Pergunte a Ethan: Quão certo estamos de 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. Mas está correto? Crédito da imagem: NASA / STScI / A. Feild.
Muita certeza. Aqui está como sabemos.
Você sem dúvida já ouviu que o próprio Universo existe há 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, e que os cientistas estão extremamente confiantes nesse número. Na verdade, a incerteza sobre esse número é inferior a 100 milhões de anos: menos de 1% da idade estimada. Mas a ciência errou no passado. Poderia estar errado novamente, sobre isso? Essa é a pergunta de John Deer, que pergunta:
Lord Kelvin estimou a idade do Sol entre 20 e 40 milhões de anos porque seu modelo não incluía (não podia) incluir a mecânica quântica e a relatividade. Quão provável é que estejamos cometendo um erro semelhante ao olhar para o universo em geral?
Vamos dar uma olhada no problema histórico e, em seguida, pular para a situação moderna para entender mais.
Os aglomerados, estrelas e nebulosas em nossa Via Láctea são úteis para chegar a uma estimativa de idade para o Universo, mas assim como nossa falta de compreensão dos processos estelares levou a grandes erros em nossa estimativa para a idade do Sistema Solar , poderíamos estar nos enganando sobre a idade do Universo? Crédito da imagem: pesquisa ESO / VST.
No final do século 19, havia uma enorme controvérsia sobre a idade do Universo. Charles Darwin, olhando para as evidências da biologia e da geologia, concluiu que a própria Terra deve ter pelo menos centenas de milhões, se não bilhões de anos. Mas Lord Kelvin, olhando para as estrelas e como elas funcionavam, concluiu que o próprio Sol precisava ser muito mais jovem. As únicas reações que ele conhecia eram reações químicas, como combustão e contração gravitacional. Este último é como as estrelas anãs brancas obtêm sua energia, mas liberar tanta energia quanto o Sol implicaria uma vida de dezenas de milhões de anos apenas. As duas fotos não bateram.
Uma erupção solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar, é diminuída em termos de 'perda de massa' por fusão nuclear, que reduziu a massa do Sol em um total de 0,03% de sua massa inicial. valor: uma perda equivalente à massa de Saturno. Até descobrirmos a fusão nuclear, no entanto, não poderíamos estimar com precisão a idade do Sol. Crédito da imagem: Observatório de Dinâmica Solar da NASA / GSFC.
Claro, isso foi resolvido décadas depois, com a descoberta das reações nucleares e a aplicação da teoria de Einstein. E = mc² à fusão de hidrogênio que ocorre no Sol. Quando os cálculos foram totalmente elaborados, percebemos que a vida útil do Sol seria algo mais como 10-12 bilhões de anos, e que estávamos cerca de 4,5 bilhões de anos na existência do nosso Sistema Solar. As idades do Sol (da astronomia), da Terra (da geologia) e da vida (da biologia) todas alinhadas em um quadro consistente e coerente.
O Sol, a Terra e a história da vida em nosso mundo têm uma idade consistente hoje, mas no final de 1800, as evidências da idade da Terra sugeriam que ela era significativamente mais antiga que o Sol. Crédito da imagem: ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA.
Temos duas maneiras de calcular a idade do Universo hoje: observar as idades das estrelas e galáxias individuais dentro dele e observar a física do Universo em expansão. As próprias estrelas são a métrica menos precisa, pois só podemos vê-las em um instante no tempo e depois extrapolar a evolução estelar para trás. Isso é útil quando temos grandes populações de estrelas, como aglomerados globulares, mas é mais difícil para estrelas individuais. O método é simples: quando grandes populações de estrelas nascem juntas, elas vêm em todos os tamanhos e cores diferentes, de quentes, massivas e azuis a frias, pequenas e vermelhas. Com o passar do tempo, as estrelas mais massivas queimam seu combustível mais rapidamente e, assim, começam a evoluir e, mais tarde, morrem.
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. Crédito da imagem: Richard Powell sob c.c.-by-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall sob c.c.-by-s.a.-1.0 (R).
Se olharmos para os sobreviventes, podemos datar a idade de uma população de estrelas. Muitos aglomerados globulares têm idades superiores a 12 bilhões de anos, com alguns até superiores a 13 bilhões de anos. Com os avanços nas técnicas e capacidades de observação, medimos não apenas o teor de carbono, oxigênio ou ferro de estrelas individuais, mas usando as abundâncias de decaimento radioativo de urânio e tório, em conjunto com os elementos criados nas primeiras supernovas do Universo. , podemos datar suas idades diretamente.
Localizada a cerca de 4.140 anos-luz de distância no halo galáctico, SDSS J102915+172927 é uma estrela antiga que contém apenas 1/20.000 dos elementos pesados que o Sol possui e deve ter mais de 13 bilhões de anos: uma das mais antigas do Universo , e possivelmente tendo se formado antes mesmo da Via Láctea. Crédito da imagem: ESO, Digitized Sky Survey 2.
A estrela HE 1523-0901 , que é cerca de 80% da massa do Sol, contém apenas 0,1% do ferro do Sol e tem 13,2 bilhões de anos de idade devido à abundância de elementos radioativos. Em 2015, um conjunto de nove estrelas perto do centro da Via Láctea foi datado de ter se formado há 13,5 bilhões de anos: apenas 300 milhões de anos após o Big Bang e antes da formação inicial da Via Láctea, com uma delas tendo menos de 0,001 % do ferro do Sol: a estrela mais pura já encontrada. E controversamente, há a estrela de Matusalém , que chega a surpreendentes 14,46 bilhões de anos, embora com uma grande incerteza de cerca de 800 milhões de anos.
Mas há uma maneira melhor e mais precisa de medir a idade do Universo: através de sua expansão cósmica.
Os quatro destinos possíveis do nosso Universo no futuro; o último parece ser o Universo em que vivemos, dominado pela energia escura. O que está no Universo, juntamente com as leis da física, determina não apenas como o Universo evolui, mas quantos anos ele tem. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Ao medir o que está no Universo hoje, quão distantes os objetos parecem se mover e como a luz deles se comporta nas proximidades, em distâncias intermediárias e para as maiores distâncias observáveis, podemos reconstruir a história de expansão do Universo. Agora sabemos que nosso Universo consiste em aproximadamente 68% de energia escura, 27% de matéria escura, 4,9% de matéria normal, 0,1% de neutrinos e 0,01% de radiação. Também sabemos como esses componentes evoluem no tempo e que o Universo obedece às leis da Relatividade Geral. Combine essas informações e uma imagem única e convincente de nossas origens cósmicas emergirá.
Três tipos diferentes de medições, estrelas e galáxias distantes, a estrutura em grande escala do Universo e as flutuações na CMB, nos contam a história da expansão do Universo. Crédito da imagem: NASA/ESA Hubble (superior L), SDSS (top R), ESA e Planck Collaboration (inferior).
Por alguns segundos, o Universo foi uma bagunça ionizada de partículas e antipartículas, que eventualmente esfriou e permitiu a formação de núcleos atômicos remanescentes após alguns minutos. Após 380.000 anos, os primeiros átomos estáveis e neutros se formaram. Ao longo de dezenas a centenas de milhões de anos, a atração gravitacional reuniu essa matéria em estrelas e depois em galáxias. E ao longo de bilhões de anos, as galáxias se fundiram e cresceram para nos dar o Universo que vemos hoje. Com os dados coletados de uma variedade de fontes, incluindo o fundo cósmico de micro-ondas, o aglomerado de galáxias em grande escala, supernovas distantes e oscilações acústicas bariônicas, chegamos a uma imagem única e convincente: um Universo que tem 13,8 bilhões de anos hoje.
A história cósmica de todo o Universo conhecido mostra que devemos a origem de toda a matéria dentro dele, e toda a luz, em última análise, ao fim da inflação e ao início do Hot Big Bang. Desde então, tivemos 13,8 bilhões de anos de evolução cósmica, uma imagem confirmada por várias fontes. Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck / E. Siegel (correções).
Existem algumas incertezas que vão além o que é relatado por, digamos, Wikipedia , que cita nosso Universo como tendo 13,799 ± 0,021 bilhões de anos. Essa incerteza de 21 milhões de anos pode facilmente ficar de cinco a dez vezes maior se houver um erro sistemático cometido em algum lugar. Existe atualmente uma controvérsia sobre a taxa de expansão (a constante de Hubble) hoje, com o CMB indicando que está mais próximo de 67 km/s/Mpc, enquanto estrelas e supernovas apontam para uma figura mais próxima de 74 km/s/Mpc. Existem incertezas na mistura de matéria escura/energia escura, com algumas medições favorecendo uma proporção tão baixa quanto 1:2, enquanto outras favorecem 1:3 ou qualquer coisa intermediária. Dependendo da resolução desses quebra-cabeças, é concebível que o Universo possa ser tão jovem quanto 13,6 bilhões de anos, ou tão velho quanto 14 bilhões.
Uma maneira de medir a história de expansão do Universo envolve voltar até a primeira luz que podemos ver, quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. As outras formas não retrocedem tanto, mas também têm menor potencial de serem contaminadas por erros sistemáticos. Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul.
O que é improvável, no entanto, é que haverá uma grande revisão desse número de 13,8 bilhões de anos. Mesmo que haja mais física fundamental do que as forças, partículas e interações que conhecemos, é improvável que elas mudem a física de como as estrelas funcionam, como a gravidade funciona ao longo do tempo, como o Universo se expande ou como a radiação/matéria/escuro energia compõem o nosso Universo. Essas coisas são bem medidas, bem limitadas e tão bem compreendidas quanto se poderia razoavelmente pedir. Mesmo que a energia escura evolua, constantes fundamentais como G ou c ou h mudar ao longo do tempo, ou as partículas do Modelo Padrão podem ser ainda mais divididas, a idade do Universo não mudará muito desde o Big Bang até o presente.
Revisões e surpresas certamente podem estar chegando, mas quando se trata da idade do Universo, após milênios de questionamentos, a humanidade finalmente tem uma resposta em que pode confiar.
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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 .
