Edwin Hubble e um telescópio realmente grande: como nasceu a cosmologia
É uma história com começos nebulosos e sem fim discernível.
- A cosmologia moderna, o estudo do universo e sua história, é um grande triunfo científico, uma combinação espetacular de teoria e observação.
- A disponibilidade de poderosos telescópios permitiu a Edwin Hubble mostrar que a Via Láctea é uma entre muitas galáxias lá fora, e que as galáxias estão se afastando umas das outras.
- A descoberta da expansão cósmica deixou claro que o Universo tem uma história com um começo nebuloso e sem fim óbvio. Nas próximas semanas, exploraremos os principais sucessos e os muitos mistérios que permanecem em nossa narrativa da história cósmica.
O Universo só tem história porque estamos aqui para contá-la.
Claro, a história cósmica começou bem antes de nossos ancestrais caminharem sobre a Terra. Se comprimirmos os 13,8 bilhões de anos do Universo em um único período de 24 horas, Um homem sábio chega cerca de 1,88 segundos antes da meia-noite, 300.000 anos atrás. Mas o Universo que existia antes de nossas histórias era mudo. Ele seguiu sua evolução desde o Big Bang sem criaturas capazes de reconstruir como a matéria primordial se transformou em estrelas e planetas. E mesmo que existam outras inteligências capazes e interessadas em contar a história cósmica, elas o farão à sua maneira. A história cósmica deles não será como a nossa .
Durante o século 20, a cosmologia moderna emergiu da matemática especulativa para florescer em uma ciência rica em dados. Essa revolução em nossa compreensão do Universo envolveu uma combinação de extraordinários avanços teóricos e tecnológicos. Não é nada menos que espetacular. Os espelhos que captam a luz em telescópios ópticos cresceram. Do telescópio de 100 polegadas (2,54 metros) no Monte Wilson - aquele que Edwin Hubble usou para descobrir a expansão do Universo em 1929 - passamos a usar gigantes como o Grande Telescópio Sul-Africano de 36 pés. Muitos alunos de Dartmouth, a universidade onde trabalho, estão lá agora, aprendendo e explorando o Cosmos.
Telescópios gigantes ainda maiores estão prestes a começar a operar, como o Extremely Large Telescope, ou ELT, localizado no deserto de Atacama, no Chile. O ELT tem um espelho com um diâmetro de 128 pés, e é apenas um dos muitos tais telescópios. O ELT coletará 100 milhões de vezes mais luz do que o olho humano e possui uma cúpula que pesa 6.000 toneladas.
Não satisfeitos com nossos telescópios terrestres, agora lançamos nossos olhos perscrutadores ao espaço, com telescópios montados em observatórios de satélites como o telescópio espacial Hubble , em funcionamento desde 1990, e, claro, o incrível Telescópio Espacial James Webb , lançado no ano passado. Adicione a esses telescópios terrestres e espaciais outros que procuram luz que não é visível ao olho humano - do rádio ao micro-ondas, ao infravermelho, aos raios gama e até ondas gravitacionais - e nossa visão do Cosmos é multiplicada por mil. .
Quanto mais aprendemos sobre o Universo, mais estranho e fascinante ele se torna. Nossa narrativa moderna da criação – pois é disso que trata a cosmologia – é um conto da matéria crescendo em complexidade de seus componentes mais simples, as partículas elementares, em átomos, estrelas, galáxias, planetas e vida. Cada nova descoberta traz novas perguntas, criando emoção e drama sem fim. Como a ciência é um flerte com o desconhecido, geralmente não podemos prever o que encontraremos à medida que expandimos nossa visão do Universo. Como chegamos a contar a história da história cósmica não é, em si, uma história simples. Não se move em linha reta de A a B. É uma história cheia de surpresas e questões em aberto, algumas delas levando a ciência aos seus limites e além. É uma história com um começo nebuloso e emocionante que permanece sem fim, pois nunca podemos ter certeza do que não sabemos.
A descoberta da expansão cósmica
Em 1924, Hubble, um astrônomo americano, usou o telescópio no topo do Monte Wilson, na Califórnia, para responder a uma pergunta que gerou um debate acalorado entre os astrônomos: a Via Láctea é a única galáxia no Universo ou existem muitas outras por aí? Acredite ou não, foi apenas naquele ano que confirmamos a existência de muitas galáxias espalhadas pelo espaço. Até então, as nebulosas borradas detectadas pelos telescópios eram todas consideradas partes da Via Láctea. O Hubble mostrou que muitos eram “universos insulares” próprios, conglomerados de estrelas fora dos limites de nossa galáxia. De repente, o Universo cresceu em tamanho e em possibilidades.
Em 1929, Hubble anunciou sua segunda descoberta chocante. Ele descobriu que as galáxias não estão apenas lá fora, mas que estão se afastando umas das outras. Além disso, usando seus dados esparsos e algumas aproximações, Hubble concluiu que as galáxias se afastavam umas das outras com velocidades proporcionais à sua distância. Uma galáxia duas vezes mais distante da nossa se afastaria de nós duas vezes mais rápido. Isso ficou conhecido como o expansão do universo . A partir daí, o Universo ganhou uma história. Tornou-se uma entidade existente não apenas no espaço, mas também no tempo. Pois se as galáxias estavam se afastando, isso significa que elas estiveram mais próximas no passado. Se levarmos essa imagem ao limite, houve um tempo distante em que todos eles estavam espremidos em uma região muito pequena do espaço. Esse tempo, por extrapolação, foi o começo da história cósmica, o momento no tempo que mais tarde ficou conhecido como o Big Bang , onde o raciocínio científico, como veremos, torna-se obscuro.
Hubble faz sua lei cosmológica
Para concluir que o Universo está se expandindo, o Hubble precisava de dois números: a distância das galáxias próximas e sua velocidade de recuo. A aquisição de ambos levou o poder de observação ao limite. Para obter a distância, o Hubble primeiro tentou encontrar tipos especiais de estrelas nas galáxias conhecidas como variáveis cefeidas . São estrelas que pulsam periodicamente, variando de diâmetro e temperatura. Eles são o que os astrônomos chamam de velas padrão – objetos que têm propriedades muito regulares e podem, portanto, ser usados para calibrar distâncias. Por exemplo, se você alinhasse as mesmas lanternas ao longo de um campo aberto, poderia usar o fato de que o brilho cai com o quadrado da distância para medir a distância de cada lanterna. Hubble encontrou algumas Cefeidas em diferentes galáxias para estimar a distância a essas galáxias. Movendo-se para galáxias mais distantes, ele procurou as estrelas mais brilhantes em cada uma e assumiu que elas tinham o mesmo brilho intrínseco. As aproximações de Hubble foram tão corajosas quanto brilhantes.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraPara estimar a velocidade da recessão, o Hubble usou o efeito Doppler, que é familiar para a maioria das pessoas devido ao seu efeito nas ondas sonoras. Quando uma fonte como uma sirene ou uma buzina se aproxima, ouvimos o tom, ou frequência, aumentando. Quando eles se afastam, o tom diminui. Assim, a frequência das ondas sonoras aumenta e diminui à medida que a fonte se aproxima e depois se distancia. O mesmo acontece com as ondas de luz. Uma fonte de luz que se aproxima muda para frequências mais altas, em direção ao extremo azul do espectro, enquanto uma fonte que se afasta muda para frequências mais baixas, em direção ao vermelho. Isso é conhecido na astronomia como redshift . Hubble notou que enquanto algumas galáxias estavam se aproximando de nós, como nossa gigante vizinha Andrômeda, a maioria estava se afastando da Via Láctea.
Com a distância e a velocidade, Hubble pôde estimar a taxa na qual a expansão estava acontecendo, que ele escreveu como o que hoje chamamos de lei de Hubble : V = HD, onde V é a velocidade de recuo da galáxia, D a distância e H a taxa, dando-nos dimensões de tempo inverso. (Lembre-se de que velocidade é distância/tempo.) A constante H, agora chamada de Constante de Hubble , é um número essencial na cosmologia. Seu inverso dá uma estimativa da idade do Universo. H é notoriamente difícil de medir e tem sido o centro de muita controvérsia ao longo da história — controvérsia que persiste até hoje, como examinaremos em um artigo posterior.
Todo o espaço se estende
Usando seus dados, Hubble estimou a idade do Universo em cerca de 2 bilhões de anos. Isso era um problema, pois já se sabia naquela época que a Terra era mais velha que isso, e uma filha não pode ser mais velha que a mãe. Essa questão só seria resolvida muitos anos depois, com um telescópio mais potente. Mas o Hubble ajudou a divulgar a narrativa maior. O Universo começou em algum momento no passado e tem se expandido desde então.
Apesar do fato de que os teóricos da década de 1920 já haviam especulado que o Universo estava se expandindo, muitos optaram por não acreditar em nada disso. Os debates foram acirrados. As pessoas estavam (e estão) confusas sobre o que expansão significava. Eles imaginaram o centro do Universo como uma bomba que explodiu em algum ponto, e as galáxias como estilhaços voando para longe daquele ponto.
A verdade, claro, é muito mais interessante. Não houve um ponto no espaço onde o Big Bang aconteceu. A expansão do Universo é um alongamento de todo o espaço, e as galáxias são carregadas em todas as direções como troncos flutuando em um rio. Este é o fluxo cósmico. Existem variações locais, quando a força de atração gravitacional entre as galáxias supera a expansão cósmica, como no caso de Andrômeda. Esta perturbação no fluxo cósmico é conhecida como movimento peculiar . Mas como um todo, o Universo está se expandindo inexoravelmente para fora. Veremos nas próximas semanas, enquanto exploramos a teoria da relatividade de Einstein e suas implicações para nossa compreensão do Universo, que esta é uma história cheia de mistérios não resolvidos.
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