Onde está o verdadeiro centro do Universo?
Tudo o que observamos além do nosso Grupo Local está se afastando de nós, de forma omnidirecional. Se o Universo está em expansão, onde está o centro?- Se medissemos a velocidade de recessão e a distância de cada galáxia no Universo, poderíamos rastrear tudo até um único ponto e descobrir, talvez surpreendentemente, que esse ponto não está centrado em nós.
- No entanto, esse ponto, a vários milhões de anos-luz de distância, não tem qualquer significado especial e não pode ser considerado corretamente como o centro do Universo de qualquer forma significativa.
- Isso porque aquilo que convencionalmente chamamos de Big Bang não ocorreu num único ponto do espaço, mas sim há muito tempo e em todos os lugares ao mesmo tempo: num determinado momento no tempo. Veja como pensar corretamente sobre o “centro” do Universo.
Não importa em que direção olhemos, ou a que distância os nossos telescópios e instrumentos são capazes de ver, o Universo parece praticamente o mesmo em grandes escalas cósmicas. O número de galáxias, os tipos de galáxias que estão presentes, as populações de estrelas que existem dentro delas, as densidades da matéria normal e da matéria escura, e até mesmo a temperatura da radiação que vemos são todos uniformes: independente da direção que olhe para dentro. Nas maiores escalas cósmicas de todas, em escalas de vários bilhões de anos-luz cúbicos, a diferença média entre quaisquer duas regiões é de apenas 0,003%: cerca de 1 parte em 30.000.
As maiores diferenças que vemos, na verdade, não são função da direção para a qual olhamos, mas sim da distância que olhamos. Quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo vemos o Universo e maior é a quantidade de luz desses objetos distantes que é deslocada para comprimentos de onda mais longos. Muitas pessoas, ao ouvirem isso, ficam com uma imagem específica na cabeça: quanto maior o deslocamento da luz, mais rápido esses objetos se afastam de nós. Portanto, se olharmos em todas as direções e reconstruirmos, “em que ponto, no espaço, veríamos todas as direções retrocedendo igualmente?” você poderia localizar o centro do Universo.
E podemos fazer esse exercício se quisermos, mas não é ao “centro do Universo” que chegamos. Aqui está o que realmente está acontecendo com o nosso melhor conhecimento científico sobre o centro do Universo.
Um objeto que se move próximo à velocidade da luz e que emite luz fará com que a luz que ele emite pareça deslocada dependendo da localização do observador. Alguém à esquerda verá a fonte se afastando dela e, portanto, a luz será desviada para o vermelho; alguém à direita da fonte verá o desvio para o azul, ou deslocado para frequências mais altas, à medida que a fonte se move em sua direção.A maioria de nós entende, intuitivamente, que quando os objetos se movem em sua direção, as ondas que eles emitem parecem comprimidas, com suas cristas e depressões mais próximas umas das outras. Da mesma forma, quando se afastam de você, as ondas parecem o oposto de comprimidas - rarefeitas - com suas cristas e depressões mais distantes umas das outras do que se estivessem estacionárias. Embora normalmente experimentemos isso com sons, já que você pode dizer se um caminhão de bombeiros, um carro de polícia ou um carrinho de sorvete está se movendo em sua direção ou para longe de você, dependendo de sua inclinação, isso é verdade para qualquer onda, incluindo a luz. Referimo-nos a esta mudança das ondas baseada no movimento como o efeito Doppler , em homenagem seu descobridor .
Só que, quando se trata de luz, uma mudança no comprimento de onda não corresponde a tons mais altos ou mais baixos, mas a energias mais altas ou mais baixas. Para luz:
- comprimentos de onda mais longos significam frequências mais baixas, energias mais baixas e cores mais vermelhas,
- enquanto comprimentos de onda mais curtos significam frequências mais altas, energias mais altas e cores mais azuis.
Para qualquer objeto individual que medimos, devido à natureza da matéria no Universo, haverá átomos e íons presentes que reconhecemos. Todos os átomos e íons emitem e/ou absorvem luz apenas em determinados comprimentos de onda; se pudermos identificar quais átomos estão presentes e pudermos medir uma mudança sistemática nessas linhas espectrais, poderemos calcular quão desviada para o vermelho ou para o azul a luz realmente é.
Como foi observado pela primeira vez por Vesto Slipher na década de 1910, alguns dos objetos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de determinados átomos, íons ou moléculas, mas com uma mudança sistemática em direção à extremidade vermelha ou azul da luz. espectro. Quando combinados com medições de distância para esses objetos, estes dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será a sua luz desviada para o vermelho aos nossos olhos e instrumentos.O que descobrimos, quando fazemos isso, é algo bastante notável. Para os objetos mais próximos, vemos tanto desvios para o vermelho como desvios para o azul, correspondendo a velocidades que variam entre algumas centenas e alguns milhares de quilómetros por segundo. Galáxias como a Via Láctea, que não estão fortemente ligadas a grupos grandes e massivos ou aglomerados de galáxias, normalmente atingem velocidades mais baixas, enquanto galáxias próximas ao centro de aglomerados grandes e massivos podem atingir velocidades de até ~ 1-2% A velocidade da luz.
À medida que olhamos para mais longe, para objetos a distâncias maiores, ainda vemos a mesma distância — as velocidades inferidas entre as galáxias que vemos variam de centenas a milhares de km/s — mas tudo muda para cores mais vermelhas, dependendo da distância que nos separam. .
As observações são muito claras: quanto mais longe um objeto está de nós, em média, maior é o desvio para o vermelho observado. Mas será que isso acontece porque o objeto está realmente se movendo através do espaço, em relação a nós, quando emite a luz e quando absorvemos e medimos a luz? Ou será porque há uma expansão global a acontecer nas escalas cósmicas, fazendo com que a luz continue a mudar durante a sua longa viagem através do espaço que nos separa daquilo que tentamos observar?
Sempre que uma galáxia emite luz, a luz que eventualmente é vista pelo observador que a recebe terá um conjunto de propriedades e comprimentos de onda diferentes daqueles de quando a luz foi emitida pela primeira vez, devido a duas propriedades: o movimento relativo da fonte de luz em relação ao observador, bem como a expansão do Universo que ocorre entre a fonte e o observador. Quanto maior a distância até a galáxia, maior será o desvio para o vermelho observado e também maior será a dilatação do tempo observada, pois o sinal que o observador recebe também será “esticado” ao longo do tempo.Embora o primeiro cenário seja fácil de entender – os objetos existem no espaço e se movem através dele – o segundo requer um pouco de explicação. Na Relatividade Geral de Einstein, o espaço não é simplesmente um “fundo” estático através do qual as partículas e outros objetos se movem, mas sim parte de um tecido, juntamente com o tempo, que evolui dependendo da matéria e da energia presentes nele. Uma grande massa num local específico fará com que o tecido se curve em torno desse local, obrigando cada quantum nesse espaço a viajar não em linha reta, mas sim ao longo de um caminho determinado pela curvatura do espaço. A curvatura da luz das estrelas em torno do Sol durante um eclipse solar total, por exemplo, foi o primeiro teste definitivo que mostrou que a gravidade obedece às previsões de Einstein, em conflito com as da antiga teoria da gravitação universal de Newton.
Outra coisa que a Relatividade Geral dita é que se você tiver um Universo uniformemente preenchido com matéria e/ou energia, esse Universo não poderá manter um espaço-tempo estático e imutável. Todas essas soluções são imediatamente instáveis e o seu Universo deve expandir-se ou contrair-se. À medida que este espaço-tempo evolui, a luz dentro dele também evolui:
- com seu comprimento de onda diminuindo à medida que a estrutura do espaço se contrai,
- ou com seu comprimento de onda aumentando à medida que a estrutura do espaço se expande.
À medida que a luz viaja através do Universo, os efeitos da evolução do espaço ficam impressos nas próprias propriedades da luz que eventualmente chegará aos nossos olhos.
Quando a luz é emitida por uma fonte, ela tem um comprimento de onda específico. Quanto mais tempo ela deve viajar através do Universo em expansão antes de ser absorvida por um observador, maior será o desvio para o vermelho do comprimento de onda dessa luz, ou esticado para valores mais longos, em comparação com o comprimento de onda que ela tinha quando foi emitida.Em princípio, ambos os efeitos estão ocorrendo. A própria estrutura do espaço está a evoluir, fazendo com que a luz que viaja dentro dele se desloque sistematicamente, e as galáxias e outros objetos emissores de luz no Universo também se movem através desse espaço em evolução, levando a mudanças dependentes do movimento.
Não há como saber, a partir dos primeiros princípios, qual deles causaria o efeito primário que nosso Universo estaria experimentando. Matematicamente, você pode ter múltiplas soluções para a mesma equação, e as equações da Relatividade Geral não são exceção a essa regra. O Universo – observado cheio de “coisas” – poderia estar se expandindo ou se contraindo. Sobreposta a essa mudança cosmológica, esperaríamos encontrar o que chamamos velocidades peculiares , ou como as coisas dentro desse Universo se movem devido a efeitos como as forças gravitacionais de todas as outras fontes de matéria e energia no Universo.
Qualquer mudança que observarmos para um determinado objeto único será uma combinação de todos esses efeitos juntos. Sempre que simplesmente medimos como a luz de um objeto é deslocada, não podemos saber qual componente é cosmológico e qual componente é não-cosmológico. Mas ao observar um grande número de objetos a muitas distâncias, podemos descobrir, a partir das tendências globais e médias, como o Universo está a evoluir como um todo.
O gráfico original de Edwin Hubble das distâncias das galáxias versus desvio para o vermelho (esquerda), estabelecendo o Universo em expansão, versus uma contraparte mais moderna de aproximadamente 70 anos depois (direita). Muitas classes diferentes de objetos e medições são usadas para determinar a relação entre a distância a um objeto e a sua velocidade aparente de recessão, que inferimos a partir do desvio para o vermelho relativo da sua luz em relação a nós. Como você pode ver, desde o Universo muito próximo (canto inferior esquerdo) até locais distantes a mais de um bilhão de anos-luz de distância (canto superior direito), esta relação muito consistente entre desvio para o vermelho e distância continua a ser válida.Como observado pela primeira vez no final da década de 1920, as evidências não apenas apontam para um Universo que está se expandindo, mas a forma prevista como o Universo está se expandindo espetacularmente concorda com as previsões da Relatividade Geral para um Universo uniformemente preenchido com vários tipos de matéria. e energia. Depois de saber do que é feito o seu Universo e como ele está se expandindo hoje, As equações da Relatividade Geral são completamente preditivas : podemos descobrir como era o Universo, em termos de tamanho, distância de separação e sua taxa de expansão instantânea, em cada ponto do seu passado, e como será em cada ponto do nosso futuro.
Se é isso que está acontecendo, entretanto, então o Universo em expansão não se parece em nada com uma explosão, que teve como ponto de origem que tudo - como estilhaços - voa para fora em velocidades variadas. Em vez disso, o Universo em expansão é mais como um pedaço de massa fermentada com passas por toda parte. Se você é um objeto gravitacionalmente ligado, como uma galáxia, você é uma das passas, enquanto o próprio espaço é a massa. À medida que a massa fermenta, as passas individuais parecem afastar-se umas das outras, mas as passas em si não se movem “através” da massa. Cada passa se vê relativamente estacionária, mas cada outra passa que ela vê parecerá se afastar dela, com as passas mais distantes parecendo se afastar mais rapidamente.
Assim como as passas dentro de uma bola de massa fermentada parecerão recuar umas das outras à medida que a massa se expande, também as galáxias dentro do Universo se expandirão para longe umas das outras à medida que a própria estrutura do espaço se expandir. O facto de todos os métodos de medição do Universo em expansão não fornecerem a mesma taxa de expansão é problemático e pode apontar para um problema na forma como modelamos actualmente a expansão do Universo.Então, como sabemos o tamanho dessa “bola de massa”, onde estamos localizados dentro dela e onde está seu centro?
Esta só seria uma questão respondível se pudéssemos ver para além do limite da “massa”, o que não podemos. Na verdade, até aos limites extremos da parte do Universo que podemos observar, o Universo ainda é perfeitamente uniforme dentro da mesma 1 parte em 30.000, em todo o lado. O nosso Big Bang, que ocorreu há 13,8 mil milhões de anos, significa que podemos ver um máximo de cerca de 46 mil milhões de anos-luz em todas as direções e, mesmo nesse limite distante, ainda é notavelmente uniforme. Isto não impõe restrições a:
- quão grande pode ser a “bola de massa” que representa o nosso Universo,
- quão grande é o Universo inobservável além do nosso limite de visibilidade,
- qual é a topologia e a conectividade do Universo inobservável,
- e quais são as “formas” permitidas para os limites do nosso Universo,
onde a última inclui as subquestões sobre se o nosso Universo tem um centro (ou não), se é finito (ou não) e qual é a nossa localização em relação a qualquer estrutura maior que o Universo possa ter. Tudo o que podemos concluir é que o Universo parece perfeitamente consistente com a Relatividade Geral, e que, tal como qualquer passa individual dentro da massa que não consegue ver para além da borda da própria massa, qualquer observador poderia reivindicar igualmente o óbvio (mas conclusão incorreta que você tiraria se visse tudo se afastando de você: “Estou no centro exato ou muito próximo dele”.
O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente há mais Universo inobservável como o nosso além disso. É injusto associar qualquer ponto específico ao centro, pois o que percebemos é determinado pela quantidade de tempo que passou desde que a luz observada hoje foi emitida, e não pela geometria do Universo.Só que não é correto dizer “estamos no centro”. A única coisa privilegiada na nossa localização no espaço é que os objetos que vemos próximos são os objetos mais antigos e evoluídos que podemos ver hoje, sendo os objetos mais distantes os mais jovens. A taxa de expansão nas proximidades é menor, atualmente, do que a taxa de expansão que vemos em distâncias maiores. E a luz dos objetos mais próximos é menos desviada para o vermelho, e os seus deslocamentos são menos dominados pela componente cosmológica do desvio para o vermelho, do que os objetos mais distantes.
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!Isso porque os objetos que existem em todo o Universo não podem enviar sinais que viajem mais rápido que a luz, e que a luz que observamos deles, hoje, corresponde à luz que está chegando agora, mas deve ter sido emitida há algum tempo. . Quando olhamos para trás no espaço, também olhamos para trás no tempo, vendo objetos:
- como eram no passado,
- quando eram mais jovens e mais próximos (no tempo) do Big Bang,
- quando o Universo era mais quente, mais denso e se expandia mais rapidamente,
- e, para que essa luz chegasse aos nossos olhos, ela teve que ser esticada para comprimentos de onda mais longos durante toda a sua jornada.
Há, no entanto, uma coisa que podemos observar se quisermos saber onde, da nossa perspectiva, todas as direções realmente pareciam tão perfeitamente uniformes quanto possível: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é a radiação restante do Big Bang.
Embora a radiação cósmica de fundo tenha a mesma temperatura aproximada (2,7255 K) em todas as direções, existem desvios de 1 parte em 800 (3,36 milikelvin mais quente ou mais frio) em uma direção específica: consistente com este ser o nosso movimento através do Universo. A 1 parte em 800 da magnitude geral da amplitude do próprio CMB, isso corresponde a um movimento de cerca de 1 parte em 800 da velocidade da luz, ou ~368 km/s da perspectiva do Sol.Em todos os locais do espaço, vemos um banho uniforme de radiação precisamente a 2,7255 K. Existem variações nessa temperatura, dependendo da direção que olhamos, na ordem de algumas dezenas a talvez algumas centenas de microkelvin: correspondendo a essas 1 parte -em 30.000 imperfeições. Mas também vemos que uma direção parece um pouco mais quente que a direção oposta: o que observamos como um dipolo na radiação cósmica de fundo em micro-ondas .
O que poderia porque este dipolo , que na verdade é bastante grande: cerca de ±3,4 milikelvin, ou cerca de 1 parte em 800?
A explicação mais simples é, voltando ao início da nossa discussão, o nosso movimento real através do Universo. Na verdade, existe um referencial de repouso para o Universo, se você estiver disposto a considerar, “neste local, devo estar me movendo a esta velocidade específica para que o fundo de radiação que vejo seja realmente uniforme”. Estamos perto da velocidade certa para a nossa localização, mas estamos um pouco errados: esta anisotropia dipolo corresponde a uma velocidade, ou uma velocidade peculiar, de cerca de 368 ± 2 km/s. Se nos “aumentássemos” nessa velocidade precisa ou mantivessemos o nosso movimento atual, mas mudássemos a nossa posição para cerca de 17 milhões de anos-luz de distância, na verdade pareceríamos estar num ponto que seria indistinguível de uma definição ingênua do Centro do Universo: em repouso em relação à expansão cosmológica geral observada.
Os movimentos de galáxias próximas e aglomerados de galáxias (conforme mostrado pelas “linhas” ao longo das quais suas velocidades fluem) são mapeados com o campo de massa próximo. As maiores sobredensidades (em vermelho/amarelo) e subdensidades (em preto/azul) surgiram de diferenças gravitacionais muito pequenas no Universo primordial. Nas proximidades das regiões mais densas, galáxias individuais podem mover-se com velocidades peculiares de muitos milhares de quilómetros por segundo, induzindo essa velocidade peculiar um dipolo aparente no céu de micro-ondas do observador. A melhor explicação para o quadro de repouso próximo observado tanto da CMB quanto da expansão cósmica, centrado em nossa localização, é atribuir esse fenômeno ao nosso movimento local (peculiar) observado através do Universo.Isso está incrivelmente perto! Afinal, podemos ver cerca de 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções, e 17 milhões de anos-luz estão a apenas 0,037% do raio do Universo de distância de nós. Mas a verdade mais sóbria não é que estejamos perto do centro, mas que qualquer observador em qualquer galáxia concluiria que eles também estão no (ou muito perto) do centro. Não importa onde você esteja no Universo, você existirá neste momento específico: um determinado período de tempo finito após o Big Bang. Tudo o que você vê aparece como era quando a luz foi emitida, com a luz que chega sendo alterada pelos movimentos relativos do que você está observando em relação a você e também pela expansão do Universo.
Dependendo de onde você morava, você poderia ver um dipolo em sua radiação cósmica de fundo em micro-ondas correspondente a um movimento de centenas ou até milhares de km/s em uma direção específica, mas uma vez que você considerasse essa peça do quebra-cabeça, você teria um Universo que se parecia exatamente com a nossa perspectiva: uniforme, nas maiores escalas, em todas as direções.
O Universo está centrado em nós no sentido de que a quantidade de tempo que passou desde o Big Bang e as distâncias que podemos observar são finitas. A parte do Universo que podemos acessar é provavelmente apenas um pequeno componente do que realmente existe lá fora. O Universo poderia ser grande, poderia girar sobre si mesmo ou poderia ser infinito; nós não sabemos. O que temos certeza é que o Universo está se expandindo, a radiação que o atravessa está sendo esticada para comprimentos de onda mais longos, está ficando menos denso e que objetos mais distantes aparecem como eram no passado. É uma questão profunda perguntar onde está o centro do Universo, mas a resposta real - que não há centro – é talvez a conclusão mais profunda de todas.
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