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Pergunte a Ethan: Como sabemos que o Universo tem 13,8 bilhões de anos?

Afirmamos com confiança que se sabe que o Universo tem 13,8 bilhões de anos, com uma incerteza de apenas 1%. Veja como sabemos.

Principais conclusões

• Após mais de um século de debate sobre a idade do Universo, incluindo um período de décadas em que muitos argumentaram que o Universo era infinitamente antigo, finalmente sabemos sua idade: 13,8 bilhões de anos.
• Há uma série de desafios para esta afirmação: de alguns que afirmam que a incerteza do Universo em expansão pode mudar sua idade para aqueles que afirmam ter encontrado estrelas mais velhas que o Universo.
• E, no entanto, ainda podemos afirmar com confiança, apesar dessas objeções, que o Universo realmente tem 13,8 bilhões de anos, com uma incerteza de apenas 1% para esse valor. Veja como.

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Quão velho é o universo? Por gerações, as pessoas discutiram se o Universo sempre existiu, se teve um começo ou se era cíclico: sem começo nem fim. Mas, começando no século 20 e continuando no século 21, não apenas chegamos a uma conclusão científica para essa questão - - o Universo (como o reconhecemos) começou com um Big Bang quente - mas fomos capazes de identificar precisamente quando esse começo ocorreu.

Afirmamos agora, com confiança, que o Universo tem 13,8 bilhões de anos. Mas quão confiantes podemos realmente estar nessa resposta? É isso que Adimchi Onyenadum quer saber, perguntando:

“Como chegamos à conclusão de que a idade do Universo é de 13,8 bilhões de anos?”

É uma afirmação muito ousada, mas na qual os astrônomos estão mais confiantes do que você imagina. Veja como fizemos.

O aglomerado estelar aberto NGC 290, fotografado pelo Hubble. Essas estrelas, retratadas aqui, só podem ter as propriedades, elementos e planetas (e potencialmente chances de vida) que possuem por causa de todas as estrelas que morreram antes de sua criação. Este é um aglomerado aberto relativamente jovem, como evidenciado pelas estrelas azuis brilhantes e de grande massa que dominam sua aparência. Aglomerados estelares abertos, no entanto, nunca vivem tanto quanto a idade do Universo.

A maneira mais simples e direta de medir a idade do Universo é simplesmente olhar para os objetos que estão nele: estrelas, por exemplo. Temos centenas de bilhões de estrelas somente na Via Láctea, e a esmagadora maioria da história antiga da astronomia foi dedicada ao estudo e caracterização das estrelas. Continua sendo um campo de pesquisa ativo hoje, pois os astrônomos descobriram a relação entre as propriedades observadas das populações estelares e a idade delas.

A imagem básica é esta:

• uma nuvem de gás frio colapsa sob sua própria gravidade,
• levando à formação de um grande número de novas estrelas de uma só vez,
• que vêm em todas as diferentes massas, cores e brilhos,
• e as estrelas maiores, mais azuis e mais brilhantes queimam seu combustível primeiro.

Portanto, quando olhamos para uma população de estrelas, podemos dizer quantos anos ela tem observando quais tipos de estrelas ainda permanecem e quais classes de estrelas desapareceram completamente.

Os ciclos de vida das estrelas podem ser entendidos no contexto do diagrama cor/magnitude mostrado aqui. À medida que a população de estrelas envelhece, elas “desligam” o diagrama, permitindo-nos datar a idade do aglomerado em questão. Os aglomerados estelares globulares mais antigos, como o aglomerado mais antigo mostrado à direita, têm uma idade de pelo menos 13,2 bilhões de anos.

Nossa galáxia tem estrelas de todas as idades, mas as medições de qualquer estrela individual serão repletas de incertezas. A razão é simples: quando vemos uma estrela individual, vemos como ela é hoje. Não podemos ver – ou saber – o que aconteceu na história passada dessa estrela que pode ter levado à sua condição atual. Podemos apenas visualizar um instantâneo atual do que existe e temos que inferir o resto.

Muitas vezes você verá tentativas de medir a idade de uma estrela individual, mas isso sempre vem com uma suposição: que a estrela não teve uma interação, fusão ou outro evento violento em seu passado. Por causa dessa possibilidade, e do fato de só vermos os sobreviventes quando olhamos para o Universo hoje, essas idades sempre vêm acompanhadas de enormes incertezas: da ordem de um bilhão de anos ou mais.

Esta é uma imagem digitalizada do Sky Survey da estrela mais antiga com uma idade bem determinada em nossa galáxia. A estrela envelhecida, catalogada como HD 140283, encontra-se a mais de 190 anos-luz de distância. O Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi usado para reduzir a incerteza de medição da distância da estrela, e isso ajudou a refinar o cálculo de uma idade mais precisa de 14,5 bilhões de anos (mais ou menos 800 milhões de anos). Isso pode ser conciliado com um Universo de 13,8 bilhões de anos (dentro das incertezas), mas não com um de apenas 12,5 bilhões de anos.

No entanto, as incertezas são muito menores quando olhamos para grandes coleções de estrelas. As coleções de estrelas que se formam dentro de uma galáxia como a Via Láctea — aglomerados estelares abertos — normalmente contêm alguns milhares de estrelas e duram apenas algumas centenas de milhões de anos. As interações gravitacionais entre essas estrelas eventualmente fazem com que elas se separem. Embora uma pequena porcentagem dure um bilhão de anos ou mesmo alguns bilhões de anos, não temos nenhum aglomerado estelar aberto conhecido que seja tão antigo quanto o nosso próprio Sistema Solar.

Os aglomerados globulares, no entanto, são maiores, mais maciços e mais isolados, encontrados em todo o halo da Via Láctea (e na maioria das grandes galáxias). Quando os observamos, podemos medir as cores e brilhos de muitas das estrelas internas, permitindo-nos — desde que entendamos como as estrelas funcionam e evoluem — determinar as idades desses aglomerados estelares. Embora haja incertezas aqui também, existe uma grande população de aglomerados globulares, mesmo apenas dentro da Via Láctea, com idades de 12 bilhões de anos ou mais.

O aglomerado globular Messier 69 é altamente incomum por ser incrivelmente antigo, com indícios de que se formou em apenas 5% da idade atual do Universo (cerca de 13 bilhões de anos atrás), mas também por ter um teor de metal muito alto, com 22% da metalicidade de nosso Sol. As estrelas mais brilhantes estão na fase de gigante vermelha, acabando de esgotar seu combustível principal, enquanto algumas estrelas azuis são o resultado de fusões: retardatárias azuis.

Quão certos estamos desses números? É difícil dizer. Embora seja quase garantido que o mais antigo desses aglomerados estelares deva ter entre 12,5 e 13 bilhões de anos, ainda existem grandes incertezas sobre a quantidade de tempo necessária para uma estrela com a massa do nosso Sol começar sua transição para uma subgigante. por sua transformação em uma estrela gigante vermelha. Pode ser 10 bilhões de anos; pode ser 12 bilhões de anos; pode ser algum valor intermediário. Durante anos, muitos astrônomos que trabalharam com aglomerados globulares argumentaram que os mais antigos tinham 14, talvez até 16 bilhões de anos, mas uma mudança em nossa compreensão da evolução estelar agora desfavorece essa interpretação dos dados.

Hoje, podemos concluir com segurança que há um limite inferior para a idade do Universo de cerca de 12,5 a 13 bilhões de anos a partir das estrelas que medimos, mas isso não define a idade com precisão. É uma boa restrição, mas para chegar a um valor real, gostaríamos de um método melhor.

Felizmente, o Universo nos dá um. Veja bem, a Relatividade Geral de Einstein, para um Universo preenchido com (aproximadamente) quantidades iguais de matéria e energia em todos os lugares e em todas as direções (como a nossa), fornece uma relação direta entre duas quantidades:

1. as quantidades e tipos de matéria e energia presentes no Universo,
2. e quão rápido o Universo está se expandindo hoje.

Uma foto de Ethan Siegel na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. A primeira equação de Friedmann detalha a taxa de expansão do Hubble ao quadrado no lado esquerdo, que governa a evolução do espaço-tempo. O lado direito inclui todas as diferentes formas de matéria e energia, juntamente com a curvatura espacial (no termo final), que determina como o Universo evoluirá no futuro. Esta tem sido considerada a equação mais importante em toda a cosmologia e foi derivada por Friedmann em sua forma essencialmente moderna em 1922.

Essa relação foi derivada pela primeira vez em 1922 por Alexander Friedmann, e as equações que nos permitem derivar quantos anos o Universo deve ter são conhecidas como equações de Friedmann. Levamos muitos anos para medir os constituintes do Universo, mas surgiu uma imagem consensual.

Observações que vão desde a abundância dos elementos leves até o agrupamento de galáxias, como os aglomerados de galáxias colidem em supernovas distantes e as flutuações na radiação cósmica de fundo. todos apontam para o mesmo Universo . Em particular, é composto por:

• 68% de energia escura,
• 27% de matéria escura,
• 4,9% de matéria normal (prótons, nêutrons e elétrons),
• 0,1% de neutrinos,
• 0,01% de fótons (partículas de luz ou radiação),
• e menos de 0,4% de tudo o mais, incluindo curvatura espacial, cordas cósmicas, paredes de domínio e outros componentes exóticos e fantasiosos.

As flutuações nos dados de polarização do modo E vistos na radiação cósmica de fundo, particularmente em pequenas escalas angulares, codificam uma quantidade enorme de informações sobre o conteúdo e a história do Universo. Aqui, as flutuações de uma grande região do céu são mostradas, construídas a partir de dados obtidos com o Atacama Cosmology Telescope. Este é o melhor conjunto de dados do CMB em pequenas escalas angulares já obtido.

Esta imagem concorda com o conjunto completo de observações que temos; você realmente tem que selecionar suas evidências com muito cuidado — enfatizando medições com grandes ambiguidades enquanto simultaneamente ignora grandes conjuntos de dados — para terminar com conjuntos de valores que variam significativamente disso.

Então, você pode pensar que tudo depende da taxa de expansão. Se você pode medir isso com precisão, pode simplesmente fazer as contas e chegar com precisão à idade do Universo. A partir do início dos anos 2000 e desde então, os melhores dados que temos vêm do Cosmic Microwave Background: primeiro do WMAP, depois do Planck e, a partir de 14 de julho de 2020, do Atacama Cosmology Telescope também.

Todos esses valores convergiram para a mesma taxa de expansão: 68 km/s/Mpc, com uma incerteza de apenas 1–2%. Quando você calcula o que isso significa para a idade do Universo, obtém 13,8 bilhões de anos muito robustos, completamente consistente com tudo o que sabemos sobre as estrelas.

Uma série de grupos diferentes que buscam medir a taxa de expansão do Universo, juntamente com seus resultados codificados por cores. Observe como há uma grande discrepância entre os resultados iniciais (os dois primeiros) e os finais (outros), com as barras de erro sendo muito maiores em cada uma das opções tardias. O único valor criticado é o do CCHP, que foi reanalisado e apresentou um valor mais próximo de 72 km/s/Mpc do que de 69,8 km/s/Mpc. Essa tensão entre medições iniciais e tardias é mais forte do que nunca.

Espere um segundo, no entanto. Você deve ter ouvido - e com razão - que há uma controvérsia sobre isso. Embora as equipes que usam o Fundo de Microondas Cósmico possam obter um valor para a taxa de expansão, e as equipes que medem a estrutura em larga escala do Universo possam concordar, outros métodos produzem um valor totalmente diferente. Os outros métodos, em vez de começar com um sinal antigo impresso e medir como ele aparece hoje, começam de perto e trabalham para fora. Eles medem distâncias e as aparentes velocidades de recessão de vários objetos: um método geralmente conhecido como escada de distância cósmica.

Quando você olha para as medições da escada de distância, todas elas parecem dar valores sistematicamente mais altos: entre 72 e 76 km/s/Mpc: cerca de 9% mais alto, em média, do que o valor que você obtém do Cosmic Microwave Background.

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Você pode pensar, então, que alguém está certo e alguém está errado. Se a equipe da escada de distância estiver correta e a equipe do Cosmic Microwave Background estiver errada, então talvez o Universo seja 9% mais jovem do que pensamos: apenas 12,8 bilhões de anos.

Este gráfico mostra quais valores da constante de Hubble (esquerda, eixo y) melhor se ajustam aos dados da radiação cósmica de fundo de ACT, ACT + WMAP e Planck. Observe que uma constante de Hubble mais alta é admissível, mas apenas à custa de ter um Universo com mais energia escura e menos matéria escura.

Mas não é assim que funciona na prática. Os dados do Cosmic Microwave Background não são algo que pode ser simplesmente ignorado; é algo que deve ser considerado. Os picos, vales e ondulações que vemos em suas flutuações de temperatura são um reflexo de todos esses diferentes parâmetros combinados . Claro, os valores mais adequados são para um Universo em expansão a 68 km/s/Mpc e com 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria normal, mas esses podem variar, desde que todos variem juntos .

Embora não se ajuste tão bem aos dados, você pode aumentar a taxa de expansão para, digamos, 74 km/s/Mpc e ainda chegar a um ajuste muito bom, desde que esteja disposto a alterar as frações relativas de matéria escura e energia escura. Com um pouco menos de matéria escura (20%) e um pouco mais de energia escura (75%), uma taxa de expansão substancialmente mais alta ainda pode se ajustar bem aos dados, embora não tão bem quanto os valores de consenso.

O que é fascinante sobre isso, no entanto, é que a idade derivada quase não muda; se você explorar toda a gama do que é e do que não é permitido, esse número de 13,8 bilhões de anos só vem com uma incerteza de cerca de 1%: entre 13,67 e 13,95 bilhões de anos.

A diferença entre o melhor ajuste para o ACT (pequena escala) mais os dados de fundo de micro-ondas cósmicas WMAP (grande escala) e o melhor ajuste para um conjunto de parâmetros que forçam a constante de Hubble a um valor mais alto. Observe que o último ajuste tem resíduos ligeiramente piores, mas ambos são razoavelmente bons e fornecem idades quase idênticas para o Universo.

É verdade que ainda existem muitos mistérios a serem desvendados sobre o Universo. Não sabemos com que rapidez o Universo está se expandindo e não sabemos por que diferentes métodos de medição da taxa de expansão fornecem resultados tão diferentes. Não sabemos o que é matéria escura ou energia escura, ou se a Relatividade Geral — da qual tudo isso é derivado — ainda é válida na maior das escalas cósmicas. Nem sabemos exatamente quanto do Universo está encerrado em que forma de energia: pode haver mais matéria escura e menos energia escura do que pensamos ou vice-versa; as incertezas são substanciais.

Mas sabemos que os dados que temos são todos consistentes com uma determinada idade do Universo: 13,8 bilhões de anos, com uma incerteza de apenas 1% sobre esse valor. Não pode ser um bilhão de anos mais velho ou mais novo do que essa figura, a menos que uma série de coisas que medimos nos levem a conclusões extremamente incorretas. A menos que o cosmos esteja mentindo para nós, ou estejamos nos enganando involuntariamente, o que conhecemos como o Big Bang quente ocorreu entre 13,67 e 13,95 bilhões de anos atrás: nem menos nem mais. não acredite quaisquer reivindicações em contrário sem compará-los com o conjunto completo de dados!

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