Pergunte a Ethan: Quão pequeno um pedaço do universo pode ser e ainda se expandir?
As estrelas, galáxias e aglomerados mostrados aqui são unidos individualmente, mas não se expandem como o Universo. Crédito da imagem: Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA.
Do tamanho de uma galáxia? Tamanho humano? Do tamanho de um átomo? Ainda menor? Quão pequeno pode ser um pouco de espaço e ainda se expandir?
Agora temos a melhor imagem de como galáxias como a nossa formaram suas estrelas. -Casey Papovich
A expansão do Universo tem uma longa e surpreendente história. Quando Hubble notou pela primeira vez a relação entre a distância de uma galáxia de nós e o desvio para o vermelho de sua luz, ele soube imediatamente que era uma consequência da Relatividade Geral de Einstein. Quando Hubble anunciou sua descoberta, Einstein imediatamente retratou sua constante cosmológica – um fator falso para manter o Universo estático – e chamou isso de seu maior erro. Mas enquanto o espaço entre as galáxias se expande, átomos, seres humanos e planetas permanecem do mesmo tamanho ao longo do tempo. O que determina isso? Jeroen van Rijn quer saber:
De que limite de escala, se houver, estamos falando quando dizemos que o universo se expande? Isso significa que o comprimento de Planck não é uma constante? As órbitas dos átomos crescem de acordo com esse alongamento do espaço ou a força forte neutraliza isso?
O modelo de pão de passas do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
O Universo em expansão é um fenômeno difícil de entender, porque é muito contra-intuitivo. Talvez a melhor analogia seja imaginar que o tecido do espaço é como uma bola de massa, suspensa em um forno em gravidade zero. À medida que a massa assa, o pão fermenta e cresce, e se expande uniformemente em todas as direções. Mas isso é só para vazio espaço, ou espaço sem nada nele. E se você quisesse ter um espaço que contivesse coisas como matéria: prótons, átomos, humanos, planetas, galáxias ou mesmo aglomerados de galáxias? Há duas maneiras de imaginar a expansão.
A analogia balão/moeda do Universo em expansão. As estruturas individuais (moedas) não se expandem, mas as distâncias entre elas sim em um Universo em expansão. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro Além da Galáxia.
Um é como a superfície de um balão com moedas coladas nele, onde as próprias moedas não mudam à medida que a superfície do balão se expande. O Universo fica cada vez maior, e todo o espaço entre as partículas individuais - ou galáxias individuais - crescem também. Uma moeda parecerá recuar de uma moeda próxima a uma taxa específica, enquanto uma moeda duas vezes mais distante parecerá recuar ao dobro dessa taxa. A ideia é que qualquer moeda perceberá o mesmo efeito: sua velocidade percebida e, portanto, o desvio para o vermelho (alongamento) da luz, parecerá depender apenas da distância da moeda que você está olhando neste espaço em expansão. Tudo o que sabemos que acontece, e sabemos disso desde a década de 1920. Esta foi a mesma relação que a Lei de Hubble demonstrou que estava em jogo no Universo.
Se tudo se expandisse como o Universo, as moedas precisariam ser substituídas por tinta. Crédito da imagem: Fun with Astronomy por Mae e Ira Freeman, via http://amzn.to/2aKd9qD .
Mas a outra maneira de imaginar isso é considerando a superfície de um balão com objetos pintados nele. À medida que o balão infla e sua superfície se expande, ele carrega consigo a marca da tinta. Claro, os objetos distantes se afastarão uns dos outros de acordo com a Lei de Hubble, mas neste caso, os próprios objetos também se expandiriam junto com o tecido do espaço.
Então, o que é que o Universo faz? Em que escala o espaço se expande? Uma coisa que podemos fazer é verificar o próprio Universo. Quando olhamos para as galáxias distantes, devemos vê-las desviadas para o vermelho e menores/mais baixas em massa, pois distâncias maiores também significam tempos anteriores.
A evolução de galáxias semelhantes à Via Láctea em diferentes épocas do Universo. Crédito da imagem: NASA, ESA, C. Papovich / Texas A&M University, H. Ferguson / STScI, S. Faber / University of California, Santa Cruz e I. Labbe / Leiden University.
Vemos isso, mas também vemos algumas de outros assinaturas:
- As galáxias têm as mesmas linhas espectrais em altos desvios para o vermelho, nos dizendo que os tamanhos e propriedades dos átomos de bilhões de anos atrás são os mesmos de hoje.
- Que o tamanho físico das galáxias é determinado apenas por suas massas; que as galáxias da mesma massa hoje e nos primeiros tempos têm o mesmo tamanho físico.
- E que a forma como a teia cósmica (e estrutura em larga escala) cresce ou não depende apenas da quantidade de massa presente em uma determinada região do espaço.
As linhas de absorção em uma variedade de desvios para o vermelho mostram que a física fundamental e os tamanhos dos átomos não mudaram em todo o Universo, mesmo que a luz tenha se desviado para o vermelho devido à sua expansão. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
Então parece que é a analogia das moedas e não a analogia da pintura. Quando olhamos para o Universo, vemos que o tecido do próprio espaço se expande em todas as circunstâncias a menos que há outra força que trabalha para unir um objeto. Isso realmente se encaixa teoricamente com o que esperamos completamente, porque, ao contrário do que comumente pensamos, a expansão não é uma força, mas sim uma taxa. Quando algo se liga, não importa qual é a força que faz a ligação, se é uma força nuclear no caso de prótons e núcleos, se é uma força eletromagnética no caso de átomos, células ou humanos, ou se é uma força uma força gravitacional no caso de planetas, estrelas, galáxias ou mesmo aglomerados de galáxias.
Imagem de campo amplo do aglomerado de galáxias Coma. Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona.
Enquanto o próprio tecido do espaço se expande, ele se expande a uma certa velocidade por unidade de distância. (Na realidade, isso são apenas unidades de tempo inverso.) Como regra geral, se a força entre dois objetos faz com que eles se atraem a uma taxa maior do que a expansão do Universo faria com que o espaço entre eles se expandisse , então eles não agem mais como tinta; eles agem como moedas. Nossos corpos estão unidos; cada átomo está ligado; nosso grupo local já está unido; até mesmo todo o aglomerado de galáxias de Coma (acima) está unido! Mas é importante lembrar que tudo isso é relativo. A expansão do Universo não afeta nosso grupo local ou qualquer coisa dentro dele porque nosso grupo local está muito ligado a isso, mas saia dele e o próprio espaço continua a se expandir. É por isso que galáxias distantes (e outras estruturas vinculadas) continuam a se afastar de nós, mesmo que individualmente estejamos todos ligados localmente às nossas próprias regiões do espaço.
Os vários grupos e agrupamentos que podemos ver aqui - incluindo nosso grupo local - estão todos individualmente vinculados, mas o espaço entre cada um deles está se expandindo. Crédito da imagem: Andrew Z. Colvin sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.
Mas podemos ir para regiões arbitrariamente pequenas do espaço nas regiões não ligadas, onde não há matéria presente, e descobriríamos que qualquer região de tamanho - anos-luz, quilômetros, mícrons, tamanho de prótons ou tamanho de Planck (ou ainda menor) — expande-se de acordo com a Lei de Hubble. A taxa de expansão do espaço, na Relatividade Geral, permite que você trate o tecido do espaço como se fosse completamente contínuo, sem necessidade de quantizá-lo como faria na física quântica. Isso permanece válido para a expansão do Universo, até o momento em que você coloca uma estrutura ligada dentro dele! Não há limite fundamental para o quão pequeno um espaço pode ser e ainda se expandir, mas ele precisa estar vazio ou suficientemente grande para que a estrutura em que você está não possa superar a própria expansão.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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