Pergunte a Ethan: A que distância está a borda do Universo da galáxia mais distante?
Nossas pesquisas de galáxias mais profundas podem revelar objetos a dezenas de bilhões de anos-luz de distância, mas mesmo com a tecnologia ideal, haverá uma grande lacuna de distância entre a galáxia mais distante e o Big Bang. Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Mesmo com os maiores telescópios imagináveis, existem bilhões de anos-luz sem nada reconhecível pelos padrões de hoje.
Apesar do nome, a teoria do big bang não é realmente uma teoria de um bang. É realmente apenas uma teoria das consequências de um estrondo. – Alan Guth
Quando olhamos para o Universo, há luz em todos os lugares que podemos ver, até onde nossos telescópios são capazes de olhar. Mas em algum momento, há um limite para o que encontraremos. Um limite é estabelecido pela estrutura cósmica que se forma no Universo: só podemos ver as estrelas, galáxias, etc., desde que emitam luz. Sem esse ingrediente, nossos telescópios não conseguem detectar nada. Mas outro limite, se podemos usar a astronomia para ir além da luz das estrelas, é o limite de quanto do Universo é acessível a nós desde o Big Bang. Esses dois valores podem não ter muito a ver um com o outro, e é isso que Oleg Pestovsky quer saber!
Por que o desvio para o vermelho de CMB é de cerca de 1.000, enquanto o desvio para o vermelho mais alto para qualquer galáxia que observamos é 11?
A primeira coisa que precisamos pensar é exatamente o que acontece em nosso Universo, avançando, a partir do momento do Big Bang.
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. Crédito da imagem: Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, anotado por E. Siegel.
O conjunto completo de tudo o que conhecemos, vemos, observamos e interagimos é o que chamaremos de Universo Observável. Além do que podemos ver, provavelmente há mais Universo por aí e, com o passar do tempo, poderemos ver cada vez mais, à medida que a luz de objetos mais distantes finalmente nos alcança após uma jornada cósmica que leva bilhões de anos. . Ver o que fazemos no Universo (e nem mais, nem menos) é possível por causa de uma combinação de três coisas:
- O fato de ter sido um tempo finito, 13,8 bilhões de anos, desde o Big Bang,
- O fato de que a velocidade da luz, a velocidade máxima que qualquer sinal ou partícula pode viajar no Universo, é finita e constante,
- E o fato de que o próprio tecido do espaço vem se esticando e se expandindo desde o Big Bang.
A linha do tempo da história do nosso Universo observável. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
O que vemos hoje é o resultado dessas três condições, combinadas com a distribuição inicial de matéria e energia, operando sob as leis da física por toda a história do nosso Universo. Se quisermos saber como era o Universo em algum momento anterior, tudo o que precisamos fazer é observar como é o Universo hoje, medir todos os parâmetros relevantes e calcular como era no passado. Há muito que temos que observar e medir para chegar lá, mas as equações de Einstein, por mais difíceis que sejam, são pelo menos diretas. (Os resultados derivados são duas equações conhecidas como as equações de Friedmann , e resolvê-los é uma tarefa com a qual todo estudante de pós-graduação em cosmologia se familiariza intimamente.) E, honestamente, fizemos algumas medições incríveis sobre o Universo.
Olhando para o pólo norte da Via Láctea, podemos ver as profundezas do espaço. O que está mapeado nesta imagem são centenas de milhares de galáxias, onde cada pixel na imagem é uma galáxia única. Crédito da imagem: SDSS III, data release 8.
Sabemos o quão rápido está se expandindo hoje. Sabemos qual é a densidade da matéria em todos os lugares que olhamos. Sabemos quanta estrutura se forma em todas as diferentes escalas, de aglomerados globulares a galáxias anãs a galáxias maiores a grupos e aglomerados e filamentos de grande escala. Sabemos quanto do Universo é matéria normal, matéria escura, energia escura, bem como componentes muito menores, como neutrinos, radiação e até buracos negros. E apenas a partir dessa informação, extrapolando para trás no tempo, podemos decifrar o quão grande era o Universo e quão rápido ele estava se expandindo em qualquer ponto de sua história cósmica.
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.
Hoje, nosso Universo observável se estende por aproximadamente 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções de onde estamos. Essa é a distância que se, no instante do Big Bang, a localização original no espaço de uma partícula imaginária viajando à velocidade da luz estaria hoje se chegasse até nós agora, 13,8 bilhões de anos depois. Em princípio, é de onde quaisquer ondas gravitacionais remanescentes da inflação cósmica – o estado anterior ao Big Bang que a configurou e forneceu suas condições iniciais – se originariam.
As ondas gravitacionais geradas pela inflação cósmica são o sinal mais distante no tempo que a humanidade pode conceber potencialmente detectar, que se originam do fim da inflação cósmica e do início do Big Bang quente. Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por E. Siegel.
Mas há outros sinais que sobraram do Universo também. Quando o Universo tinha cerca de 380.000 anos, a radiação restante do Big Bang parou de se espalhar de partículas livres e carregadas à medida que formavam átomos neutros. Esses fótons, uma vez formados os átomos neutros, continuam a se deslocar para o vermelho com o Universo em expansão e podem ser vistos com um micro-ondas ou radiotelescópio/antena hoje. Mas por causa da rapidez com que o Universo se expandiu nos estágios iniciais, a superfície em que vemos esse brilho remanescente – o fundo cósmico de micro-ondas – já está a apenas 45,2 bilhões de anos-luz de distância. A distância desde o início do Universo até onde o Universo está com 380.000 anos de idade já é de 900 milhões de anos-luz!
A luz que percebemos como o fundo cósmico de micro-ondas são, na verdade, fótons remanescentes do Big Bang, liberados no instante em que se espalharam pela última vez de elétrons livres. Embora essa luz viaje por 13,8 bilhões de anos antes de chegar até nós, a expansão do espaço faz com que esse local esteja, atualmente, a 45,2 bilhões de anos-luz de distância. Crédito da imagem: E.M. Huff, equipe do SDSS-III e equipe do South Pole Telescope; gráfico por Zosia Rostomian.
É muito, muito mais do que isso até encontrarmos a galáxia mais distante já descoberta no Universo. Embora simulações e cálculos indiquem que as primeiras estrelas podem ter se formado quando o Universo tinha entre 50 e 100 milhões de anos, e as primeiras galáxias por volta de 200 milhões de anos, ainda não conseguimos ver tão longe. (Embora, esperançosamente, com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb no próximo ano, em breve o faremos!) O atual recordista cósmico, mostrado abaixo, é uma galáxia de quando o Universo tinha 400 milhões de anos: apenas 3% de sua idade atual . No entanto, essa galáxia, GN-z11, está localizada a apenas 32 bilhões de anos-luz de distância: cerca de 14 bilhões de anos-luz da borda do Universo observável.
A galáxia mais distante já encontrada: GN-z11, no campo GOODS-N conforme fotografado profundamente (mas não o mais profundo de todos os tempos) pelo Hubble. Crédito da imagem: NASA, ESA e P. Oesch (Universidade de Yale).
A razão para isso? A taxa de expansão vem caindo de forma tremenda ao longo do tempo. Na época em que a galáxia GN-z11 existia no estado em que a vemos, o Universo estava se expandindo 20 vezes mais rápido do que hoje. Quando o fundo cósmico de microondas foi emitido, o Universo estava se expandindo 20.000 vezes mais rápido do que é hoje. E no momento do Big Bang, até onde sabemos, o Universo estava se expandindo cerca de 10³⁶ vezes mais rápido, ou 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 vezes mais rápido do que é hoje. A taxa de expansão do Universo tem diminuído tremendamente ao longo do tempo.
Isso é incrivelmente bom para nós! O equilíbrio entre a taxa de expansão inicial e a quantidade total de energia no Universo em todas as suas formas é perfeitamente equilibrado, até os limites da qualidade de nossas observações. Se o Universo tivesse um pouco de matéria ou radiação nos estágios iniciais, ele teria entrado em colapso bilhões de anos atrás, e nós não existiríamos. Se o Universo tivesse pouca matéria ou radiação no início, teria se expandido muito rapidamente para que as partículas se encontrassem e até mesmo formassem átomos, estruturas muito menos complexas como galáxias, estrelas, planetas e humanos. A história cósmica que o Universo nos conta é de um equilíbrio extraordinário e uma em que realmente chegamos a existir.
O intrincado equilíbrio entre a taxa de expansão e a densidade total no Universo é tão precário que mesmo uma diferença de 0,00000000001% em qualquer direção tornaria o Universo completamente inóspito para qualquer vida, estrelas ou até mesmo moléculas existentes em qualquer ponto no tempo. Crédito da imagem: tutorial de cosmologia de Ned Wright.
Se nossas melhores teorias atuais estiverem corretas, as primeiras galáxias verdadeiras terão se formado em algum ponto entre cerca de 120 e 210 milhões de anos de idade. Isso corresponde a uma distância de nós entre 37 e 35 bilhões de anos-luz, colocando a distância da galáxia mais distante de todas até a borda do Universo observável em 9 a 11 bilhões de anos-luz hoje. Isso é incrivelmente longe e aponta para um fato incrível: o Universo estava se expandindo extremamente rapidamente nos estágios iniciais e se expande a um ritmo muito mais lento hoje. Esse primeiro 1% da idade do Universo é responsável por aproximadamente 20% da expansão total do Universo!
A história do nosso Universo está repleta de uma série de eventos fantásticos, mas desde que a inflação terminou e o Big Bang quente ocorreu, a taxa de expansão tem caído vertiginosamente e desacelerando sua taxa de descida à medida que a densidade continua a cair. Crédito da imagem: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificações por E. Siegel.
A expansão do Universo é o que esticou o comprimento de onda da luz (e causou o desvio para o vermelho que vemos), e essa rápida expansão é o motivo da diferença entre o fundo cósmico de microondas e a galáxia mais distante. Mas o tamanho do Universo hoje é evidência de outra coisa incrível: os efeitos incríveis que a progressão do tempo tem. Com o passar do tempo, o Universo continuará a se expandir cada vez mais, e com o tempo cerca de dez vezes sua idade atual, as distâncias terão se expandido tanto que nenhuma galáxia além do nosso grupo local será visível, mesmo com o equivalente ao Hubble. Telescópio Espacial. Aproveite tudo o que podemos ver hoje sobre a grande variedade do que está presente em todas as escalas cósmicas. Não será para sempre!
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 !
Compartilhar:
