• Começa Com Um Estrondo

É assim que as galáxias distantes se afastam de nós a velocidades mais rápidas que a luz

Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia se movendo com o Universo em expansão estará a um número ainda maior de anos-luz de distância, hoje, do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que a luz emitida por ela levou para chegar até nós. Mas só podemos entender os desvios para o vermelho e para o azul se os atribuirmos a uma combinação de efeitos devidos tanto ao movimento (relativístico especial) quanto ao tecido em expansão do espaço (relatividade geral). (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

Pode parecer intrigante, em um Universo limitado pela velocidade da luz, que isso possa ser verdade. Aqui está a ciência por trás disso.

Se você olhar para o Universo distante, encontrará galáxias que estão a milhões, bilhões ou até dezenas de bilhões de anos-luz de distância. Em média, quanto mais distante uma galáxia estiver de você, mais rápido ela parecerá se afastar de você. Isso aparece quando você olha para as cores das estrelas presentes na galáxia, bem como as linhas de emissão e absorção inerentes à própria galáxia: elas parecem estar sistematicamente deslocadas para o vermelho.

Eventualmente, você começará a ver galáxias tão distantes que a luz delas será tão severamente desviada para o vermelho que parecerá se aproximar, alcançar e até exceder a velocidade da luz além de uma certa distância. O fato de que isso é o que realmente vemos pode fazer você questionar tudo o que você achava que sabia sobre relatividade, física e o Universo. No entanto, o que você vê é real; esses redshifts não são mentira. Aqui está o que faz com que essas galáxias distantes mudem para o vermelho tão severamente e o que isso realmente significa para a velocidade da luz.

Aproximar-se da velocidade da luz fará com que o tempo passe de forma sensivelmente diferente para o viajante versus a pessoa que permanece em um quadro de referência constante. No entanto, você só pode comparar relógios (tempo) e réguas (distância) entre observadores localizados no mesmo evento (ou conjunto de coordenadas espaciais e temporais) no Universo; observadores separados por qualquer distância também precisam contar com as propriedades não planas e não estáticas do espaço-tempo. (PARADO GÊMEO, VIA HTTP://WWW.TWIN-PARADOX.COM/ )

A ideia de relatividade é algo que a maioria das pessoas pensa que entende, mas é importante ter cuidado porque a teoria de Einstein pode ser facilmente mal interpretada. Sim, é verdade que existe uma velocidade máxima para objetos no Universo: a velocidade da luz no vácuo, c , ou 299.792.458 m/s. Somente partículas com massa zero podem se mover nessa velocidade; qualquer coisa que tenha uma massa real e positiva só pode se mover mais lentamente que a velocidade da luz.

Mas quando falamos sobre ser limitado pela velocidade da luz, estamos implicitamente fazendo uma suposição que a maioria de nós não percebe: estamos falando de um objeto se movendo em relação a outro no mesmo evento no espaço-tempo, o que significa que eles estão na mesma localização espacial no mesmo momento no tempo. Se você tem dois objetos com coordenadas de espaço-tempo diferentes um do outro, há outro fator que entra em jogo que absolutamente não pode ser ignorado.

A curvatura do espaço, induzida pelos planetas e pelo Sol em nosso Sistema Solar, deve ser levada em consideração para quaisquer observações que uma espaçonave ou outro observatório faria. Os efeitos da Relatividade Geral, mesmo os sutis, não podem ser ignorados em aplicações que vão desde a exploração espacial até satélites GPS e um sinal de luz passando perto do Sol. (NASA/JPL-CALTECH, PARA A MISSÃO CASSINI)

Além do movimento relativista especial, que ocorre em relação à coordenada do espaço-tempo que você está ocupando atualmente, há também um efeito que só aparece quando você começa a pensar em termos de relatividade geral: a curvatura e a evolução do próprio espaço-tempo.

Enquanto a relatividade especial ocorre apenas no espaço não curvo e estático, o universo real tem matéria e energia nele. A presença de matéria/energia significa que os objetos em nosso espaço-tempo não podem ser estáticos e imutáveis, mas verão suas posições espaciais evoluir com o tempo à medida que o próprio tecido do espaço-tempo evolui. Se você estiver nas proximidades de uma grande massa, como uma estrela ou um buraco negro, o espaço será curvado para que você experimente uma aceleração em direção a essa massa. Isso acontece mesmo na ausência de movimento em relação ao tecido do próprio espaço; o espaço está se comportando como um rio fluindo ou uma esteira rolante, arrastando todos os objetos junto com ele enquanto flui.

Tanto dentro quanto fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

Em um Universo preenchido com matéria de maneira aproximadamente uniforme, particularmente nas maiores escalas, as mudanças que o espaço-tempo sofre se aplicam em escalas de todo o Universo observável. Especificamente, um Universo preenchido de forma homogênea (o mesmo em todos os locais) e isotropicamente (o mesmo em todas as direções) não pode permanecer estático, mas deve expandir ou contrair.

Quando Alexander Friedmann derivou pela primeira vez as equações em 1922 que exigiam essa solução, pouca atenção foi dada a ela. Cinco anos depois, de forma totalmente independente, Georges Lemaître encontrou a mesma solução, que imediatamente enviou ao próprio Einstein. Ao recebê-lo, Einstein não encontrou nenhuma falha no trabalho, mas não pôde aceitar sua conclusão, afirmando que seus cálculos estão corretos, mas sua física é abominável. Mas sua física não era abominável; era a chave para desvendar o Universo.

A Estrela Variável RS Puppis, com seus ecos de luz brilhando através das nuvens interestelares. As estrelas variáveis ​​vêm em muitas variedades; uma delas, as variáveis ​​Cefeidas, podem ser medidas tanto dentro de nossa própria galáxia quanto em galáxias de até 50 a 60 milhões de anos-luz de distância. Isso nos permite extrapolar distâncias de nossa própria galáxia para muito mais distantes no Universo. Outras classes de estrelas individuais, como uma estrela na ponta do AGB ou uma variável RR Lyrae, podem ser usadas em vez de Cefeidas, produzindo resultados semelhantes e o mesmo enigma cósmico sobre a taxa de expansão. (NASA, ESA E EQUIPE HUBBLE HERITAGE)

Mais ou menos na mesma época – nas décadas de 1910 e 1920 – os astrônomos tinham acabado de ganhar a capacidade técnica de fazer duas medições importantes sobre objetos distantes e fracos.

1. Usando a técnica de espectroscopia, onde a luz de um objeto pode ser dividida em seus comprimentos de onda individuais, os astrônomos podem identificar a assinatura infalível de átomos específicos: linhas de absorção e emissão que ocorrem em comprimentos de onda específicos. Com base no deslocamento sistemático dessas linhas espectrais, tanto para o vermelho quanto para o azul pelo mesmo fator geral, os astrônomos poderiam medir o redshift total (ou blueshift) de um objeto distante, como uma galáxia.
2. Ao identificar propriedades específicas de um objeto distante que informa sobre suas propriedades intrínsecas, como o brilho intrínseco de uma estrela ou o tamanho real de uma galáxia, bem como o brilho aparente ou o diâmetro angular aparente, os astrônomos podem então inferir a distância até esse objeto. objeto.

Observados pela primeira vez por Vesto Slipher em 1917, alguns dos objetos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de átomos, íons ou moléculas particulares, mas com um deslocamento sistemático para o extremo vermelho ou azul do espectro de luz. Quando combinados com as medições de distância do Hubble, esses dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será o desvio para o vermelho da luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Ao combinar os dois conjuntos de observações, que os cientistas começaram a fazer no final da década de 1920, surgiu um padrão claro: quanto mais distante a distância de uma galáxia era medida, maior era o seu desvio para o vermelho. Esta era apenas uma tendência geral, já que galáxias individuais pareciam ter redshifts e blueshifts adicionais sobrepostos a essa tendência geral, mas a tendência geral permaneceu clara.

Especificamente, os redshifts extras e blueshifts que aparecem são sempre independentes da distância e correspondem a velocidades que variam de dezenas a centenas a alguns milhares de quilômetros por segundo, mas não mais rápido. No entanto, quando você olha para galáxias que têm o dobro da distância de uma galáxia mais próxima, o desvio para o vermelho médio é o dobro das galáxias mais próximas. A 10 vezes a distância, o redshift é 10 vezes maior. E essa tendência continua até onde estamos dispostos a olhar, de milhões a dezenas de milhões a centenas de milhões a bilhões de anos-luz de distância.

As observações originais de 1929 da expansão do Universo pelo Hubble, seguidas por observações subsequentemente mais detalhadas, mas também incertas. O gráfico de Hubble mostra claramente a relação redshift-distância com dados superiores aos seus predecessores e concorrentes; os equivalentes modernos vão muito mais longe. Observe que velocidades peculiares sempre permanecem presentes, mesmo em grandes distâncias. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Como você pode ver, a tendência é que essa relação – entre o redshift medido e a distância – continue por distâncias extraordinárias. A relação redshift-distância, conhecida por gerações como a lei de Hubble (recentemente revisada para a lei de Hubble-Lemaître), mas descoberta independentemente por Lemaître e Howard Robertson antes de Hubble publicá-la, tem sido uma das relações empíricas mais robustas já descobertas em astronomia .

A interpretação padrão dessa tendência, incluindo os redshifts e blueshifts extras que são inerentes a cada objeto individual, é que existem duas partes nos redshifts e/ou blueshifts de cada objeto.

1. A componente que se deve à expansão geral do Universo, a relação redshift-distância, é responsável pela maior parte do redshifting, particularmente a grandes distâncias.
2. O componente que é devido ao movimento de cada galáxia individual através do espaço, que explica as perturbações extras no topo da linha de tendência principal, é devido ao movimento relativista especial em relação ao tecido em expansão do espaço.

Uma fatia bidimensional das regiões superdensa (vermelho) e subdensa (azul/preto) do Universo próximo a nós. As linhas e setas ilustram a direção dos fluxos de velocidade peculiares, que são os empurrões e puxões gravitacionais nas galáxias ao nosso redor. No entanto, todos esses movimentos estão embutidos no tecido do espaço em expansão, então um desvio para o vermelho ou desvio para o azul medido/observado é a combinação da expansão do espaço e o movimento de um objeto distante e observado. (COSMOGRAFIA DO UNIVERSO LOCAL — COURTOIS, HELENE M. ET AL. ASTRON.J. 146 (2013) 69)

Os movimentos relativísticos especiais são fáceis de entender: eles causam uma mudança no comprimento de onda da luz da mesma forma que um caminhão de sorvete em movimento causa uma mudança no comprimento de onda do som que chega ao seu ouvido. O caminhão de sorvete se movendo em sua direção fará com que suas ondas sonoras cheguem a você de forma compactada e mais aguda, análoga a um blueshift para a luz. Quando se afasta de você, há mais espaço entre cada crista de onda e, portanto, soa mais grave, análogo a um redshift.

Mas a expansão do espaço desempenha um papel mais importante, principalmente em escalas maiores. Se você imaginar o tecido do espaço como uma bola de massa, com passas por toda parte (representando estruturas gravitacionalmente ligadas como galáxias), então qualquer passa verá as passas próximas como se afastando lentamente de forma omnidirecional. Mas quanto mais longe uma passa, mais rápido parece recuar, mesmo que as passas não estejam se movendo em relação à massa. A massa está se expandindo assim como o tecido do espaço está se expandindo, e tudo o que podemos fazer é ver o redshift total.

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Se você medir o valor da taxa de expansão, descobrirá que ela pode ser expressa em termos de velocidade por unidade de distância. Por exemplo, da escada de distância cósmica, derivamos um valor de H_ 0, a taxa de expansão, que é 73 km/s/Mpc. (Onde um Mpc tem cerca de 3,26 milhões de anos-luz.) Usando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas ou as características da estrutura em grande escala, obtém-se um valor semelhante, mas ligeiramente inferior: 67 km/s/Mpc.

De qualquer forma, há uma distância crítica em que a aparente velocidade de recessão de uma galáxia excederá a velocidade da luz: em torno de uma distância de 13 a 15 bilhões de anos-luz. Além disso, as galáxias parecem recuar mais rápido que a luz, mas isso não se deve a um movimento superluminal real, mas ao fato de que o próprio espaço está se expandindo, o que faz com que a luz de objetos distantes se desvie para o vermelho. Quando examinamos os detalhes sofisticados dessa relação, podemos concluir inequivocamente que a explicação do movimento não corresponde aos dados.

As diferenças entre uma explicação baseada apenas em movimento para o desvio para o vermelho/distâncias (linha pontilhada) e as previsões da relatividade geral (sólidas) para distâncias no Universo em expansão. Definitivamente, apenas as previsões da Relatividade Geral correspondem ao que observamos. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO REDSHIFTIMPROVE)

O Universo realmente está se expandindo, e a razão pela qual vemos a luz de objetos distantes com um desvio para o vermelho tão severo é devido ao tecido em expansão do espaço, não devido ao movimento das galáxias através do espaço. Na verdade, galáxias individuais normalmente se movem pelo espaço em velocidades relativamente lentas: entre 0,05% e 1,0% da velocidade da luz, não mais.

Mas você não precisa olhar para distâncias muito grandes – 100 milhões de anos-luz são totalmente suficientes – antes que os efeitos do Universo em expansão se tornem inegáveis. As galáxias mais distantes visíveis para nós já estão localizadas a mais de 30 bilhões de anos-luz de distância, pois o Universo continua se expandindo e esticando essa luz ultradistante antes que ela chegue aos nossos olhos. À medida que avançamos da era do Hubble para a era de James Webb, esperamos empurrar essa fronteira ainda mais para trás. No entanto, não importa o quão longe nos tornemos capazes de ver, a maioria das galáxias do Universo estará para sempre fora do nosso alcance.

As porções observáveis ​​(amarelas) e alcançáveis ​​(magenta) do Universo, que são o que são graças à expansão do espaço e dos componentes energéticos do Universo. 97% das galáxias dentro do nosso Universo observável estão contidas fora do círculo magenta; eles são inalcançáveis ​​por nós hoje, mesmo em princípio, embora sempre possamos vê-los em seu passado devido às propriedades da luz e do espaço-tempo. (E. SIEGEL, COM BASE NO TRABALHO DOS USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL)

Todas as galáxias do Universo além de uma certa distância parecem se afastar de nós em velocidades mais rápidas que a luz. Mesmo que emitimos um fóton hoje, na velocidade da luz, ele nunca alcançará nenhuma galáxia além dessa distância específica. Isso significa que quaisquer eventos que ocorram hoje nessas galáxias nunca serão observáveis ​​por nós. No entanto, não é porque as próprias galáxias se movem mais rápido que a luz, mas porque o próprio tecido do espaço está se expandindo.

Nos 7 minutos que você levou para ler este artigo, o Universo se expandiu o suficiente para que outras 15.000.000 estrelas cruzassem esse limite crítico de distância, tornando-se para sempre inalcançáveis. Eles só parecem se mover mais rápido que a luz se insistirmos em uma explicação relativista puramente especial do redshift, um caminho tolo a ser seguido em uma era em que a relatividade geral está bem confirmada. Mas isso leva a uma conclusão ainda mais desconfortável: das 2 trilhões de galáxias contidas em nosso Universo observável, apenas 3% delas são atualmente alcançáveis, mesmo na velocidade da luz.

Se quisermos explorar o máximo possível do Universo, não podemos nos dar ao luxo de adiar. A cada momento que passa, outra chance de encontrar vida inteligente escapa para sempre do nosso alcance.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . 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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