Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Existe um centro do Universo?

O Universo parece aproximadamente o mesmo em todas as direções, mas as galáxias distantes parecem mais jovens e menos evoluídas do que as mais próximas. Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley e M. Rutkowski (Universidade Estadual do Arizona, Tempe), R. O'Connell (Universidade da Virgínia), P. McCarthy (Observatórios Carnegie), N. Hathi (Universidade da Califórnia, Riverside), R. Ryan (Universidade da Califórnia, Davis), H. Yan (Universidade Estadual de Ohio) e A. Koekemoer (Instituto de Ciências do Telescópio Espacial).

Se o Big Bang aconteceu e tudo está se afastando de nós, onde está o centro?

Quero ficar o mais próximo possível da borda sem passar por cima. Lá fora, você vê todos os tipos de coisas que não pode ver do centro.
– Kurt Vonnegut

Nosso Universo começou a partir de um Big Bang, mas isso não significa que o imaginamos corretamente. A maioria de nós pensa nisso como uma explosão: onde tudo começou quente e denso ao mesmo tempo, depois se expandiu e esfriou à medida que os diferentes fragmentos se afastavam uns dos outros. Mas, por mais tentadora que seja essa imagem, ela não é nada correta. Isso levou Jasper Evers a fazer uma pergunta muito boa:

Estou me perguntando como não há um centro do universo e como a radiação cósmica de fundo está [igualmente] distante em todos os lugares que olhamos. Parece-me que quando o universo se expande... deve haver um lugar onde ele começou a se expandir.

Vamos pensar por um momento sobre a física de uma explosão e como seria o nosso Universo se começasse de uma.

Os primeiros estágios da explosão do teste nuclear Trinity, apenas 16 milissegundos após a detonação. O topo da bola de fogo tem 200 metros de altura. Crédito da imagem: Berlyn Brixner, de 16 de julho de 1945.

Uma explosão começa em um ponto e se expande rapidamente. O material que se move mais rapidamente se move para fora mais rapidamente e, portanto, se espalha mais rapidamente. Quanto mais longe você estiver do centro da explosão, menos material chegará até você. A densidade de energia diminui com o passar do tempo em todos os lugares, mas diminui mais rápido mais longe da explosão, porque o material energético é mais esparso na periferia. Não importa onde você esteja, você sempre poderá – supondo que não esteja destruído – reconstruir o centro da explosão.

A estrutura em grande escala do Universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as primeiras estrelas e galáxias, depois se fundem para formar as grandes e modernas galáxias que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um Universo mais jovem, como a nossa região local foi no passado. Crédito da imagem: Chris Blake e Sam Moorfield.

Mas este não é o Universo que vemos. O Universo parece o mesmo em distâncias grandes e curtas: as mesmas densidades, as mesmas energias, a mesma contagem de galáxias, etc. Os objetos distantes, se afastando de nós em velocidades maiores, não parecem ter a mesma idade que os objetos mais próximos de nós que se movem em velocidades mais lentas; parecem mais jovens. Não há menos objetos a grandes distâncias, mas mais deles. E se dermos uma olhada em como tudo está se movendo no Universo, descobrimos que, apesar do fato de podermos ver por dezenas de bilhões de anos-luz, o centro reconstruído pousa bem sobre nós.

O superaglomerado Laniakea, com a posição da Via Láctea mostrada em vermelho, é apenas um bilionésimo do volume do Universo observável. Se o Universo começasse com uma explosão, a Via Láctea estaria quase no centro exato. Crédito da imagem: Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71–73 (2014).

Isso significa que nós, de todos os trilhões de galáxias no Universo, estávamos no centro do Big Bang? E que o 'bang' inicial foi configurado exatamente dessa maneira - com densidades irregulares e não homogêneas, energias, 'horários de início' e um misterioso brilho de 2,7 K - para conspirar para que estejamos no centro? Que Universo pouco generoso seria se assim fosse: configurar-se dessa maneira incrivelmente irreal no início.

Uma explosão no espaço faria com que o material mais externo se afastasse mais rápido, o que significa que ficaria menos denso, perderia energia mais rapidamente e exibiria propriedades diferentes à medida que você se afastasse do centro. Também precisaria se expandir em algo, em vez de esticar o próprio espaço. Nosso universo não suporta isso. Crédito da imagem: ESO.

Em vez disso, o que a Relatividade Geral prevê não é uma explosão , mas um expansão . Um Universo que começa a partir de um estado quente e denso tem seu próprio tecido expandido. Há um equívoco de que isso teria começado a partir de um único ponto; não é assim! Em vez disso, há uma região que tem essas propriedades – cheia de matéria, energia, etc. – e então o Universo evolui sob as leis da gravidade.

Tem propriedades semelhantes em todos os lugares, incluindo densidade, temperatura, número de galáxias, etc. Se observássemos, no entanto, o que veríamos seria evidência de um Universo em evolução. Como o Big Bang aconteceu em todos os lugares ao mesmo tempo há um tempo finito em uma região do espaço, e essa região é tudo o que é observável para nós, quando olhamos do nosso ponto de vista, estamos vendo uma região do espaço que não é tão diferente da nossa própria posição no passado.

Olhar para grandes distâncias cósmicas é como olhar para trás no tempo. Estamos 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang onde estamos, mas o Big Bang também ocorreu em todos os outros lugares que podemos ver. O tempo de viagem da luz para essas galáxias significa que estamos vendo essas regiões distantes como eram no passado. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI), via http://www.spacetelescope.org/images/heic0805c/ .

Galáxias cuja luz levou um bilhão de anos para chegar aqui aparecem como eram há um bilhão de anos; galáxias cuja luz levou dez bilhões de anos para chegar aqui aparecem como eram há dez bilhões de anos! 13,8 bilhões de anos atrás, o Universo era dominado pela radiação, não pela matéria, e quando o Universo formou átomos neutros, essa radiação ainda persiste, tendo sido resfriada e desviada para o vermelho devido à expansão do Universo. O que percebemos como o Fundo de Microondas Cósmica não é apenas o brilho remanescente do Big Bang, mas essa radiação é observável de qualquer local do Universo.

Apenas algumas centenas de µK – algumas partes em 100.000 – separam as regiões mais quentes das mais frias quando olhamos para o Fundo de Microondas Cósmica. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration, via http://crd-legacy.lbl.gov/~borrill/cmb/planck/217poster.html .

Não há necessariamente um centro no Universo; o que chamamos de região do espaço onde ocorreu o Big Bang pode ser infinito. Se existe um centro, pode estar literalmente em qualquer lugar e não saberíamos; a parte do Universo que podemos observar é insuficiente para revelar essa informação. Precisaríamos ver uma borda, uma anisotropia fundamental (onde diferentes direções parecem diferentes) em temperaturas e contagens de galáxias, e nosso Universo, nas maiores escalas, realmente parece o mesmo em todos os lugares e em todas as direções.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Crédito da imagem: usuário da Wikipédia Pablo Carlos Budassi.

Não há um lugar onde o Universo começou a se expandir por causa do Big Bang; há um momento em que o Universo começou a se expandir. É isso que o Big Bang é: uma condição que afeta todo o Universo observável em um momento específico. É por isso que olhar para distâncias maiores em todas as direções significa olhar para trás no tempo. É por isso que todas as direções parecem ter propriedades aproximadamente uniformes. E é por isso que nossa história da evolução cósmica pode ser rastreada até onde nossos observatórios podem ver.

Galáxias semelhantes à Via Láctea como eram em épocas anteriores – e distâncias maiores – no Universo. Crédito da imagem: NASA, ESA, P. van Dokkum (Universidade de Yale), S. Patel (Universidade de Leiden) e Equipe 3D-HST.

Talvez o Universo tenha uma forma finita e um tamanho finito, mas se tiver, essa informação é inacessível para nós. A porção do Universo observável para nós é finita e essa informação não está contida nela. Se você pensa no Universo como um balão, um pedaço de pão ou qualquer outra analogia que goste, lembre-se de que você só consegue acessar uma pequena parte do Universo real; o que é observável para nós é apenas um limite inferior do que está lá fora. Pode ser finito, pode ser infinito, mas o que temos certeza é que está se expandindo, está ficando menos denso, e quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo conseguimos ver. Como astrofísica Katie Mack diz: