• Começa com um estrondo

Como é se aproximar da borda do Universo?

Com 13,8 bilhões de anos finitos desde o Big Bang, há uma borda para o que podemos ver: o horizonte cósmico. Como é?

Principais conclusões

• Já se passaram 13,8 bilhões de anos desde o início do quente Big Bang e, em nosso Universo em expansão, isso significa que os objetos mais distantes que podemos ver estão agora a 46,1 bilhões de anos-luz de distância de nós.
• Embora não haja 'borda' no Universo, no sentido de que acreditamos que o espaço vai muito além da região que podemos ver, essa fronteira é o nosso horizonte cósmico: o limite do que podemos acessar.
• Se nos aproximássemos desse limite, o que veríamos e como o Universo pareceria diferente de como o percebemos hoje? É um exercício científico fascinante.

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Apesar de tudo o que aprendemos sobre o nosso Universo, existem muitas questões existenciais que permanecem sem resposta. Não sabemos se nosso Universo é finito ou infinito em extensão; sabemos apenas que seu tamanho físico deve ser maior do que a porção que podemos observar. Não sabemos se o nosso Universo abrange tudo o que existe, ou se é apenas um dos muitos Universos que compõem um multiverso. E continuamos ignorantes sobre o que aconteceu nos estágios iniciais de tudo: na primeira minúscula fração de segundo do Big Bang quente, pois não temos as evidências necessárias para tirar uma conclusão robusta.

Mas uma coisa da qual temos certeza é que o Universo tem uma vantagem: não no espaço, mas no tempo. Como o Big Bang quente ocorreu em um tempo conhecido e finito no passado - 13,8 bilhões de anos atrás, com uma incerteza de menos de 1% - há uma 'borda' de quão longe podemos ver. Mesmo na velocidade da luz, o limite máximo da velocidade cósmica, há um limite fundamental para a distância que podemos enxergar. Quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo podemos ver. Aqui está o que vemos quando nos aproximamos da borda do Universo.

Este mapa logarítmico verticalmente orientado do Universo abrange quase 20 ordens de magnitude, levando-nos do planeta Terra até a borda do Universo visível. Cada “marca” grande na barra de escala do lado direito corresponde a um aumento nas escalas de distância por um fator de 10.

Hoje, vemos o Universo como ele existe 13,8 bilhões de anos após o quente Big Bang. A maioria das galáxias que vemos estão agrupadas em grupos galácticos (como o Grupo Local) e ricos aglomerados (como o aglomerado de Virgem), separados por enormes regiões de espaço quase vazio conhecidas como vazios cósmicos. As galáxias dentro desses grupos são uma mistura de espirais e elípticas, onde uma típica galáxia semelhante à Via Láctea forma uma média de cerca de 1 nova estrela semelhante ao Sol por ano.

Além disso, a matéria normal do Universo é composta principalmente de hidrogênio e hélio, mas cerca de 1 a 2% da matéria normal é composta de elementos mais pesados ​​da tabela periódica, permitindo a formação de planetas rochosos como a Terra e complexos, mesmo orgânica, química. Embora haja muita variedade - algumas galáxias estão formando estrelas ativamente, algumas têm buracos negros ativos, algumas não formaram nenhuma nova estrela por bilhões de anos, etc. - as galáxias que vemos são grandes, evoluídas e agrupadas, em média .

A evolução da estrutura em grande escala no Universo, desde um estado inicial uniforme até o Universo agrupado que conhecemos hoje. O tipo e a abundância de matéria escura produziriam um Universo muito diferente se alterássemos o que nosso Universo possui. Observe que, em todos os casos, a estrutura em pequena escala surge antes da estrutura nas maiores escalas, e que mesmo as regiões mais subdensas de todas ainda contêm quantidades de matéria diferentes de zero.

Mas à medida que olhamos cada vez mais longe, começamos a ver como o Universo cresceu para se tornar assim. Ao olharmos para distâncias maiores, descobrimos que o Universo é um pouco menos aglomerado e um pouco mais uniforme, particularmente em escalas maiores. Vemos que as galáxias são menores em massa e menos evoluídas; há mais espirais e menos galáxias elípticas. Em média, há maiores proporções de estrelas mais azuis, e a taxa de formação estelar era maior no passado. Há menos espaço entre as galáxias, em média, mas as massas gerais de grupos e aglomerados são menores em épocas anteriores.

Ele pinta uma imagem de um universo onde as galáxias modernas de hoje foram criadas por galáxias menores e de menor massa que se fundem em escalas de tempo cósmicas, construindo-se para se tornarem os gigantes modernos que vemos ao nosso redor. O Universo, em épocas anteriores, consiste em galáxias que são:

• fisicamente menor,
• menor em massa,
• ainda mais juntos,
• maior em número,
• cor mais azul,
• mais rico em gás,
• com maiores taxas de formação estelar,
• e com menores proporções de elementos mais pesados,

em comparação com as galáxias de hoje.

As galáxias comparáveis ​​à atual Via Láctea são numerosas ao longo do tempo cósmico, tendo crescido em massa e com estrutura mais evoluída atualmente. As galáxias mais jovens são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas, mais ricas em gás e têm densidades mais baixas de elementos pesados ​​do que suas contrapartes modernas, e suas histórias de formação estelar evoluem com o tempo. Isso não foi descoberto ou conhecido até a década de 1960, quando começamos a ver um grande número de galáxias muito mais cedo em nossa história cósmica.

Mas à medida que nos afastamos cada vez mais - para tempos cada vez mais antigos - essa imagem que muda gradualmente começa a se transformar abruptamente. Quando olhamos para uma distância que está atualmente a 19 bilhões de anos-luz de distância, correspondendo a quando apenas ~3 bilhões de anos se passaram desde o Big Bang quente, vemos que a formação estelar do Universo atingiu seu máximo: cerca de 20 a 30 vezes a taxa em que novas estrelas são formadas hoje. Uma enorme fração de buracos negros supermassivos está ativa neste momento, emitindo enormes quantidades de partículas e radiação devido ao consumo de matéria circundante.

Nos últimos cerca de 11 bilhões de anos, a evolução do Universo tem desacelerado. Claro, a gravitação continua a colapsar estruturas, mas a energia escura começa a trabalhar contra ela, chegando a dominar a expansão do Universo há mais de 6 bilhões de anos. Novas estrelas continuam a se formar, mas o pico da formação estelar está em nosso passado distante. E os buracos negros supermassivos continuam a crescer, mas brilhavam mais cedo no início, com uma fração maior deles mais fraca e inativa hoje do que durante esses estágios iniciais.

A história reconstruída da formação estelar do Universo pela colaboração Fermi-LAT, comparada com outros pontos de dados de métodos alternativos em outras partes da literatura. Estamos chegando a um conjunto consistente de resultados em muitos métodos diferentes de medição, e a contribuição de Fermi representa o resultado mais preciso e abrangente dessa história até agora.

À medida que avançamos para distâncias cada vez maiores, mais perto da “borda” definida pelo início do Big Bang quente, começamos a ver mudanças ainda mais significativas. Quando olhamos para distâncias de 19 bilhões de anos-luz, isso corresponde a uma época em que o Universo tinha apenas 3 bilhões de anos, a formação de estrelas estava no auge e o Universo tinha talvez 0,3-0,5% de elementos pesados.

Mas quando nos aproximamos de 27 bilhões de anos-luz de distância, o Universo tinha apenas 1 bilhão de anos. A formação de estrelas foi muito menor, pois novas estrelas se formaram a taxas de aproximadamente um quarto do que elas serão, mais tarde, em seu pico. A porcentagem da matéria normal composta de elementos pesados ​​despenca vertiginosamente: para 0,1% na idade de 1 bilhão de anos e para apenas 0,01% na idade de cerca de 500 milhões de anos. Os planetas rochosos, nesses primeiros ambientes, podem muito bem ter sido impossíveis.

Não apenas a radiação cósmica de fundo era significativamente mais quente - ela estaria no infravermelho em vez de nos comprimentos de onda de micro-ondas - mas todas as galáxias do Universo deveriam ser jovens e cheias de estrelas jovens; provavelmente não há galáxias elípticas tão cedo.

Diagrama esquemático da história do Universo, destacando a reionização. Antes da formação de estrelas ou galáxias, o Universo estava cheio de átomos neutros e bloqueadores de luz que se formaram quando o Universo tinha aproximadamente 380.000 anos de idade. A maior parte do Universo não se torna reionizada até 550 milhões de anos depois, com algumas regiões alcançando a reionização completa mais cedo e outras mais tarde. As primeiras grandes ondas de reionização começam a acontecer por volta de ~200 milhões de anos de idade, enquanto algumas estrelas afortunadas podem se formar apenas 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang. Com as ferramentas certas, como o JWST, estamos começando a revelar galáxias mais distantes do que qualquer outra ferramenta tornou possível anteriormente.

Ir mais longe do que isso realmente empurra os limites de nossa instrumentação atual, mas telescópios como Keck, Spitzer e Hubble começaram a nos levar até lá a partir da década de 1990. Quando voltamos a distâncias de aproximadamente 29 bilhões de anos-luz ou mais – correspondendo a tempos em que o Universo tinha 700-800 milhões de anos – começamos a nos deparar com a primeira “borda” do Universo: a borda da transparência.

Tomamos como certo, hoje, que o espaço é transparente à luz visível, mas isso só é verdade porque não está cheio de material bloqueador de luz, como poeira ou gás neutro. Mas nos primeiros tempos, antes que estrelas suficientes se formassem, o Universo estava cheio de gás neutro e não havia se tornado totalmente ionizado pela radiação ultravioleta dessas estrelas. Como resultado, grande parte da luz que vemos é obscurecida por esses átomos neutros, e é apenas quando estrelas suficientes se formam que o Universo se torna totalmente reionizado.

Em parte, é por isso que os telescópios infravermelhos, como a mais nova missão principal da NASA, o JWST, são tão cruciais para investigar o Universo primitivo: há uma “borda” para onde podemos ver nos comprimentos de onda com os quais estamos familiarizados.

Esta visão JWST de uma parte do Aglomerado de Pandora, Abell 2744, mostra várias galáxias localizadas muito além do próprio aglomerado, muitas das primeiras 1 bilhão de anos da história cósmica. As lentes gravitacionais tornam essas galáxias invisíveis acessíveis ao JWST, e a pesquisa UNCOVER pode muito bem nos dar a visão mais profunda do Universo de todas as propostas aceitas do Ciclo 1 do JWST.

A distâncias de 31 bilhões de anos-luz, correspondendo a um tempo de apenas 550 milhões de anos após o Big Bang, chegamos ao limite do que chamamos de reionização: onde a maior parte do Universo é transparente à luz óptica. A reionização é um processo gradual e ocorre de forma desigual; é como uma parede irregular e porosa de várias maneiras. Alguns lugares veem essa reionização acontecer mais cedo, que é como Hubble avistou sua galáxia mais distante de todos os tempos (a 32 bilhões de anos-luz de distância, apenas 407 milhões de anos após o Big Bang), mas outras regiões permanecem parcialmente neutras até quase um bilhão de anos se passarem.

O JWST agora nos levou ainda mais longe, mostrando-nos galáxias que remontam a 330 milhões de anos após o Big Bang, onde ainda parecem grandes, evoluídas e não são totalmente “imaculadas” em termos dos elementos que estão presentes dentro delas. Ainda deve haver estrelas e galáxias além do que o JWST nos mostrou até agora.

Além desses limites do que nossos telescópios atuais podem ver, no entanto, podemos ainda medem os sinais indiretos que as estrelas se formaram : através da emissão de luz dos próprios átomos de hidrogênio, que só ocorre quando as estrelas se formam, ocorre a ionização e, em seguida, os elétrons livres se recombinam com os núcleos ionizados, emitindo luz em seguida.

Iluminada pelo fundo cósmico de micro-ondas, uma nuvem de gás neutro pode imprimir um sinal nessa radiação em um comprimento de onda e desvio para o vermelho específicos. Se pudermos medir esta luz com grande sensibilidade, podemos realmente esperar um dia mapear as localizações e densidades das nuvens de gás no Universo graças à ciência da astronomia de 21 cm. Uma queda na temperatura de brilho em redshifts de 15-20, observada em 2018, pode ser devido exatamente ao efeito da emissão de 21 cm.

No momento, temos apenas as assinaturas indiretas dessa assinatura do início da formação estelar (embora existam muitos que contestam a validade desse sinal), indicando que galáxias jovens existiam entre 180 e 260 milhões de anos após o Big Bang. Essas protogaláxias formaram estrelas suficientes para que possamos ver os primeiros indícios de sua existência enterrados nos dados, correspondendo a uma distância entre 34 e 36 bilhões de anos-luz de distância. Embora nossos telescópios atuais não tenham visto essas galáxias diretamente, a grande expectativa de muitos astrônomos é que uma longa exposição de campo profundo com o JWST as revelará.

No entanto, provavelmente ainda existem fontes de luz – e as primeiras regiões ionizadas do espaço no Universo – que remontam antes disso. Espera-se que as primeiras estrelas de todas, nas raras regiões que crescem mais rapidamente em densidade de massa, surjam entre 38 e 40 bilhões de anos-luz de distância, correspondendo a tempos de apenas 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang.

Antes disso, o Universo era apenas escuro, cheio de átomos neutros e radiação do brilho remanescente do Big Bang.

Em qualquer época de nossa história cósmica, qualquer observador experimentará um “banho” uniforme de radiação omnidirecional que se originou no Big Bang. Hoje, de nossa perspectiva, está apenas 2,725 K acima do zero absoluto e, portanto, é observado como a radiação cósmica de fundo, com pico nas frequências de micro-ondas. A grandes distâncias cósmicas, quando olhamos para trás no tempo, essa temperatura era mais quente dependendo do desvio para o vermelho do objeto distante observado. À medida que cada novo ano passa, o CMB esfria ainda mais em cerca de 0,2 nanokelvin e, em vários bilhões de anos, ficará tão desviado para o vermelho que possuirá frequências de rádio, em vez de micro-ondas.

Voltando ainda mais longe, esperamos que haja “vantagens” adicionais de interesse. A 44 bilhões de anos-luz de distância, a radiação do Big Bang era tão quente que se torna visível: se um olho humano existisse, seria capaz de ver essa radiação começar a brilhar em vermelho, semelhante a uma superfície incandescente. Isso corresponde a apenas 3 milhões de anos após o Big Bang.

Se voltarmos a 45,4 bilhões de anos-luz de distância, chegaremos a apenas 380.000 anos após o Big Bang, onde fica muito quente para manter átomos neutros de forma estável. É daí que se origina o brilho restante do Big Bang – o fundo cósmico de micro-ondas. Se você já viu aquela famosa foto dos pontos quentes (vermelhos) e frios (azuis) do satélite Planck (abaixo), é aqui que a radiação se origina.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

E antes disso, a 46 bilhões de anos-luz de distância, chegamos aos primeiros estágios de todos: o estado ultra-energético do Big Bang quente, onde os primeiros núcleos atômicos, prótons e nêutrons, e até mesmo as primeiras formas estáveis ​​de matéria foram criada. Nesses estágios, tudo só pode ser descrito como “sopa primordial” cósmica, onde cada partícula e antipartícula existente pode ser criada a partir de energia pura.

Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partícula e antipartícula. À medida que o Universo se expande e esfria, uma quantidade incrível de evolução acontece, mas os neutrinos criados no início permanecerão praticamente inalterados desde 1 segundo após o Big Bang até hoje: a assinatura de partícula mais antiga que pensamos poder observar.

O que está além da fronteira dessa sopa de alta energia, no entanto, permanece um mistério. Não temos evidências diretas do que ocorreu naqueles estágios iniciais, embora muitas das previsões da inflação cósmica foram indiretamente confirmadas . A borda do Universo, como nos parece, é única para nossa perspectiva; podemos ver 13,8 bilhões de anos no tempo em todas as direções, uma situação que depende da localização no espaço-tempo do observador que está olhando para ela.

O Universo tem muitos limites: o limite da transparência, o limite das estrelas e galáxias, o limite dos átomos neutros e o limite do nosso horizonte cósmico do próprio Big Bang. Podemos olhar tão longe quanto nossos telescópios podem nos levar, mas sempre haverá um limite fundamental. Mesmo que o próprio espaço seja infinito, a quantidade de tempo que se passou desde o Big Bang quente não é. Não importa quanto tempo esperemos, sempre haverá uma “borda” que nunca seremos capazes de ver além.

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