Começa Com Um Estrondo

Nenhuma galáxia realmente desaparecerá, mesmo em um universo com energia escura

O Hubble eXtreme Deep Field (XDF) pode ter observado uma região do céu apenas 1/32.000.000 do total, mas foi capaz de descobrir 5.500 galáxias dentro dele: cerca de 10% do número total de galáxias realmente contidas neste fatia estilo lápis-feixe. Os 90% restantes das galáxias são muito fracos ou muito vermelhos ou muito obscurecidos para o Hubble revelar. Com o passar do tempo, o número total de galáxias nesta região aumentará de ~ 55.000 até aproximadamente ~ 130.000 à medida que mais do Universo for revelado. (EQUIPES HUDF09 E HXDF12 / E. SIEGEL (PROCESSAMENTO))

Com o passar do tempo, todas as galáxias além do nosso grupo local se afastarão de nós cada vez mais rápido. E, no entanto, mais continuarão aparecendo.

Quanto mais distante uma galáxia está de nós neste Universo em expansão, mais rápido ela parece se afastar de nós. Com o passar do tempo, cada uma dessas galáxias individuais se afastará progressivamente e parecerá se afastar em velocidades cada vez maiores. Para simplificar, o Universo não está apenas se expandindo, mas a expansão está acelerando ao longo do tempo. Nas últimas duas décadas, tornou-se bastante claro que uma nova forma de energia – energia escura – não está apenas impulsionando essa expansão acelerada, mas é a forma dominante de energia em nosso Universo .

E, no entanto, apesar de tudo isso, existem mais galáxias que podemos observar hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang quente, do que em qualquer ponto anterior de nossa história cósmica. Ainda mais intrigante: com o passar do tempo, o número de galáxias potencialmente observáveis aumentará, mais do que dobrando à medida que o relógio cosmológico continua passando. Mesmo que recuem cada vez mais rápido, nem uma única galáxia desaparecerá completamente de nossa visão. Aqui está a ciência intrigante de como isso acontece.

Olhando para trás através do tempo cósmico no Hubble Ultra Deep Field, o ALMA detectou a presença de gás monóxido de carbono. Isso permitiu que os astrônomos criassem uma imagem 3-D do potencial de formação de estrelas do cosmos. Galáxias ricas em gás são mostradas em laranja. Você pode ver claramente, com base nesta imagem, como o ALMA pode detectar características em galáxias que o Hubble não consegue, e como galáxias que podem ser totalmente invisíveis para o Hubble podem ser vistas pelo ALMA. Todas essas galáxias, e mais outras, sempre serão visíveis para nós, arbitrariamente em um futuro distante. (R. DECARLI (MPIA); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

O Universo, desde os primeiros momentos do quente Big Bang, esteve envolvido em uma tremenda corrida cósmica. Por um lado, você tem a taxa de expansão inicial: afastando rapidamente quaisquer dois pontos separados no espaço ao longo do tempo. Por outro lado está a incrível força da gravitação, atraindo todas as formas de matéria e energia umas para as outras e competindo contra a expansão inicial. Você pode imaginar, com base nessa configuração, três resultados possíveis.

A expansão inicial é grande demais para a matéria e energia que temos, e o Universo continua se expandindo para sempre.
Há muita matéria e energia para a taxa de expansão inicial, e o Universo se expande até um tamanho máximo e depois se contrai, eventualmente entrando em colapso em um Big Crunch.
Ou o Universo existe bem na fronteira entre esses dois cenários, onde a taxa de expansão chega a zero, mas nunca volta a entrar em colapso.

Por gerações, buscamos medir quais dessas possibilidades correspondiam ao nosso Universo. Quando as observações finalmente chegaram, chocaram a todos nós.

Os destinos esperados do Universo (três ilustrações principais) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia combinadas lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. Há um aparente problema de ajuste fino aqui, mas pode haver uma causa física subjacente. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Em vez de qualquer um desses três cenários, porém, o Universo faz algo diferente. Nos primeiros bilhões de anos, parece que a taxa de expansão e a densidade de matéria e energia se equilibram quase perfeitamente, à medida que a taxa de expansão cai e cai enquanto a densidade cai também, indo em direção ao estado em que a taxa de expansão assíntota a zero. .

Galáxias distantes parecem se afastar de nós cada vez mais devagar, mesmo quando alcançam distâncias cada vez maiores. E à medida que a taxa de expansão cai, galáxias ultradistantes – galáxias cuja luz vem fluindo em nossa direção há bilhões de anos – começam a nos alcançar, revelando sua existência aos nossos olhos.

E então, cerca de 6 bilhões de anos atrás, essas galáxias ultradistantes de repente parecem se afastar de nós em uma taxa mais rápida e acelerada. De repente, a presença da energia escura é revelada.

Como a matéria (em cima), a radiação (no meio) e uma constante cosmológica (em baixo) evoluem com o tempo em um Universo em expansão. À medida que o Universo se expande, a densidade da matéria se dilui, mas a radiação também se torna mais fria à medida que seus comprimentos de onda se estendem para estados mais longos e menos energéticos. A densidade da energia escura, por outro lado, permanecerá realmente constante se se comportar como se pensa atualmente: como uma forma de energia intrínseca ao próprio espaço. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

A razão pela qual é bastante simples. À medida que o Universo se expande, seu volume aumenta, mas o número de partículas dentro dele permanece o mesmo. Com o passar do tempo, a densidade da matéria cai proporcionalmente à escala do Universo ao cubo: a distância de separação entre quaisquer dois pontos à terceira potência. A radiação cai ainda mais severamente (até a quarta potência), uma vez que o número de partículas não apenas se dilui, mas o Universo em expansão também estica o comprimento de onda dessa radiação.

Mas se houver uma quantidade diferente de zero de energia inerente ao próprio espaço, a densidade de energia não diminui, mesmo que o Universo se expanda. Em vez disso, a densidade de energia escura permanece constante, o que significa que, à medida que a densidade de matéria e radiação cai em quantidades suficientemente grandes, a energia escura se torna mais importante. Até os dias atuais, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, tornou-se a forma dominante de energia no Universo.

Vários componentes e contribuintes para a densidade de energia do Universo e quando eles podem dominar. Observe que a radiação é dominante sobre a matéria por aproximadamente os primeiros 9.000 anos, mas continua sendo um componente importante, em relação à matéria, até que o Universo tenha muitas centenas de milhões de anos, suprimindo assim o crescimento gravitacional da estrutura. A energia escura, nos últimos tempos, torna-se a única entidade que importa. Cordas cósmicas e paredes de domínio, por mais interessantes que sejam do ponto de vista teórico, não parecem existir neste Universo. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

O que isso significa para a expansão do Universo?

Uma série de coisas importantes que não são todas intuitivas, mas se tornam verdadeiras quando você aplica a matemática do Universo em expansão ao cosmos físico que observamos. Aqui estão alguns destaques.

O Universo, hoje, se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções, o que significa que a luz emitida no instante do Big Bang chegaria até nós, hoje, e seu ponto de origem está agora a 46,1 bilhões de anos-luz de nós no Universo em expansão.
Qualquer objeto além de uma certa distância se afasta de nós tão rapidamente que, mesmo que partíssemos hoje em uma nave imaginária que viajasse à velocidade da luz, não conseguiríamos alcançá-lo.
Essa distância, quando você faz as contas de como o Universo se expande, significa que cerca de 94% de todas as galáxias contidas no Universo observável já são inalcançáveis, não importa o que façamos.

O tamanho do nosso Universo visível (amarelo), juntamente com a quantidade que podemos alcançar (magenta). O limite do Universo visível é de 46,1 bilhões de anos-luz, pois esse é o limite de quão longe um objeto que emitiu luz que chegaria até nós hoje estaria depois de se expandir para longe de nós por 13,8 bilhões de anos. No entanto, além de cerca de 18 bilhões de anos-luz, nunca podemos acessar uma galáxia, mesmo que viajemos em direção a ela na velocidade da luz. (E. SIEGEL, COM BASE NO TRABALHO DOS USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL)

Com certeza faz parecer que o universo está desaparecendo , não é? Com o passar do tempo, galáxias individuais que estão unidas em aglomerados e grupos – como estamos ligados a Andrômeda, Triângulo e cerca de 60 outras galáxias menores – permanecerão ligadas a esses aglomerados individuais, mas esses aglomerados separados e independentes afastam-se um do outro, cada vez mais rápido, à medida que o Universo evolui. Em mais 100 bilhões de anos, não seremos capazes de alcançar uma única galáxia além do nosso Grupo Local.

E, no entanto, o número de galáxias que podemos ver, hoje, é o maior de todos os tempos, e esse número só continuará a aumentar com o passar do tempo. A razão para isso é contra-intuitiva, a menos que você tenha trabalhado com a Relatividade Geral no contexto do Universo em expansão por um longo tempo. À medida que a luz se propaga através do Universo, mesmo que o Universo se expanda com o tempo, a luz que foi emitida de cada vez mais longe, eventualmente, alcança.

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)

Hoje, a luz que está chegando após uma jornada de 13,8 bilhões de anos tem as seguintes propriedades.

Quando essa luz foi emitida há muito tempo, o Universo era muito menor e aquele objeto distante que emitiu essa luz estava muito, muito mais próximo de nós do que 13,8 bilhões de anos-luz.
À medida que o Universo se expandiu ao longo de sua história, a luz se propagou através do Universo em expansão, viajando um total de 13,8 bilhões de anos-luz se viajasse na velocidade da luz por 13,8 bilhões de anos.
E hoje, se colocarmos um ponto imaginário na coordenada de onde a luz foi emitida, estaria agora a 46,1 bilhões de anos-luz de distância.

Imagine que fizéssemos esta pergunta: quantas galáxias são atualmente visíveis para nós, se tivéssemos um telescópio arbitrariamente grande, poderoso e penetrante de poeira? Pela primeira vez, podemos responder que, através de uma combinação de observações e da teoria cosmológica da formação da estrutura: 2 trilhões de galáxias estão contidas em nosso Universo observável.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Observe que estamos limitados em quão longe podemos ver pela quantidade de tempo que ocorreu desde o Big Bang quente: 13,8 bilhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 bilhões de anos-luz. Qualquer um que viva em nosso Universo, em qualquer local, veria quase exatamente a mesma coisa de seu ponto de vista. (USUÁRIO DA WIKIPEDIA PABLO CARLOS BUDASSI)

E, no entanto, o que acontecerá com o número de galáxias que podemos ver potencialmente, com o passar do tempo? Veremos mais galáxias? Menos galáxias? Ou o mesmo número de galáxias?

Para responder a isso, precisamos entender como a luz viaja através do Universo em expansão. Mesmo quando a expansão do Universo acelera e as galáxias distantes parecem se afastar de nós cada vez mais rápido com o passar do tempo, o horizonte cósmico sempre aumenta de tamanho. Desde que o Big Bang ocorreu pela primeira vez, a luz de distâncias cada vez maiores chegou a qualquer ponto do Universo. Hoje, podemos ver a luz que viaja há 13,8 bilhões de anos (ou menos) no Universo, levando-nos a um horizonte cósmico a 46,1 bilhões de anos-luz de distância.

Mas com o passar do tempo, seremos capazes de ver a luz que requer períodos mais longos para ver: 13,9 bilhões, 15 bilhões ou até 100 bilhões de anos para chegar. Com o passar do tempo, galáxias que atualmente são invisíveis para nós, um dia aparecerão.

No Universo distante, uma galáxia é criada e emite luz. Essa luz não é visível para nós instantaneamente, mas apenas após um determinado período de tempo: o tempo que leva para essa galáxia distante chegar aos nossos olhos no contexto do Universo em expansão, com base em sua distância original inicial de nós. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

Porque entendemos como a energia escura impulsiona a expansão do Universo – sabemos do que o Universo é feito e como a história da expansão evoluirá com o tempo – podemos calcular o quanto o Universo se tornará observável para nós. Hoje, corresponde a qualquer objeto dentro de 61,3 bilhões de anos-luz de nós: cerca de 33% mais longe do que podemos ver atualmente. À medida que a história do Universo continua a se desenrolar, e permitimos que o tempo prossiga infinitamente no futuro, todas as galáxias que estão lá fora, atualmente além do nosso horizonte visível, eventualmente se revelarão a nós.

Em termos de volume, isso corresponde a 135% a mais do Universo, além do que podemos observar atualmente. Se tivermos um total de 2 trilhões de galáxias visíveis para nós hoje, então em um futuro distante, se formos bons o suficiente em coletar luz desses objetos ultradistantes e ultra tênues, teremos um total de 4,7 trilhões galáxias para estudar: mais que o dobro do que temos hoje.

Hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, podemos ver qualquer objeto contido em um raio de 46 bilhões de anos-luz de nós, já que a luz nos alcançou dessa distância desde o Big Bang. No futuro distante, no entanto, poderemos ver objetos atualmente tão distantes quanto 61 bilhões de anos-luz, representando um aumento de 135% no volume do espaço que poderemos observar. (FRÉDÉRIC MICHEL E ANDREW Z. COLVIN, ANOTADO POR E. SIEGEL)

Hoje, atualmente, existem aproximadamente 2 trilhões de galáxias contidas em nosso Universo observável. Apenas cerca de 6% deles são acessíveis por nós, o que significa que os outros 94% sempre aparecerão como eram no passado; nunca os veremos como existem 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, pois essa luz nunca nos alcançará. Mas com o passar do tempo, ainda mais galáxias serão reveladas , embora só as vejamos em sua infância cósmica, elevando o número total de galáxias observáveis para cerca de 4,7 trilhões: mais que o dobro do número atual.

Todas essas galáxias já estiveram extremamente próximas de nós, e sua luz acabará por chegar aos nossos olhos, mesmo que o Universo se expanda para todo o sempre. Há um limite para o que um dia poderemos ver, mas ainda não o alcançamos. Além disso, nada realmente desaparecerá; os fótons chegarão com menos frequência e com menos energia. Se soubermos o que estamos procurando, o Universo de um futuro distante não apenas permanecerá observável, mas seremos capazes de ver mais do que nunca.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .