• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: As galáxias pareciam maiores no passado?

Quanto mais longe eles chegam, as galáxias distantes menores parecem. Mas só até certo ponto, e além disso, eles parecem maiores novamente. Veja como.

Principais conclusões

• Quanto mais longe um objeto está, menor ele parece aos nossos olhos, pois ocupa um ângulo progressivamente menor no céu quanto mais longe ele está.
• Mas em nosso Universo em expansão, há um limite para isso. Como o Universo era muito menor anteriormente, a partir de certo ponto, objetos de tamanho fixo começam a parecer maiores novamente.
• Por causa de quão bem medimos e entendemos o Universo em expansão, podemos calcular precisamente onde ele está e traduzir 'diâmetro angular' em tamanho real. Os resultados podem te surpreender.

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Sabemos, instintivamente, que quando vemos algo que parece pequeno em nosso campo de visão, existem múltiplas possibilidades. Pode ser um objeto intrinsecamente pequeno que está próximo, um objeto de tamanho médio que está a uma distância intermediária ou um objeto muito grande que está a uma grande distância. É por isso que um pássaro, um avião e a Lua podem parecer ter o mesmo tamanho em nosso campo de visão, ocupando o mesmo ângulo no céu – o que os astrônomos chamam de diâmetro angular – apesar de seus tamanhos intrínsecos muito diferentes. É uma geometria simples: um objeto duas vezes mais distante parece ter metade do tamanho e o tamanho aparente diminui à medida que a distância aumenta.

Mas isso pressupõe que a geometria do Universo é fixa, semelhante a uma grade e euclidiana. Em nosso Universo real em expansão, as coisas não são tão simples, e é por isso que Doug Plata escreve para perguntar sobre como Andrômeda, ou uma galáxia do tamanho de Andrômeda, apareceria para nós se a víssemos em diferentes épocas ao longo da história cósmica:

“[I] se você tivesse uma galáxia que fosse do tamanho exato da Galáxia de Andrômeda, à distância de Andrômeda ela teria a mesma largura de arco que a vemos hoje. Coloque essa mesma galáxia mais longe e ela será menor. Mas, coloque-o nos confins mais distantes do universo e seria próximo ao Big Bang. Sim, o espaço entre as galáxias está se expandindo. Então, se você voltar muito no tempo, as galáxias devem estar mais próximas e, ainda assim, sua proximidade abrangeria todos os 360° do céu. Então, uma galáxia do tamanho de Andrômeda não começaria a se espalhar visualmente e pareceria bem grande?”

Surpreendentemente, a resposta é sim , uma vez que você olha para trás o suficiente, o objeto de mesmo tamanho, depois de diminuir em tamanho angular aparente até um ponto, fica maior novamente. Aqui está a ciência chocante de como.

Mesmo que uma cabeça humana seja muito maior do que a distância entre o polegar e o indicador mostrado aqui, eles parecem ter o mesmo tamanho angular por causa das distâncias relativas da câmera. Este conceito de diâmetro angular se comporta de maneira um tanto contra-intuitiva no Universo em expansão.

Você já segurou dois dedos perto de seus olhos, olhou para alguém próximo e fingiu esmagar suas cabeças? Este jogo, favorito de longa data entre as crianças, só funciona por causa da matemática do tamanho angular.

Ao contrário do tamanho físico, que é o tamanho fixo de um objeto sólido, o tamanho angular de um objeto pode ser alterado ao aproximá-lo ou afastá-lo de você. Uma régua de 30 cm (12″) de comprimento parecerá ter o mesmo comprimento de uma régua de 90 cm (36″) três vezes mais distante, como consequência da perspectiva. Este mesmo conceito se aplica não apenas a qualquer objeto visto aqui na Terra, mas também em qualquer lugar do Universo.

O tamanho angular de qualquer coisa, de governantes a galáxias, depende tanto do tamanho real do objeto quanto de sua distância de nós. Muitas vezes é por isso que, quando medimos objetos localizados muito longe de nós e inferimos sua distância – com base em quão grandes eles parecem ser aos nossos olhos em relação ao seu tamanho intrínseco inferido – chamamos isso de “distância de diâmetro angular”. Objetos, ou coleções de objetos, que podem ser usados ​​para inferir a distância através do cosmos são muitas vezes referidos pelos astrofísicos como “réguas padrão”.

A maneira como a luz do sol se espalha em função da distância significa que quanto mais longe você estiver de uma fonte de energia, a energia que você intercepta cai como um sobre a distância ao quadrado. Isso também ilustra, se você visualizar os quadrados da perspectiva da fonte original, como objetos maiores em distâncias maiores parecerão ocupar o mesmo tamanho angular no céu. Esta relação só é perfeitamente verdadeira em um Universo regido pela geometria euclidiana.

Você pode pensar, de forma bastante ingênua, que o tamanho que você percebe de um objeto dependerá simplesmente de seu tamanho real e de sua distância de você. Se você pegar um objeto como a Lua cheia, que ocupa 0,5° no céu em sua distância atual de aproximadamente 380.000 km, e movê-lo mil, milhões ou até um bilhão de vezes mais longe, ocuparia um milésimo , um milionésimo ou um bilionésimo de seu tamanho angular atual. Essa suposição é razoável, mas é baseada em uma suposição que a maioria de nós faz sem nem mesmo pensar nisso: que nosso Universo obedece às mesmas regras que a geometria euclidiana estabelece.

E isso realmente seria verdade se nosso Universo fosse estático, espacialmente plano e não evoluisse com o tempo!

Mas essa descrição não se encaixa em nosso Universo. Muito pelo contrário, o próprio Universo está se expandindo, e com uma taxa de expansão que muda com o tempo. Se quisermos entender como o que medimos como “tamanho angular” realmente funciona em função da distância, nossas ingênuas aproximações funcionam apenas em pequenas escalas: onde os efeitos da expansão cósmica e sua evolução (porque a taxa de expansão muda com o tempo) podem ser ignorado.

A escala do Universo (eixo y) versus a idade do Universo (eixo x) em escalas logarítmicas. Alguns marcos de tamanho e tempo são marcados, conforme apropriado. A transição entre a radiação e a dominação da matéria é sutil; a transição para a dominação da energia escura é fácil de ver.

Apesar do que muitos afirmam, o próprio Universo está se expandindo, e este é um fato que foi estabelecido observacionalmente na década de 1920: quase 100 anos atrás. No início de nossa história cósmica, a radiação era o fator dominante, e a densidade de energia caía à medida que o volume aumentava e o comprimento de onda dessa radiação era esticado. Eventualmente, a densidade da radiação caiu abaixo da densidade da matéria, e o Universo tornou-se dominado pela matéria, onde a densidade da matéria é afetada apenas pelo volume crescente do Universo. Este foi o caso desde o tempo em que o Universo tinha cerca de 9.000 anos até relativamente recentemente: cerca de 7,8 bilhões de anos após o quente Big Bang.

Então, cerca de 6 bilhões de anos atrás, a densidade da matéria, que vinha caindo proporcionalmente ao aumento do volume do Universo, finalmente caiu abaixo da densidade de energia de um outro componente: a energia escura. Como a energia escura se comporta como se sua densidade de energia fosse constante, mesmo quando o Universo se expande, seus efeitos devem eventualmente dominar os efeitos da matéria. Um amplo conjunto de evidências apóia essa imagem cósmica, mas essa taxa de expansão em constante mudança afeta não apenas o quão distantes vários objetos realmente estão de nós, mas também quão grandes - em termos de tamanho angular - esses objetos parecem ser.

Dois dos métodos mais bem-sucedidos para medir grandes distâncias cósmicas são baseados em seu brilho aparente (à esquerda) ou em seu tamanho angular aparente (à direita), ambos diretamente observáveis. Se pudermos entender as propriedades físicas intrínsecas desses objetos, podemos usá-los como velas padrão (esquerda) ou réguas padrão (direita) para determinar como o Universo se expandiu e, portanto, do que é feito, ao longo de sua história cósmica. A geometria de quão brilhante ou quão grande um objeto aparece não é trivial no Universo em expansão.

Existe uma maneira relativamente fácil de visualizar isso por si mesmo: imagine que o objeto que você está olhando é simplesmente feito de duas luzes, onde uma luz está localizada em cada extremidade de uma haste invisível. Se o Universo que você habita fosse plano e imutável, o ângulo pelo qual você viu essas duas luzes separadas estaria diretamente relacionado à distância entre elas e a sua distância de você. Seria uma geometria euclidiana simples, onde se você dobrasse a distância entre você e as luzes, o tamanho angular pelo qual essas luzes estavam separadas cairia pela metade. Não haveria efeitos além daqueles de geometria simples e como os raios de luz escalam com a distância.

Mas se, em vez disso, você habitasse um Universo que estava evoluindo em forma e tamanho ao longo do tempo — como nosso atual Universo em expansão, que consiste em radiação, matéria e energia escura— você também deve levar em consideração essa evolução de tamanho e forma . Você tem que olhar para os caminhos que os fótons individuais seguem enquanto viajam através de nosso espaço-tempo em evolução, e lembre-se desta peça muito importante do quebra-cabeça: o mesmo objeto de tamanho, bilhões de anos atrás, ocupava uma proporção maior do volume do Universo do que o mesmo objeto ocuparia em momentos posteriores.

Os destinos esperados do Universo (as três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde matéria e energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, até então 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. Observe como em um Universo com energia escura (abaixo), a taxa de expansão faz uma transição difícil de desacelerar para acelerar há cerca de 6 bilhões de anos.

Acontece que o tipo de universo que você tem, determinado por sua taxa de expansão e as quantidades relativas dos diferentes tipos de matéria e energia que possui, pode mudar drasticamente como o tamanho angular aparente de um objeto muda com o tempo.

• Se tudo o que tivéssemos fosse um Universo estático, a escala angular dos objetos pareceria progressivamente menor quanto mais longe você fosse, exatamente da maneira que você ingenuamente esperaria de acordo com a geometria euclidiana: o tamanho aparente é inversamente proporcional à distância.
• Se você tivesse um Universo em expansão, mas vazio, isso corresponderia a um Universo que cresce linearmente com o tempo: onde “metade da idade do Universo atrás” o Universo teria metade do tamanho que tem hoje. À medida que você coloca o mesmo objeto cada vez mais longe, ele se aproxima de um tamanho mínimo, diferente de zero, mas nunca parece encolher para “tamanho zero”, mesmo em distâncias infinitas.
• Se tivéssemos um Universo em expansão com nada além de matéria, a escala angular ficaria progressivamente menor de uma maneira quantitativamente diferente, mas, porque o Universo era menor no passado, atingiria um tamanho angular mínimo quando o Universo tivesse cerca de um terço de sua idade atual. Além disso, como o Universo era menor, mais denso e se expandia mais rapidamente, esse mesmo objeto começaria a parecer maior novamente.
• Mas o que realmente temos é um Universo cheio de energia escura, a escala angular faz algo muito diferente . Quanto mais longe você olha, o objeto de mesmo tamanho parece cada vez menor, mas apenas até um ponto que corresponde a uma era anterior: quando o Universo tinha apenas cerca de um quarto de sua idade atual.

Além de um certo ponto crítico, em um Universo com matéria ou uma mistura de matéria e energia escura dentro dele, um objeto realmente começará a parecer maior novamente.

Esta pequena região da pesquisa JADES mostra uma mistura de galáxias: algumas relativamente próximas, grandes, altamente evoluídas e massivas; outros que estão em distâncias intermediárias e têm uma mistura de estrelas jovens e velhas, e um grande número de galáxias muito distantes ou mesmo ultra-distantes que são fracas, fortemente avermelhadas e potencialmente dos primeiros 5% de nossa órbita cósmica. história. Nesta pequena região, o poder do JWST e a evolução da escala angular do Universo estão em plena exibição.

Você pode pensar, quando olha para uma visão de campo profundo do Universo (como a imagem de campo profundo acima do JWST), que as menores galáxias também seriam as mais distantes. Que se você tivesse uma galáxia do mesmo tamanho que a nossa Via Láctea — cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro — quanto mais distante ela estiver de nós, menor ela pareceria.

Acontece que isso é verdade, mas apenas até certo ponto: um ponto que muitas das galáxias JWST acima vão muito além. Em nosso Universo dominado pela energia escura, a Via Láctea ocuparia um pouco mais de 2 graus no céu se você a colocasse na mesma distância que a galáxia de Andrômeda: cerca de 2,5 milhões de anos-luz. Quanto mais longe chegasse, menor pareceria, até um tamanho mínimo de apenas 3,6 segundos de arco, ou cerca de 0,001 graus.

Esse tamanho angular mínimo corresponde a uma distância de cerca de 14,6 bilhões de anos-luz: uma distância grande, com certeza. Isso corresponde, em nosso Universo em expansão, a um objeto cuja luz é desviada para o vermelho por um fator de cerca de 1,5, ou luz cujo comprimento de onda é esticado para ser ~ 150% maior do que quando foi emitido. Mas nosso Universo observável vai além disso: cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, e as galáxias mais distantes vistas, até o momento, têm sua luz desviada para o vermelho por um fator de 13,2, ou esticada para ser ~ 1320% maior do que quando foi emitido pela primeira vez.

Esta imagem rotacionada e anotada da pesquisa JADES, o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, mostra o novo detentor do recorde cósmico para a galáxia mais distante: JADES-GS-z13-0, cuja luz chega até nós a partir de um desvio para o vermelho de z = 13,2 e uma época em que o Universo tinha apenas 320 milhões de anos. Esta galáxia parece cerca de duas vezes maior, em termos de diâmetro angular, do que pareceria se estivesse a metade da distância: uma consequência contra-intuitiva do nosso Universo em expansão.

Podemos escolher pensar sobre o Universo da mesma forma que os astrônomos: observar que o céu, não importa o quanto olhemos para trás, sempre tem o mesmo número de graus quadrados para cobri-lo de nossa perspectiva. Embora o número de graus quadrados sempre permaneça constante (em torno de 40.000), os tamanhos físicos a que essas escalas angulares correspondem realmente mudam com a distância.

Uma escala angular tipicamente pequena é um segundo de arco (1″), que é 1/3600 de um grau. Um segundo de arco representa a separação Terra-Sol que veríamos se estivéssemos a um parsec (cerca de 3,26 anos-luz) de distância. Mas quando falamos de observáveis ​​cósmicos em termos do que podemos medir diretamente, isso não inclui a “distância” como um deles. Não medimos a distância diretamente, mas sim o desvio para o vermelho, que obtemos ao ver quão significativamente as linhas espectrais universais para todos os átomos e íons são deslocadas.

Indo cada vez mais longe, vemos que progressivamente mais parsecs (até um máximo de cerca de 8.700) cabem em 1″, com o máximo ocorrendo em um desvio para o vermelho de ~1,5, ou uma distância de ~14,6 bilhões de anos-luz. Além dessa distância, o objeto de mesmo tamanho assumirá tamanhos angulares maiores.

Este gráfico mostra a escala angular, em termos de quiloparsecs por grau (no eixo y) como uma função do desvio para o vermelho observado para o nosso Universo observado. Indo além de cerca de 4,5 Gpc (14,6 bilhões de anos-luz), que ocorre em um desvio para o vermelho de z = 1,5 (correspondendo aproximadamente ao início da dominação da energia escura), o objeto de mesmo tamanho corresponde a escalas angulares cada vez maiores novamente.

Isso ilustra um fenômeno incrivelmente bizarro que é incrivelmente útil para os astrônomos: se você pode construir um observatório que pode tirar imagens de alta resolução de galáxias que estão a 14,6 bilhões de anos-luz de distância (com um desvio para o vermelho de z = 1,5), então pode levar até imagens de alta resolução de qualquer galáxia do Universo.

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Um dos “observatórios dos sonhos” que os astrônomos esperavam um dia construir era o proposto LUVOIR telescópio espacial. Em seu formato mais ambicioso, a proposta era colocar no espaço um observatório com espelho primário de 15 metros de diâmetro. Com esse tipo de potência, seria capaz de atingir uma resolução angular de cerca de 10 milissegundos de arco, ou um centésimo de um único segundo de arco de tamanho angular. Mesmo para as galáxias aparentemente menores que estariam a uma distância de 14,6 bilhões de anos-luz, um telescópio tão grande ainda corresponderia a tamanhos físicos que atingem um mínimo entre 300 e 400 anos-luz.

Isso significa que, se algum dia construíssemos um telescópio espacial desse tamanho, seríamos capazes de resolver aglomerados de estrelas individuais e regiões de formação de estrelas com 300 a 400 anos-luz ou mais: para cada galáxia observável em nosso Universo .

Uma imagem simulada do que o Hubble veria para uma distante galáxia formadora de estrelas (à esquerda), versus o que um telescópio de classe de 10 a 15 metros como o LUVOIR veria para a mesma galáxia (à direita). O poder astronômico de tal observatório seria inigualável por qualquer outro: na Terra ou no espaço. LUVOIR, como proposto, poderia resolver estruturas tão pequenas quanto ~ 300–400 anos-luz de tamanho para cada galáxia do Universo.

Há uma lição importante aqui: o comprimento de nossa “régua” cósmica realmente muda com o tempo. Olhando para trás de onde estamos agora, os objetos primeiro parecem ficar menores quanto mais longe estão, depois se aproximam e atingem um tamanho angular mínimo e, então, parecem ficar maiores novamente. É um fato contra-intuitivo, mas notável, sobre o nosso universo em expansão.

Se você quiser saber o quão grande um objeto realmente aparecerá dentro do Universo em expansão, você precisa saber não apenas seu tamanho físico intrínseco, mas a física de como o Universo se expande ao longo do tempo. No Universo que realmente temos — que é composto de 68% de energia escura, 27% de matéria escura, 5% de matéria normal e cerca de 0,01% de radiação — você pode determinar que os objetos parecerão menores quanto mais longe estiverem, até o fato de que o Universo era menor no passado faz com que pareçam maiores novamente quanto mais longe você olha.

Você pode se surpreender ao saber que quando examinamos as galáxias mais distantes de todas, como JADES-GS-z13-0 , eles realmente parecem ser duas vezes maiores que as galáxias de tamanho semelhante que estão a apenas metade dessa distância de nós. Quanto mais longe olhamos, além de uma distância crítica específica, os objetos realmente parecem maiores quanto mais longe eles ficam. Mesmo sem lentes gravitacionais, os objetos dentro do Universo em expansão podem realmente parecer maiores a grandes distâncias do que você imagina!

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