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O espaço nem sempre foi um lugar grande

O Universo em expansão, cheio de galáxias e a estrutura complexa que observamos hoje, surgiu de um estado menor, mais quente, mais denso e mais uniforme. Mas mesmo esse estado inicial teve suas origens, com a inflação cósmica como o principal candidato de onde tudo isso veio. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Hoje, nosso Universo observável se estende por 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. Mas no início, as coisas eram muito menores.

Há poucas coisas que podemos conceber que sejam tão espantosamente grandes quanto o espaço. Nosso Universo observável, até os recessos mais profundos do espaço que podemos ver, nos leva cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. Do Big Bang até agora, nosso Universo se expandiu enquanto gravitava ao mesmo tempo, dando origem a estrelas e galáxias espalhadas pela extensão do espaço sideral. Ao todo, existem atualmente cerca de 2 trilhões de galáxias presentes dentro dele.

E, no entanto, se voltarmos no tempo, aprendemos que não apenas nosso Universo era um lugar muito menor, mas que, nos estágios iniciais, não era impressionantemente grande. O espaço pode nem sempre ter sido um lugar grande, e é apenas o fato de nosso Universo ter se expandido tão completamente e implacavelmente que nos faz vê-lo tão grande e vazio hoje.

O Universo distante, visto aqui através do plano da Via Láctea, consiste em estrelas e galáxias, bem como gás opaco e poeira, voltando até onde podemos ver. Mas sabemos que não estamos vendo tudo, não importa como pareçamos. (PESQUISA DO CÉU DE DOIS mícrons (2MASS))

Se olharmos para o Universo hoje, não há como negar a enormidade de sua escala. Contendo algo na vizinhança de 400 bilhões de estrelas, nossa galáxia Via Láctea se estende por mais de 100.000 anos-luz de diâmetro. As distâncias entre as estrelas são enormes, com a estrela mais próxima do nosso Sol (Proxima Centauri) localizada a cerca de 4,24 anos-luz de distância: mais de 40 trilhões de quilômetros de distância.

Enquanto algumas estrelas estão agrupadas em grupos, seja em sistemas multi-estrelas ou aglomerados estelares de vários tipos, a maioria é como o nosso Sol: estrelas únicas que são relativamente isoladas de todas as outras dentro de uma galáxia. E uma vez que você vai além de nossa própria galáxia, o Universo se torna um lugar muito mais esparso, com apenas uma pequena fração do volume do Universo contendo galáxias. A maior parte do Universo, até onde sabemos, é totalmente desprovida de estrelas e galáxias.

O Universo é um lugar incrível, e do jeito que veio a ser hoje é algo que vale a pena agradecer. Embora nossas imagens mais espetaculares do espaço sejam ricas em galáxias, a maior parte do volume do Universo é inteiramente desprovida de matéria, galáxias e luz. (NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA); J. BLAKESLEE)

Nosso Grupo Local, por exemplo, contém outra grande galáxia: Andrômeda, localizada a 2,5 milhões de anos-luz de nós. Várias galáxias significativamente menores também estão presentes, incluindo a galáxia Triangulum (a terceira maior do Grupo Local), a Grande Nuvem de Magalhães (#4) e cerca de 60 outras galáxias muito menores, todas contidas a cerca de 3 milhões de anos-luz de distância. nós mesmos.

Além disso, as galáxias são encontradas agrupadas e agrupadas em todo o Universo, com uma teia cósmica que consiste em grandes aglomerados de galáxias conectados por filamentos pontilhados de galáxias. O Universo veio a ser assim porque não apenas se expandiu e esfriou, mas também porque gravitava. As regiões inicialmente superdensas atraíram preferencialmente a matéria e deram origem às estruturas que vemos; as regiões subdensas cederam sua matéria para as mais densas, tornando-se os grandes vazios cósmicos que dominam a maior parte do volume do Universo.

O crescimento da teia cósmica e a estrutura em grande escala no Universo, mostrada aqui com a própria expansão em escala, resulta no Universo se tornando mais aglomerado e desagregado com o passar do tempo. Inicialmente, pequenas flutuações de densidade crescerão para formar uma teia cósmica com grandes vazios separando-os, mas o que parece ser as maiores estruturas semelhantes a paredes e superaglomerados podem não ser verdadeiras, estruturas vinculadas, afinal. (VOLKER SPRINGEL)

Tudo dito, nosso Universo observável é realmente enorme hoje. Centrados em qualquer observador – incluindo nós mesmos – podemos objetos tão distantes quanto 46,1 bilhões de anos-luz em qualquer direção. Quando você soma tudo, isso equivale a um volume de 4,1 × 10³² anos-luz cúbicos. Com até dois trilhões de galáxias no Universo, isso significa que cada galáxia, em média, tem cerca de 2 × 10²⁰ anos-luz cúbicos de volume para si mesma.

Se as galáxias estivessem todas uniformemente espaçadas em todo o Universo, e elas definitivamente não são, você poderia colocar o dedo em uma galáxia e desenhar uma esfera ao redor dela que tivesse aproximadamente 6 milhões de anos-luz de raio e nunca atingiria outra galáxia. Nossa localização no Universo tem centenas de vezes a densidade de galáxias que esperamos em média. Entre os grupos e aglomerados de galáxias no Universo encontra-se a maior parte de seu volume, e é principalmente espaço vazio.

Um mapa de mais de um milhão de galáxias no Universo, onde cada ponto é sua própria galáxia. As várias cores representam distâncias, com o vermelho representando mais longe. Apesar do que você pode supor a partir desta imagem, a maior parte do Universo é espaço vazio, intergaláctico. (DANIEL EISENSTEIN E A COLABORAÇÃO SDSS-III)

Mas a razão pela qual o Universo é tão grande hoje é porque ele se expandiu e esfriou para chegar a esse ponto. Ainda hoje, o Universo continua a se expandir a uma taxa tremenda: aproximadamente 70 km/s/Mpc. Nos confins do Universo, a 46,1 bilhões de anos-luz de distância, a quantidade de Universo que podemos observar cresce mais 6,5 anos-luz a cada ano que passa.

Isso significa que se extrapolarmos na direção oposta no tempo – olhando para trás o quanto quisermos no passado – encontraremos o Universo como era quando era mais jovem, mais quente e menor. Hoje, o Universo se estende por 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, mas isso ocorre porque já se passaram 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, e nosso Universo contém uma mistura específica de energia escura, matéria e radiação em várias formas.

Se voltássemos para quando o Universo tinha apenas 3 bilhões de anos (cerca de 20% de sua idade atual), descobriríamos que tinha apenas cerca de 9 bilhões de anos-luz de raio (apenas 0,7% de seu volume atual).

Uma seleção de algumas das galáxias mais distantes do Universo observável, do Hubble Ultra Deep Field. Quando observamos o Universo a grandes distâncias, o vemos como era no passado distante: menor, mais denso, mais quente e menos evoluído. (NASA, ESA, E N. PIRZKAL (AGÊNCIA ESPACIAL EUROPEIA/STSCI))

E não temos problemas em olhar para trás para ver galáxias e aglomerados de galáxias quando o Universo era tão jovem; o Telescópio Espacial Hubble, entre outros, nos levou muito mais longe do que isso. Naquela época, as galáxias eram menores, mais azuis, com menor massa e menos evoluídas, em média, já que o Universo não teve tempo suficiente para formar as maiores e mais massivas estruturas de todas.

O Universo, neste estágio inicial, é muito mais denso do que é hoje. O número de partículas de matéria permanece o mesmo ao longo do tempo, mesmo quando o Universo se expande, o que significa que o Universo com ~3 bilhões de anos é cerca de 150 vezes mais denso do que o Universo é hoje, com ~13,8 bilhões de anos. Em vez de cerca de 1 próton de massa por metro cúbico, há cerca de 100 prótons. No entanto, podemos voltar a tempos muito anteriores e encontrar um Universo que não é apenas menor e mais denso, mas também dramaticamente diferente.

As primeiras estrelas do Universo serão cercadas por átomos neutros de (principalmente) gás hidrogênio, que absorve a luz das estrelas. O hidrogênio torna o Universo opaco ao visível, ultravioleta e uma grande fração da luz infravermelha próxima, mas comprimentos de onda mais longos ainda podem ser observáveis ​​e visíveis para observatórios no futuro próximo. A temperatura durante esse período não era de 3K, mas quente o suficiente para ferver nitrogênio líquido, e o Universo era dezenas de milhares de vezes mais denso do que é hoje em grande escala. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Se voltarmos a quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos – menos de 1% de sua idade atual – as coisas começam a parecer dramaticamente diferentes. As primeiras estrelas começaram a se formar apenas recentemente, mas ainda não havia galáxias, nem mesmo uma. O Universo tem cerca de 3% de sua escala atual neste momento, o que significa que tem apenas 0,003% de seu volume atual e 40.000 vezes sua densidade atual. O fundo de microondas cósmico está quente o suficiente, neste momento, para ferver o nitrogênio líquido.

Mas podemos ir muito mais longe no tempo e descobrir um Universo ainda menor. A luz do Fundo de Microondas Cósmica que vemos foi emitida quando o Universo tinha apenas 380.000 anos: quando era mais de um bilhão de vezes mais denso do que é hoje. Se você desenhasse um círculo em torno de nosso superaglomerado local hoje, Laniakea, ele encapsularia um volume muito maior do que todo o Universo observável naqueles estágios iniciais, quentes e densos.

Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partículas e antipartículas. No entanto, mesmo com essas condições, apenas alguns estados específicos, ou partículas, podem emergir e, quando alguns segundos se passam, o Universo é muito maior do que era nos estágios iniciais. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Isso significa que, se voltarmos a uma época em que o Universo tinha aproximadamente uma década, dez anos após o Big Bang ocorrer, todo o Universo observável - contendo toda a matéria que temos hoje em 2 trilhões de galáxias (e mais) - não seria maior do que a Via Láctea.

Isso significa que se voltássemos a um tempo em que apenas um segundo havia se passado desde o Big Bang, quando a última antimatéria do Universo primitivo (na forma de pósitrons) estava se aniquilando, todo o Universo observável seria apenas cerca de 100 anos-luz de diâmetro.

E isso significa que nos estágios iniciais do Universo, quando apenas talvez um picossegundo (10^-12 segundos) havia se passado desde o Big Bang, todo o Universo observável poderia caber dentro de uma esfera não maior que o tamanho da órbita da Terra. ao redor do Sol. Todo o Universo observável, nos estágios iniciais do Big Bang, era menor do que o tamanho do nosso Sistema Solar.

O tamanho do Universo, em anos-luz, versus a quantidade de tempo que se passou desde o Big Bang. Isso é apresentado em uma escala logarítmica, com vários eventos importantes anotados para maior clareza. Isso se aplica apenas ao universo observável. (E. SIEGEL)

Você pode pensar que poderia levar o Universo de volta a uma singularidade: a um ponto de temperatura e densidade infinitas, onde toda a sua massa e energia se concentram em uma singularidade. Mas sabemos que essa não é uma descrição precisa do nosso Universo. Em vez disso, um período de inflação cósmica deve ter precedido e estabelecido o Big Bang.

A partir de evidências no Fundo de Microondas Cósmica de hoje, podemos concluir que deve ter havido uma temperatura máxima que o Universo atingiu durante o Big Bang quente: não mais do que cerca de 5 × 10²⁹ K. Embora esse número seja enorme, não é apenas finito, é bem abaixo da escala de Planck. Quando você trabalha a matemática, encontra um diâmetro mínimo para o Universo no início do Big Bang quente: cerca de 20 centímetros (8″), ou cerca do tamanho de uma bola de futebol.

As linhas azul e vermelha representam um cenário tradicional do Big Bang, onde tudo começa no tempo t=0, incluindo o próprio espaço-tempo. Mas em um cenário inflacionário (amarelo), nunca alcançamos uma singularidade, onde o espaço vai para um estado singular; em vez disso, ele só pode ficar arbitrariamente pequeno no passado, enquanto o tempo continua a retroceder para sempre. Apenas a última minúscula fração de segundo, desde o fim da inflação, se imprime em nosso Universo observável hoje. O tamanho do nosso Universo agora observável no final da inflação deve ter sido pelo menos do tamanho de uma bola de futebol, não menor. (E. SIEGEL)

É verdade que não sabemos quão grande é a parte não observável do Universo; pode ser infinito. Também é verdade que não sabemos por quanto tempo a inflação durou ou o que, se é que veio antes dela. Mas sabemos que quando o Big Bang quente começou, toda a matéria e energia que vemos em nosso Universo visível hoje, todo o material que se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções, deve ter sido concentrado em um volume de aproximadamente o tamanho de uma bola de futebol.

Por pelo menos um curto período de tempo, a vasta extensão de espaço que olhamos e observamos hoje não era nada grande. Toda a matéria que compõe galáxias massivas inteiras caberia em uma região do espaço menor do que uma borracha de lápis. E, no entanto, através de 13,8 bilhões de anos de expansão, resfriamento e gravitação, chegamos ao vasto Universo que ocupamos hoje. O espaço pode ser a maior coisa que conhecemos, mas o tamanho do nosso Universo observável é uma conquista recente. O espaço nem sempre foi tão grande, e as evidências estão escritas no Universo para todos nós vermos.

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 .

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