador diz 13,7 bilhões em vez de 13,8 bilhões, saiba que 13,7 bilhões era uma estimativa mais antiga. (Foi proposto depois que o WMAP mediu as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, mas antes que o Planck o fizesse, de modo que o número mais antigo ainda está flutuando por aí, tanto na cabeça das pessoas quanto em muitas páginas e diagramas pesquisáveis.) No entanto, temos duas maneiras de medir a idade do universo, e ambos são compatíveis com este número. Aqui está como sabemos quanto tempo se passou desde o Big Bang.

Medir no tempo e na distância (à esquerda de hoje) pode informar como o Universo irá evoluir e acelerar/desacelerar no futuro. Podemos aprender que a aceleração foi ativada há cerca de 7,8 bilhões de anos com os dados atuais, mas também aprender que os modelos do Universo sem energia escura têm constantes de Hubble muito baixas ou idades muito jovens para corresponder às observações. Essa relação nos permite determinar o que há no Universo medindo seu histórico de expansão. ( Crédito : Saul Perlmutter/UC Berkeley)

Método #1: traçando a história do universo

A primeira maneira de estimar a idade do universo é, na verdade, a mais poderosa. O ponto de partida remonta à década de 1920, quando descobrimos pela primeira vez a expansão do universo. Na física, se você puder descobrir as equações que governam seu sistema - ou seja, as equações que dizem como seu sistema evolui ao longo do tempo - tudo o que você precisa saber é o que esse sistema está fazendo em um determinado momento e você pode evoluir o mais longe possível no passado ou no futuro. Contanto que as leis da física e o conteúdo do seu sistema não mudem, você acertará.

Em astrofísica e cosmologia, as regras que governam o universo em expansão vêm da resolução da relatividade geral para um universo que é, em média, preenchido com quantidades iguais de coisas em todos os lugares e em todas as direções. Chamamos isso de universo homogêneo, o que significa o mesmo em todos os lugares, e isotrópico, o que significa o mesmo em todas as direções. As equações que você obtém são conhecidas como equações de Friedmann (em homenagem a Alexander Friedmann, que as derivou pela primeira vez), que existem há 99 anos: desde 1922.

Essas equações dizem que um universo cheio de coisas deve expandir ou contrair. A forma como a taxa de expansão (ou contração) muda com o tempo depende apenas de duas coisas:

1. quão rápido essa taxa é em qualquer ponto, como hoje
2. com o que, exatamente, seu universo está preenchido naquele ponto específico

Qualquer que seja a taxa de expansão hoje, combinada com quaisquer formas de matéria e energia existentes em seu universo, determinará como o desvio para o vermelho e a distância estão relacionados para objetos extragalácticos em nosso universo. ( Crédito : Ned Wright/Betoule et al. (2014))

Nos primórdios da cosmologia, as pessoas costumavam brincar que cosmologia é a busca por dois números, o que implica que se pudéssemos medir a taxa de expansão hoje (o que conhecemos como parâmetro de Hubble) e como a taxa de expansão muda com o tempo ( o que chamamos de parâmetro de desaceleração, que é um equívoco horrível porque é negativo; o universo está acelerando e não desacelerando), então seríamos capazes de determinar precisamente o que há no universo.

Em outras palavras, poderíamos saber quanto era matéria normal, quanto era matéria escura, quanto era radiação, quanto era neutrinos, quanto era energia escura, etc. Esta é uma abordagem muito boa, porque eles são simplesmente reflete os dois lados da equação: a expansão do universo e como ele muda estão de um lado, enquanto a densidade de matéria e energia de tudo está do outro lado. Em princípio, medir um lado da equação lhe dirá o outro.

Você pode então pegar o que sabe e extrapolar no tempo, para quando o universo estava no estado muito quente, denso e de pequeno volume que corresponde aos primeiros momentos do quente Big Bang. A quantidade de tempo que você leva para voltar o relógio – de agora até então – indica a idade do universo.

Existem muitas maneiras possíveis de ajustar os dados que nos dizem do que o Universo é feito e com que rapidez ele está se expandindo, mas todas essas combinações têm uma coisa em comum: todas levam a um Universo com a mesma idade, como um universo de expansão mais rápida. O universo deve ter mais energia escura e menos matéria, enquanto um universo de expansão mais lenta requer menos energia escura e maiores quantidades de matéria. ( Crédito : Colaboração Planck; Anotações: E. Siegel)

Na prática, porém, usamos várias linhas de evidência para que todas se complementem. Ao reunir várias linhas de evidência, podemos montar uma imagem consistente que reúne todas essas medidas. Alguns deles são particularmente importantes.

• A estrutura em grande escala do universo nos diz a quantidade total de matéria presente, bem como a proporção normal de matéria para matéria escura.
• As flutuações no fundo cósmico de microondas relacionam a rapidez com que o universo está se expandindo para uma variedade de componentes do universo, incluindo a densidade total de energia.
• Medições diretas de objetos individuais, como supernovas do tipo Ia, em uma ampla variedade de distâncias e redshifts podem nos ensinar qual é a taxa de expansão hoje e podem ajudar a medir como a taxa de expansão mudou com o tempo.

O que temos é uma imagem em que o universo parece estar se expandindo a uma taxa de ~67 km/s/Mpc hoje, feito de 68% de energia escura, 27% de matéria escura, 4,9% de matéria normal, cerca de 0,1% de neutrinos, e menos de 0,01% de todo o resto, como radiação, buracos negros, curvatura espacial e qualquer forma exótica de energia não contabilizada aqui.

Este gráfico mostra quais valores da constante de Hubble (esquerda, eixo y) melhor se ajustam aos dados da radiação cósmica de fundo de ACT, ACT + WMAP e Planck. Observe que uma constante de Hubble mais alta é admissível, mas apenas à custa de ter um Universo com mais energia escura e menos matéria escura. ( Crédito : ACT Colaboração DR4)

Junte essas peças – a taxa de expansão atual e os vários conteúdos do universo – e você terá uma resposta para a idade do universo: 13,8 bilhões de anos. (O WMAP deu uma taxa de expansão um pouco mais alta e um universo com um pouco mais de energia escura e um pouco menos de matéria escura, que é como eles obtiveram seu valor anterior, um pouco menos preciso, de 13,7 bilhões.)

Pode surpreendê-lo saber, no entanto, que esses parâmetros estão todos inter-relacionados. Por exemplo, podemos ter a taxa de expansão errada; pode ser mais como ~ 73 km/s/Mpc, como favorecido por grupos que usam medições de escada de distância tardias (como supernovas) em oposição aos ~ 67 km/s/Mpc obtidos por métodos de sinal de relíquia iniciais (como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e as oscilações acústicas bariônicas). Isso alteraria a taxa de expansão, hoje, em cerca de 9% em relação ao valor preferencial.

Mas isso não mudaria a idade do universo em até 9%; para se adequar às outras restrições, você teria que alterar o conteúdo do seu universo de acordo. Um universo em expansão mais rápida hoje requer mais energia escura e menos matéria geral, enquanto um universo em expansão muito mais lenta exigiria uma grande quantidade de curvatura espacial, o que não é observado.

Quatro cosmologias diferentes levam aos mesmos padrões de flutuação no CMB, mas uma verificação cruzada independente pode medir com precisão um desses parâmetros de forma independente, quebrando a degeneração. Ao medir um único parâmetro de forma independente (como H_0), podemos restringir melhor o que o Universo em que vivemos tem para suas propriedades de composição fundamentais. No entanto, mesmo com alguma margem de manobra significativa restante, a idade do Universo não está em dúvida. ( Crédito : A. Melchiorri & L. M. Griffiths, 2001, NewAR)

Embora ainda estejamos tentando definir esses vários parâmetros por meio de todos os nossos métodos combinados, seus relacionamentos mútuos garantem que, se um parâmetro for diferente, uma série de outros também deverá mudar para permanecer consistente com o conjunto completo de dados. Embora um universo de expansão mais rápida seja permitido, ele requer mais energia escura e menos matéria geral, o que significa que o universo, em geral, seria apenas um pouco mais jovem. Da mesma forma, o universo poderia se expandir mais lentamente, mas exigiria ainda menos energia escura, maiores quantidades de matéria e (para alguns modelos) uma quantidade não desprezível de curvatura espacial.

É possível que o universo seja tão jovem, se você chegar ao limite de nossas incertezas, quanto 13,6 bilhões de anos. Mas não há uma maneira de obter um universo mais jovem que não entre em conflito com os dados muito severamente: além dos limites de nossas barras de erro. Da mesma forma, 13,8 bilhões não é o mais antigo que o universo poderia ser; talvez 13,9 ou mesmo 14,0 bilhões de anos ainda esteja dentro do reino da possibilidade, mas qualquer coisa mais velha iria ultrapassar os limites do que o fundo cósmico de micro-ondas permitiria. A menos que tenhamos feito uma suposição incorreta em algum lugar - como o conteúdo do universo mudou drasticamente e abruptamente em algum ponto no passado distante - há realmente apenas uma incerteza de ~ 1% sobre esse valor de 13,8 bilhões de anos para quanto tempo atrás o Big Bang ocorrido.

Felizmente, não dependemos apenas de argumentos cósmicos, pois há outra maneira de, se não medir, pelo menos restringir a idade do universo.

O aglomerado estelar aberto NGC 290, fotografado pelo Hubble. Essas estrelas, fotografadas aqui, só podem ter as propriedades, elementos e planetas (e potencialmente chances de vida) que eles têm por causa de todas as estrelas que morreram antes de sua criação. Este é um aglomerado aberto relativamente jovem, como evidenciado pelas estrelas azuis brilhantes e de alta massa que dominam sua aparência. Aglomerados de estrelas abertas, no entanto, nunca vivem tanto quanto a idade do Universo. ( Crédito : ESA e NASA; Agradecimento: E. Olszewski (Universidade do Arizona))

Método #2: medindo as idades das estrelas mais antigas

Aqui está uma afirmação com a qual você provavelmente concordará: se o universo tem 13,8 bilhões de anos, então é melhor não encontrarmos nenhuma estrela dentro dele com mais de 13,8 bilhões de anos.

O problema com esta afirmação é que é muito, muito difícil definir a idade de qualquer estrela no universo. Claro, sabemos todo tipo de coisas sobre estrelas: quais são suas propriedades quando seus núcleos iniciam a fusão nuclear, como seus ciclos de vida dependem da proporção de elementos com os quais nasceram, quanto tempo vivem dependendo de sua massa e como elas evoluem à medida que queimam seu combustível nuclear. Se pudermos medir uma estrela com precisão suficiente – o que podemos fazer para a maioria das estrelas dentro de alguns milhares de anos-luz na Via Láctea – podemos rastrear o ciclo de vida da estrela até o momento em que ela nasceu.

Isso é verdade – mas se, e somente se, essa estrela não tiver sofrido uma grande interação ou fusão com outro objeto massivo ao longo de sua vida. Estrelas e cadáveres estelares podem fazer coisas muito ruins uns com os outros. Eles podem remover o material, fazendo uma estrela parecer mais ou menos evoluída do que realmente é. Múltiplas estrelas podem se fundir, fazendo com que a nova estrela pareça mais jovem do que realmente é. E interações estelares, incluindo interações com o meio interestelar, podem alterar a proporção de elementos que observamos dentro deles em relação ao que estava presente durante a maior parte de suas vidas.

Esta é uma imagem Digitized Sky Survey da estrela mais antiga com uma idade bem determinada em nossa galáxia. A estrela envelhecida, catalogada como HD 140283, fica a mais de 190 anos-luz de distância. O Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi usado para diminuir a incerteza de medição da distância da estrela, e isso ajudou a refinar o cálculo de uma idade mais precisa de 14,5 bilhões de anos (mais ou menos 800 milhões de anos). Isso pode ser conciliado com um Universo que tem 13,8 bilhões de anos (dentro das incertezas), mas não com um significativamente mais jovem. ( Crédito : Digitized Sky Survey, STScI/AURA, Palomar/Caltech e UKSTU/AAO)

Quando estávamos falando sobre o universo inteiro, precisávamos especificar que essa abordagem só era válida na ausência de grandes e abruptas mudanças que ocorreram no passado do universo. Bem, da mesma forma, para as estrelas, temos que ter em mente que estamos apenas obtendo um instantâneo de como essa estrela está se comportando na escala de tempo em que a observamos: anos, décadas ou séculos no máximo. Mas as estrelas normalmente vivem por bilhões de anos, o que significa que as vemos apenas por um piscar de olhos cósmico.

Como tal, nunca devemos apostar muito na medição de uma única estrela; temos que estar cientes de que qualquer medida desse tipo vem acompanhada de uma grande incerteza. A chamada estrela Matusalém, por exemplo, é altamente incomum de várias maneiras. Estima-se que tenha aproximadamente 14,5 bilhões de anos: cerca de 700 milhões de anos mais velho que a idade do universo. Mas essa estimativa vem com uma incerteza de quase 1 bilhão de anos, o que significa que pode muito bem ser um antigo, mas não um também velha estrela para nossas estimativas atuais.

Em vez disso, se quisermos fazer medições mais precisas, precisamos olhar para as coleções de estrelas mais antigas que podemos encontrar: aglomerados globulares.

O aglomerado globular Messier 69 é altamente incomum por ser incrivelmente antigo, com indicações de que se formou com apenas 5% da idade atual do Universo (cerca de 13 bilhões de anos atrás), mas também por ter um teor de metal muito alto, com 22% da metalicidade de nosso Sol. As estrelas mais brilhantes estão na fase de gigante vermelha, agora acabando com seu combustível central, enquanto algumas estrelas azuis são o resultado de fusões: retardatárias azuis. ( Crédito : Hubble Legacy Archive (NASA/ESA/STScI))

Aglomerados globulares existem em todas as grandes galáxias; alguns contém centenas (como nossa Via Láctea), outros, como M87, podem conter mais de 10.000. Cada aglomerado globular é uma coleção de muitas estrelas, variando de algumas dezenas de milhares a muitos milhões, e cada estrela dentro dele terá uma cor e uma luminosidade: ambas propriedades facilmente mensuráveis. Quando plotamos a cor e a magnitude de cada estrela dentro de um aglomerado globular juntos, obtemos uma curva particularmente moldada que serpenteia do canto inferior direito (cor vermelha e baixa luminosidade) ao canto superior esquerdo (cor azul e alta luminosidade).

Agora, eis o que torna essas curvas tão valiosas: à medida que o aglomerado envelhece, as estrelas mais massivas, azuis e luminosas evoluem dessa curva, pois queimam o combustível nuclear de seu núcleo. Quanto mais o aglomerado envelhece, mais vazia a parte azul e de alta luminosidade dessa curva se torna.

Quando observamos aglomerados globulares, descobrimos que eles têm uma grande variedade de idades, mas apenas até um valor máximo: 12 e poucos a 13 e poucos bilhões de anos. Muitos aglomerados globulares se enquadram nessa faixa etária, mas aqui está a parte importante: nenhum é mais velho.

Os ciclos de vida das estrelas podem ser entendidos no contexto do diagrama de cor/magnitude mostrado aqui. À medida que a população de estrelas envelhece, elas “desligam” o diagrama, permitindo-nos datar a idade do aglomerado em questão. Os aglomerados de estrelas globulares mais antigos, como o aglomerado mais antigo mostrado à direita, têm uma idade de pelo menos 13,2 bilhões de anos. ( Crédito : Richard Powell (L), R. J. Salão (R))

De estrelas individuais e populações estelares às propriedades gerais de nosso universo em expansão, podemos derivar uma estimativa de idade muito consistente para nosso universo: 13,8 bilhões de anos. Se tentássemos tornar o universo um bilhão de anos mais velho ou mais jovem, teríamos conflitos em ambas as contas. Um universo mais jovem não pode explicar os aglomerados globulares mais antigos; um universo mais antigo não pode explicar por que não existem aglomerados globulares ainda mais antigos. Enquanto isso, um universo significativamente mais jovem ou mais antigo não pode acomodar as flutuações que vemos no fundo cósmico de micro-ondas. Simplificando, há muito pouco espaço de manobra.

É muito tentador, se você é um cientista, tentar fazer furos em todo e qualquer aspecto de nossa compreensão atual. Isso nos ajuda a garantir que nossa estrutura atual para entender o universo seja robusta e também nos ajuda a explorar alternativas e suas limitações. Podemos tentar construir um universo substancialmente mais velho ou mais jovem, mas tanto nossos sinais cósmicos quanto as medições de populações estelares indicam que uma pequena quantidade de espaço de manobra – talvez no nível de ~ 1% – é tudo o que podemos acomodar. O universo como o conhecemos começou há 13,8 bilhões de anos com o Big Bang quente, e qualquer coisa com menos de 13,6 bilhões ou mais de 14,0 bilhões de anos, a menos que algum cenário alternativo selvagem (do qual não temos evidências) entre em jogo em algum momento, já está descartado.

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