Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Se o universo está se expandindo, nós também estamos expandindo?

O tecido do espaço em expansão significa que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece se afastar de nós. O espaço entre objetos vinculados individualmente certamente está se expandindo; tanto que podemos medir. Mas e os objetos vinculados nesse próprio espaço? (NASA, CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD)

Os átomos, humanos, planetas e galáxias estão destinados a se expandir também?

Uma das descobertas mais revolucionárias do século passado foi o fato de que o Universo não é eternamente estático e imutável, mas está ativamente em processo de expansão. Cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, nos primeiros estágios do quente Big Bang, nosso Universo observável não era maior do que um quarteirão e pode ter sido tão pequeno quanto uma bola de futebol; hoje, estende-se por mais de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. Se o Universo está se expandindo, então o que isso significa para os objetos nele? As galáxias estão se expandindo? E as estrelas, planetas, seres humanos ou até mesmo os próprios átomos? É isso que Harald Hick quer saber, escrevendo para perguntar:

No modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, as passas também se expandem? O que significa que todos os átomos crescem em tamanho à medida que o universo está se expandindo?

É uma pergunta profunda, e sua resposta pode não ser o que você espera. Aqui está como descobrir isso.

Frequentemente visualizamos o espaço como uma grade 3D, mesmo que isso seja uma simplificação excessiva dependente do quadro quando consideramos o conceito de espaço-tempo. Na realidade, o espaço-tempo é curvado pela presença de matéria e energia, e as distâncias não são fixas, mas podem evoluir à medida que o Universo se expande ou se contrai. (REUNMEDIA / STORYBLOCKS)

Quando Einstein apresentou sua nova teoria da relatividade, ela mudou para sempre a forma como pensamos no espaço e no tempo. O espaço não é fixo como uma grade tridimensional, com distâncias universalmente acordadas entre quaisquer dois pontos. O tempo também não é uma entidade que flui continuamente, onde você pode sincronizar seus relógios, mover-se para onde quiser e ter certeza de que seu relógio lê o mesmo que o de qualquer outra pessoa. Em vez disso, experimentamos o espaço e o tempo como relativos: seu movimento no espaço afeta seu movimento no tempo e vice-versa.

Essa foi a ideia central por trás da Relatividade Especial, que nos levou a descartar nossas ideias mais antigas de espaço absoluto e tempo absoluto, substituindo-as pela noção de espaço-tempo. À medida que você se move pelo espaço em relação a outro observador, seus relógios parecem funcionar de forma diferente, de acordo com as leis de Einstein. A Relatividade Especial funciona perfeitamente para todos os observadores, estejam eles em repouso ou em movimento, e representou um enorme salto na compreensão do nosso Universo sobre as leis originais do movimento de Newton.

Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão nas leis da física e nas constantes do Universo, como a velocidade da luz. Um observador estacionário verá o tempo passar normalmente, mas um observador movendo-se rapidamente pelo espaço terá seu relógio mais lento em relação ao observador estacionário. (JOÃO D. NORTON)

Mas essa ideia, por mais brilhante que fosse, não incluía a gravidade. A velha imagem newtoniana da gravidade estava inerentemente ligada a noções absolutas de distâncias e tempos, e era incompatível com a noção de espaço-tempo. Demorou mais de uma década para Einstein trazer a gravidade para a dobra, levando-nos da Relatividade Especial para a Relatividade Geral: incorporando matéria e energia na equação.

Em vez do espaço-tempo plano da Relatividade Especial, a presença de matéria e energia permitiu que o espaço e o tempo fossem entidades dinâmicas. Não mais obrigado a ser estático, o Universo poderia se expandir ou contrair, dependendo do que estava nele. A matéria e a energia diziam ao espaço-tempo como se curvar, e esse espaço-tempo curvo ditava como a matéria e a energia se moveriam.

O comportamento gravitacional da Terra ao redor do Sol não se deve a uma atração gravitacional invisível, mas é melhor descrito pela Terra caindo livremente através do espaço curvo dominado pelo Sol. A distância mais curta entre dois pontos não é uma linha reta, mas sim uma geodésica: uma linha curva que é definida pela deformação gravitacional do espaço-tempo. (LIGO/T. PYLE)

Essa relação, apresentada pela primeira vez há mais de 100 anos, foi testada por um enorme conjunto de experimentos e observações, com a teoria de Einstein superando todos. A Relatividade Geral se aplica não apenas à gravidade que encontramos na Terra e em outras partes do Sistema Solar, mas em vastas escalas cósmicas que superam a nossa: galáxias, aglomerados de galáxias e até mesmo todo o Universo.

Esta última parte é particularmente fascinante: se pegarmos um Universo que é (em média) uniformemente preenchido com matéria e/ou energia – incluindo uma combinação de diferentes formas de matéria e/ou energia – esse Universo deve expandir ou contrair. Ele não pode permanecer em um estado estático por mais de um instante, mesmo que comece em um. Em 1922, Alexander Friedmann demonstrou isso, derivando da teoria de Einstein as equações de Friedmann: as equações que governam a expansão do Universo.

Uma foto do autor na hiperparede da American Astronomical Society, junto com a primeira equação de Friedmann (na forma moderna) à direita. A energia escura pode ser tratada como uma forma de energia com densidade de energia constante ou como uma constante cosmológica, mas existe no lado direito da equação. (INSTITUTO PERIMETER / HARLEY THRONSON / E. SIEGEL)

No ano seguinte, Edwin Hubble mediu a distância até Andrômeda, determinando que essa nebulosa espiral era de fato sua própria galáxia muito além e fora da Via Láctea. Subsequentemente, medimos distâncias para um grande número de galáxias, ao mesmo tempo em que obtivemos independentemente medições da luz proveniente delas. O que encontramos, quase universalmente, foi o seguinte.

Quanto mais distante uma galáxia estava, mais vermelha era sua luz.
Que isso era verdade, embora as estrelas dentro das galáxias mais distantes fossem, em média, intrinsecamente mais azuis do que as estrelas que vimos nas galáxias próximas.
A explicação para isso era consistente com a ideia de que a luz – emitida por galáxias com as mesmas frequências e comprimentos de onda que a luz é emitida aqui em nossa própria galáxia – estava sendo desviada para o vermelho pela expansão do Universo.

Explicações alternativas, como luz cansada, discordaram das observações, deixando apenas as explicações que incluíam o Universo em expansão como viáveis. Quando tomados em conjunto, não havia como escapar dessa conclusão: o próprio Universo estava se expandindo, e essa expansão foi responsável pelo desvio para o vermelho observado da luz que se originou de longe.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)

Embora muitas concepções populares mostrem o Universo em expansão como um balão, essa analogia tem suas falhas. Por um lado, nosso Universo tem três dimensões de espaço (e uma de tempo, formando um espaço-tempo de quatro dimensões), não duas. Um balão tem um centro significativo onde colocar ar nele faz com que a superfície bidimensional se expanda. Ao contrário, nosso Universo não tem um centro bem definido, mas, de acordo com a relatividade de Einstein, depende do observador.

Em vez disso, talvez a melhor analogia seja uma bola de massa fermentada com passas: pão de passas. Se você imaginasse essa bola de massa como o tecido do espaço (nosso tridimensional) e as passas como objetos dentro dele, você poderia identificar qualquer passa como você mesmo: o observador. Da sua perspectiva, as passas parecem se afastar de você, com as passas mais distantes parecendo recuar mais rápida e severamente do que as mais próximas. Na realidade, as passas em si não estão se movendo em relação ao espaço que ocupam, mas o espaço entre essas passas está se expandindo, fazendo com que sua luz emitida se desvie para o vermelho antes de chegar aos nossos olhos.

O modelo de pão de passas do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Observe que as passas em si não estão se expandindo, apenas a massa está. No entanto, as passas individuais parecerão se afastar de todas as outras passas, dependendo da distância entre elas. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Mas e os objetos que as próprias passas representam? O espaço que está dentro deles também se expande? Podemos fazer um cálculo para determinar como seria essa expansão.

A taxa de expansão do Universo, tal como a medimos (mesmo com o nosso atuais controvérsias em curso ), está em torno de 70 km/s/Mpc, o que significa que para cada Megaparsec de distância de uma passa, veremos que ela parece retroceder a 70 km/s. Infelizmente, os Megaparsecs são enormes: cerca de 3,3 milhões de anos-luz. Se reduzíssemos isso ao tamanho do planeta Terra – que tem mais de 12.700 km de tamanho – esperaríamos ver a Terra se expandindo em cerca de 0,1 milímetros por segundo. Com o tempo, isso aumentaria significativamente e perceberíamos.

Nossas medições detalhadas mostram que, pelo menos na Terra, os objetos não estão se expandindo. Mesmo com a enorme escala do Universo e o tamanho relativamente pequeno do planeta e dos objetos nele, é possível fazer experimentos para dizer. Os detectores de ondas gravitacionais LIGO são sensíveis a mudanças na distância tão pequenas quanto menos de 0,1% da largura de um próton. Experimentos de mecânica quântica podem medir as propriedades dos átomos com precisão de 1 parte em bilhões, e medições precisas de décadas ou mesmo um século de diferença podem ser comparadas. A resposta está dentro, e nós sabemos: nem a Terra nem os átomos nela estão mudando dessa maneira ao longo do tempo.

Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, situado em Cascina, perto de Pisa (Itália). O Virgo é um interferômetro gigante a laser Michelson com braços de 3 km de comprimento e complementa os detectores gêmeos LIGO de 4 km. Se a Terra estivesse mudando de tamanho devido à expansão do Universo, esses detectores de ondas gravitacionais teriam visto. (NICOLA BALDOCCHI / COLABORAÇÃO VIRGEM)

Isso é esperado se você pensar sobre o que o Universo em expansão está trabalhando contra: forças reais. Por um lado, temos as forças entre os objetos: a força eletromagnética, gravitacional ou qualquer outra força fundamental que você gostaria de considerar. Se o Universo não estivesse se expandindo, você seria capaz de calcular o tamanho de qualquer coisa – átomos, a Terra, a galáxia, um grupo/aglomerado de galáxias etc. – apenas entendendo as forças físicas em jogo e a dinâmica das partículas/objetos envolvidos.

Nesses sistemas, e de fato em algum sistema ligado (independentemente da força que o liga), as forças envolvidas causam dinâmicas que são maiores em magnitude do que o Universo em expansão pode causar. É uma excelente aproximação para afirmar o que você ouvirá frequentemente os físicos dizerem: que é apenas o espaço entre objetos ligados que se expande. Para os próprios objetos vinculados, as forças em jogo superam a dinâmica do Universo em expansão, e a expansão é superada.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Mesmo que o Universo esteja se expandindo, os objetos individuais ligados a ele não se expandem mais. Seus tamanhos, no entanto, podem ser impactados pela expansão; não sabemos ao certo. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)

Mas isso não significa que o Universo em expansão não esteja desempenhando nenhum papel. Se considerarmos uma massa pontual em um Universo vazio e não em expansão, ele se comportaria como um buraco negro sem carga e sem rotação: um buraco negro de Schwarzschild. Haveria um horizonte de eventos de raio fixo: o raio de Schwarzschild, que é determinado unicamente por sua massa. Mas se você colocar um ingrediente adicional – como um pouco de energia escura (ou uma constante cosmológica), uma das formas de energia presentes em nosso universo realista – as coisas mudam de uma maneira leve, mas importante .

Esse empurrão para fora faz com que o Universo fora do horizonte de eventos se expanda, mas também faz com que a localização do horizonte de eventos seja empurrada um pouco para fora de onde estaria em um Universo vazio. A diferença é extremamente pequena, imperceptível com valores realistas para as energias e massas encontradas em nosso Universo, mas ilustra um ponto: a expansão do Universo afeta os objetos dentro dele, mas o faz alterando o valor de seu tamanho de equilíbrio , não fazendo com que eles se expandam.

Tanto dentro quanto fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. Colocar um buraco negro em um espaço-tempo que está se expandindo não faz com que o horizonte de eventos se expanda, mas simplesmente empurra seu horizonte para um raio um pouco maior. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

Ainda não sabemos se o espaço que está aqui na Terra – do espaço em nossos átomos ao espaço ao redor de nosso planeta e ao espaço em toda a nossa galáxia – está afetando os valores de equilíbrio do tamanho dos objetos dentro dele. Medimos os objetos como eles são, e quaisquer diferenças que possam surgir da expansão do Universo não afetam o que medimos com a precisão com que somos capazes de medi-los. Os efeitos do Universo em expansão só começam a aparecer no que você pode considerar uma zona de transição: na periferia de estruturas que estão muito próximas da fronteira de ser ligado versus não ligado.

Mas podemos ter certeza de que átomos, humanos, planetas, estrelas e galáxias não estão se expandindo junto com a expansão do Universo. O único efeito que o Universo em expansão (ou contração) pode ter em estruturas já ligadas é mudar ligeiramente seus tamanhos: aumentando (ou diminuindo) o efeito adicional introduzido pela expansão do espaço. Como a astrofísica Katie Mack tão lindamente colocá-lo :