Se o Universo está se expandindo, por que as galáxias ainda estão se fundindo?
Crédito da imagem: Tony Hallas, http://astrophoto.com/.
A maior batalha cósmica – entre gravidade e expansão – vem acontecendo há bilhões de anos. Quem ganhará?
Podemos lamber a gravidade, mas às vezes a papelada é esmagadora .
-Wernher von Braun
Quando você olha para o Universo além da nossa galáxia, não é difícil descobrir que a Via Láctea não está sozinha, mas é uma das muitas centenas de bilhões por aí. E quando passamos a pesquisar o Universo, descobrimos que essas galáxias não são nem uniformemente distribuídos por todo o espaço, nem são aleatoriamente localizados, mas sim agrupados e agrupados.
Aqui em nosso próprio cantinho do Universo, temos nosso grupo local, dominado por Andrômeda e pela Via Láctea, com talvez 40 ou mais galáxias menores e alguns milhares de aglomerados globulares todos unidos. Eventualmente, em algum ponto alguns bilhões de anos no futuro, nossa galáxia se fundirá com Andrômeda, e algumas dezenas de bilhões de anos depois disso, o último dos remanescentes remanescentes também será canibalizado. O resultado final será uma única galáxia elíptica gigante feita de todos os membros do nosso grupo local atualmente unidos.
Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas e A. Mellinger.
Outros lugares no espaço terão seus próprios destinos futuros: os próximos (e comparáveis aos nossos, em termos de massa) Grupo M81 vai formar sua própria galáxia elíptica gigante com uma massa de cerca de um trilhão de sóis, enquanto os mais distantes Aglomerado de Virgem - contendo mais de 1.000 grandes galáxias - acabará por formar uma galáxia elíptica gigante de mais de um quatrilhão vezes a massa do nosso Sol.
No entanto, os mais maciços desses aglomerados, geralmente conectados de forma tênue uns aos outros apenas por pequenos grupos ou galáxias individuais entre eles e separados por enormes vazios, são não espera-se que se fundam e formem superestruturas ultramassivas muito maiores do que isso.
Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey, da IC 1101, a maior galáxia individual conhecida no Universo.
Por que isso não vai acontecer? Por que o grupo M81 relativamente próximo – apenas 11 milhões de anos-luz (ou mais) distante – não se funde conosco? Por que o enorme Aglomerado de Virgem, a cerca de 50 a 60 milhões de anos-luz de distância, não nos puxa para ele? E por que os aglomerados e superaglomerados ainda mais massivos do Universo não se fundem?
Afinal, a gravidade pode ser a mais fraca das quatro forças fundamentais, mas é sempre atraente , e com cerca de 10^80 prótons, nêutrons e elétrons no Universo (para não mencionar a matéria escura), a gravidade não eventualmente fazer com que toda essa matéria se acelere uma em direção à outra?
Acredite ou não, a resposta é não , e para realmente entender o porquê, temos que voltar até o Big Bang!
Crédito da imagem: wiseGEEK, via http://www.wisegeek.com/what-are-the-four-fundamental-forces-of-nature.htm#slideshow .
Veja bem, se você imaginar como o Universo é hoje – com galáxias separadas por milhões de anos-luz e com a complexa estrutura semelhante a uma teia que temos atualmente – você deve perceber que não era sempre Por aqui. No passado, comparado a hoje, o Universo era:
- mais uniforme e menos grumoso,
- mais denso,
- mais quente, e
- Expandindo mais rapidamente do que é hoje!
É algo fácil de esquecer, mas se voltarmos cerca de 13,8 bilhões de anos, não havia estrelas ou galáxias no Universo; estava simplesmente cheio de matéria e radiação, e se expandindo muito rapidamente.
Agora, você pode imaginar que se o Universo começou a expandir mas estava cheio de matéria e energia – que é o que a Teoria do Big Bang nos diz – que você terá duas coisas diferentes lutando uma contra a outra. Por um lado, há a expansão inicial, fazendo com que toda a matéria e radiação recuem de todas as outras matérias e radiação, acelerando como passas em um pão assando.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP, via http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_exp.html .
Mas, por outro lado, há gravitação, atraindo toda essa matéria e radiação (e qualquer outra coisa com energia) em direção um outro.
Nesta grande batalha cósmica entre acelerar para o isolamento e atrair juntos, qual deles vencerá? Acredite ou não, em vários níveis, tudo ganha e tudo perde .
Crédito da imagem: via Shutterstock. com .
Existem regiões do espaço onde a densidade é apenas levemente acima da média para começar, e devido à natureza da gravidade, essas regiões atraem preferencialmente cada vez mais matéria para elas. Com o tempo, estrelas, galáxias e (na maior dessas superdensidades) aglomerados de galáxias se formam, roubando matéria e energia das proximidades. sob regiões densas.
As maiores superdensidades no menor escalas podem começar a formar estrelas em apenas dezenas de milhões de anos, enquanto superdensidades menores e escalas maiores levam mais tempo. Se escalarmos a expansão do Universo e apenas rastrearmos a densidade, veremos que, com o tempo, uma estrutura semelhante a uma teia começa a se formar.
E em pequenas escalas, você tem lugares onde a gravidade vence, derrotando a expansão inicial e levando a galáxias, grupos e aglomerados de galáxias, alguns contendo a massa de muitos milhares de galáxias do tamanho da Via Láctea.
Mas em escalas maiores, simplesmente não há superdensidades grandes o suficiente para derrotar a expansão do Universo, particularmente uma vez que jogamos energia escura na mistura.
Crédito da imagem: original via NASA, esta imagem recortada da publicação Pearson / Addison-Wesley.
A descoberta da energia escura em nosso Universo nos diz que quaisquer estruturas que ainda não estejam gravitacionalmente unidas agora Nunca será; eles continuarão a se expandir. Mas só porque a gravidade já venceu em uma região do espaço não significa que tudo já se fundiu e atingiu seu estado final!
Em nosso grupo local, ainda existem dezenas de galáxias que estão gravitacionalmente ligadas a nós, mas até que colidam e se fundam, permanecerão galáxias separadas. Em uma estrutura maior e mais difusa como o aglomerado de Virgem, pode levar algo em torno de 40 bilhões de anos – várias vezes a idade atual do Universo – para que todas as galáxias nele contidas se fundam. E à medida que olhamos cada vez mais longe, estamos olhando de volta no tempo , em fusões que aconteceram quando o Universo era mais jovem (e as fusões eram mais comuns).
O universo é ainda em expansão, não se engane sobre isso, e entendendo nosso Universo, incluindo matéria normal, matéria escura e energia escura, podemos dizer com incrível precisão quais estruturas estão ligadas umas às outras e quais não estão ligadas. Mas isso não significa que as fusões estão concluídas; dependendo da distribuição em massa dessas estruturas gravitacionalmente ligadas, as fusões devem continuar acontecendo por bilhões ou - para as maiores - muitas dezenas de bilhões de anos.
Em pequenas escalas, a gravidade vencerá, enquanto nas maiores, a expansão vencerá. O destino futuro distante de tudo será um aglomerado isolado de matéria onde a gravidade venceu localmente , enquanto todo o resto recua para o infinito com a expansão implacável do Universo. Mas o processo de fusão não é instantâneo; leva tempo para ser concluído, e não passou o suficiente desde que nosso Universo surgiu. Enquanto isso, temos fusões acontecendo agora em todos os lugares que olhamos, e algumas incríveis em nosso próprio futuro chegando!
Para Natalie Roy , que fez esta pergunta maravilhosa.
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