Pergunte a Ethan: Se o universo terminar em uma grande crise, todo o espaço entrará em colapso?
Um ‘Big Bounce’ requer uma fase de recolhimento (ou seja, um Big Crunch) seguida por uma fase de expansão (que se parece com um novo Big Bang). (E. SIEGEL, DERIVADA DE ÆVAR ARNFJÖRÐ BJARMASON)
Nosso destino futuro provavelmente já está determinado. Se terminarmos em um Big Crunch, o que isso significa?
O destino final do Universo é uma das maiores questões existenciais que podemos fazer. Dado que nosso Universo existe há bilhões de anos desde o Big Bang, está cheio de estrelas e galáxias espalhadas pelos vastos recessos do espaço e parece estar se expandindo e esfriando em todas as direções, parece haver possibilidades fascinantes para o que poderia surgir no futuro. Talvez nos expandamos para sempre; talvez deixemos de expandir e desmoronar; talvez a expansão acelere, nos separando. Um destino possível é o Big Crunch, e isso interessa ao nosso Apoiador do Patreon Jim Nance, que pergunta:
Quando você descreve o Big Crunch, você fala sobre uma corrida entre a gravidade e a expansão do espaço. Não está claro para mim se a gravidade vence essa corrida, se o espaço para de se expandir ou simplesmente se a matéria no espaço para de se expandir. Eu adoraria ouvir sua explicação sobre isso.
Esta é uma pergunta complexa, mas a física que conhecemos hoje nos permite enfrentar o desafio e dar uma resposta definitiva.
Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Com o passar do tempo, as galáxias não ligadas ficam exponencialmente mais distantes umas das outras. (NASA e ESA)
Quando olhamos para as galáxias distantes além do nosso próprio grupo local, descobrimos que a luz delas é desviada para o vermelho. Normalmente, a propriedade mais importante da luz é o seu comprimento de onda: a distância entre sucessivos picos ou vales nos campos eletromagnéticos oscilantes que definem uma onda de luz. O comprimento de onda determina a frequência, cor, energia e momento da luz.
Sempre que temos uma transição atômica – onde os elétrons saltam de um nível de energia para outro – é acompanhada pela absorção ou emissão de um fóton. Como esses níveis de energia têm valores específicos, isso significa que os fótons que são absorvidos ou emitidos terão comprimentos de onda específicos associados a eles. Quando você vê uma série de linhas de absorção ou emissão, isso permite identificar quais elementos estão presentes e em que abundância.
O espectro de luz visível do Sol, que nos ajuda a entender não apenas sua temperatura e ionização, mas a abundância dos elementos presentes. As linhas longas e grossas são hidrogênio e hélio, mas todas as outras linhas são de um elemento pesado que deve ter sido criado em uma estrela da geração anterior, em vez do Big Bang quente. Todos esses elementos têm assinaturas específicas correspondentes a comprimentos de onda explícitos. (NIGEL SHARP, NOAO / OBSERVATÓRIO NACIONAL SOLAR EM KITT PEAK / AURA / NSF)
Medir os vários comprimentos de onda da luz faz parte da ciência astronômica da espectroscopia. Para qualquer estrela ou galáxia que observamos, podemos detectar a presença – se nossos equipamentos e observações forem bons o suficiente – das várias linhas espectrais que correspondem à presença ou ausência de átomos, íons e moléculas específicos.
Mas quando olhamos para galáxias que estão além da nossa, descobrimos que essas assinaturas espectrais de linhas de absorção e emissão são sistematicamente alteradas. Para cada galáxia individual que medimos, há uma mudança única que afeta todas as linhas igualmente. Um número muito pequeno de galáxias que observamos parece estar deslocado para o azul: onde a luz se desloca para energias mais altas e comprimentos de onda mais curtos. Mas quase todos eles são desviados para o vermelho, e são mais severamente desviados para o vermelho quanto mais distantes estão.
Observado pela primeira vez por Vesto Slipher, quanto mais distante uma galáxia é, em média, mais rápido ela se afasta de nós. Durante anos, isso desafiou a explicação, até que as observações do Hubble nos permitiram juntar as peças: o Universo estava se expandindo. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)
O fenômeno dos redshifts galácticos é um fato observacional que remonta a mais de um século: ao trabalho de Vesto Slipher. Na década de 1920, o trabalho de Edwin Hubble nos permitiu adicionar as distâncias galácticas também, com a relação redshift-distância descoberta logo depois por Hubble e Georges Lemaître. No entanto, a causa disso não ficou imediatamente clara, pois havia duas explicações possíveis.
- Redshifts e blueshifts podem ser causados por movimentos galácticos individuais, já que galáxias se movendo em nossa direção apareceriam com desvio para o azul e galáxias se afastando de nós seriam desviadas para o vermelho.
- Redshifts podem ser causados pela expansão do tecido do próprio espaço, com os comprimentos de onda da luz de galáxias mais distantes sendo esticados pelo tecido do Universo em expansão.
Uma fatia bidimensional das regiões superdensa (vermelho) e subdensa (azul/preto) do Universo próximo a nós. As linhas e setas ilustram a direção dos fluxos de velocidade peculiares, que são os empurrões e puxões gravitacionais nas galáxias ao nosso redor. No entanto, todos esses movimentos estão embutidos no tecido do espaço em expansão. (COSMOGRAFIA DO UNIVERSO LOCAL — COURTOIS, HELENE M. ET AL. ASTRON.J. 146 (2013) 69)
Ambas as explicações poderiam, pelo menos nos estágios iniciais, ser consideradas consistentes com os dados.
Na realidade, ambos os efeitos existem. As galáxias se movem uma em relação à outra, à medida que as forças gravitacionais da matéria no Universo empurram e puxam tudo ao redor. Mas o próprio tecido do espaço-tempo também não pode permanecer constante.
Não é simplesmente que as galáxias estão se afastando de nós que causa um desvio para o vermelho, mas sim que o espaço entre nós e cada galáxia desvia a luz em sua jornada daquele ponto distante até nossos olhos. Isso afeta todas as formas de radiação, incluindo o brilho remanescente do Big Bang. (LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTER)
Na Relatividade Geral, o espaço-tempo é uma entidade dinâmica. Quando você tem um universo como o nosso – onde matéria e energia são distribuídas de forma relativamente uniforme nas maiores escalas – qualquer solução relativística que resulte em um universo estático é fundamentalmente instável. O Universo deve estar se expandindo ou se contraindo, pois não pode permanecer em um estado imutável. Não podemos necessariamente saber qual deles está fazendo apenas pelos primeiros princípios; exigimos medições para nos ensinar o que está acontecendo.
Felizmente, fizemos essas medições e a conclusão é inevitável.
A relação redshift-distância para galáxias distantes. Os pontos que não caem exatamente na linha devem o pequeno descompasso às diferenças nas velocidades peculiares, que oferecem apenas pequenos desvios da expansão geral observada. Os dados originais de Edwin Hubble, usados pela primeira vez para mostrar que o Universo estava se expandindo, todos cabem na pequena caixa vermelha no canto inferior esquerdo. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))
Expansão é. O tecido do nosso Universo, atualmente, está se expandindo. Isso não significa que sempre se expandirá, e também não significa que não haja movimentos galácticos sobrepostos ao tecido em expansão do espaço. Você notará, acima, que muito poucas das galáxias que observamos realmente caem exatamente na linha de melhor ajuste para uma relação redshift-distância.
Essa linha corresponde à expansão geral do espaço, mas os pontos de dados reais podem cair em ambos os lados da linha. Isso se deve ao fato de que as galáxias se movem umas em relação às outras no Universo em expansão, incluindo nossa própria Via Láctea, que se move a cerca de 370 km/s em relação à expansão do Universo pelo Hubble.
Previsões da relatividade especial (pontilhada) e da relatividade geral (sólida) para distâncias no Universo em expansão. Definitivamente, apenas as previsões do Universo em expansão para a gelatividade geral correspondem ao que observamos. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO REDSHIFTIMPROVE)
À medida que olhamos para distâncias cada vez maiores (e desvios para o vermelho), no entanto, podemos descartar absolutamente o caso em que movimentos individuais são responsáveis por 100% dos desvios para o vermelho observados. A relatividade oferece diferentes previsões a grandes distâncias para um Universo em expansão em comparação com um movimento rápido para longe de nós, e os dados concordam com a expansão, não com movimentos de grande magnitude.
Então, isso resolve qualquer dúvida que você possa ter sobre se o próprio tecido do espaço está se expandindo: ele está. A razão pela qual as galáxias parecem se afastar de nós – e umas das outras – é porque o Universo está se expandindo. No entanto, a expansão não é a única solução possível. Se olharmos para as equações que governam a expansão do Universo, encontramos algo interessante: elas não nos dão um valor para a taxa de expansão. Em vez disso, eles nos dão um valor para a taxa de expansão ao quadrado.
Uma foto minha na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. O primeiro termo da equação de Friedmann detalha a taxa de expansão de Hubble ao quadrado, que governa a evolução do espaço-tempo. Os termos restantes incluem todas as diferentes formas de matéria e energia, juntamente com a curvatura espacial, que determina como o Universo evolui no futuro. Essa foi chamada de equação mais importante em toda a cosmologia e foi derivada por Friedmann essencialmente em sua forma moderna em 1922. (INSTITUTO PERIMETER / HARLEY THRONSON)
Você pode não ver uma grande diferença inicialmente. Se eu lhe dissesse que a taxa de expansão ao quadrado era igual a 4, você simplesmente tiraria a raiz quadrada e me diria que a taxa de expansão era 2.
E então eu perguntaria se você tinha certeza.
Ele está tentando me enganar? Talvez, mas o objetivo não é enganá-lo. A raiz quadrada de 4 poderia ser 2, mas também pode ser -2. Quando resolvemos nossas equações para a taxa de expansão, podemos acabar com um Universo em expansão. Mas também podemos acabar com um Universo em expansão negativa, o que corresponde a um Universo em contração. Mesmo sabendo que está se expandindo hoje, porque o medimos, não há nada que impeça o Universo de atingir um tamanho máximo, parar de expandir e girar para se contrair.
Os destinos esperados do Universo (três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
Sim, ao olharmos para o Universo distante, vemos atualmente que as coisas continuam a se expandir. Se o Universo terminar em um Big Crunch, ainda não atingiu seu ponto de virada.
Também não parece provável que um Big Crunch esteja reservado para nós. Quando medimos a maneira como a taxa de expansão mudou ao longo de nossa história cósmica, dá todas as indicações de que a taxa de expansão não cairá para zero e se reverterá. A maneira como a taxa de expansão muda ao longo do tempo é determinada pela quantidade total e pelos tipos de matéria e energia presentes nela. Como nosso Universo tem muito pouca matéria, pouca radiação e muita energia escura, parece que continuaremos expandindo para sempre.
A menos, é claro, que a energia escura seja dinâmica e capaz de mudar ao longo do tempo .
Os destinos distantes do Universo oferecem uma série de possibilidades, mas se a energia escura for realmente uma constante, como os dados indicam, ela continuará seguindo a curva vermelha. Se não for, no entanto, um Big Crunch ainda pode estar em jogo. (NASA/GSFC)
Se a densidade de energia da energia escura mudar ao longo do tempo de várias maneiras específicas, isso pode fazer com que nosso Universo termine em um Big Crunch. Muitas vezes tomamos como certo que nosso Universo terminará em um Big Freeze, devido à aparente aceleração de galáxias distantes de nós, mas ainda existem cinco destinos viáveis e possíveis para o nosso Universo . Como escrevi anteriormente, a energia escura pode enfraquecer e decair à medida que o Universo se expande ainda mais:
Se decair para zero, pode levar a uma das possibilidades originais expressas acima: o Big Freeze. O Universo ainda se expandiria, mas sem matéria e outras formas de energia suficientes para entrar em colapso.
Se decair para se tornar negativo, no entanto, pode levar a outra das possibilidades: um Big Crunch. O Universo pode ser preenchido com energia intrínseca ao espaço que de repente mudou de signo e causou o colapso do espaço. Embora a escala de tempo para essas mudanças seja muito maior do que o tempo desde o Big Bang, ainda pode ocorrer.
Quando os astrônomos perceberam que o Universo estava se acelerando, a sabedoria convencional era que ele se expandiria para sempre. No entanto, até entendermos melhor a natureza da energia escura, outros cenários para o destino do Universo são possíveis. Este diagrama descreve esses possíveis destinos. (NASA/ESA E A. RIESS (STSCI))
Mas a ligação entre toda a matéria e energia do Universo, por um lado, e a expansão do tecido do próprio espaço, por outro, não pode ser negada. Vivemos em um Universo que, nas maiores escalas, é isotrópico, homogêneo e regido pela Relatividade Geral. Em um sentido muito geral, isso significa que há uma conexão entre como o Universo se expande e o que está presente nele.
Se toda a matéria no Universo para de se expandir, se inverte e começa a colapsar em nossa direção, então isso exige que o tecido do espaço também entre em colapso. Realmente está ocorrendo uma corrida cósmica: entre a expansão do Universo e a força da gravidade. No momento, parece que a expansão vai vencer, mas se a energia escura for dinâmica, isso coloca o resultado em dúvida. Se a gravidade acabar vencendo, e o Big Crunch for nosso destino final, alguém, daqui a muito tempo, pode viver para ver todo o shebang recair em um estado singular. Podemos apenas imaginar o que isso pode levar.
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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 .
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