• Começa Com Um Estrondo

À medida que o universo se expande, o espaço realmente se estende?

O tecido do espaço em expansão conforme ilustrado ao longo do tempo cósmico. Uma das consequências da expansão é que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece se afastar de nós, e quanto mais distante está uma fonte de luz, maior o desvio para o vermelho do comprimento de onda da luz no momento em que a recebemos. (NASA, CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD)

Ou o “novo espaço” é criado entre as lacunas do “velho” espaço?

Já se passaram quase 100 anos desde que a humanidade chegou a uma conclusão revolucionária sobre o nosso Universo: o próprio espaço não permanece estático, mas evolui com o tempo. Uma das previsões mais inquietantes da Relatividade Geral de Einstein é que qualquer Universo – desde que seja preenchido uniformemente com um ou mais tipos de energia – não pode permanecer imutável ao longo do tempo. Em vez disso, deve expandir ou contrair, algo inicialmente derivado independentemente por três pessoas separadas: Alexander Friedmann (1922), Georges Lemaitre (1927), Howard Robertson (1929) e depois generalizado por Arthur Walker (1936).

Ao mesmo tempo, as observações começaram a mostrar que as espirais e elípticas em nosso céu eram galáxias. Com essas medidas novas e mais poderosas, pudemos determinar que quanto mais distante uma galáxia estava de nós, maior a quantidade de luz que chegava aos nossos olhos desviada para o vermelho, ou em comprimentos de onda mais longos, em comparação com quando essa luz foi emitida.

Mas o que, exatamente, está acontecendo com o próprio tecido do espaço enquanto esse processo ocorre? O próprio espaço está se alongando, como se estivesse ficando cada vez mais fino? Mais espaço está sendo criado constantemente, como se estivesse preenchendo as lacunas que a expansão cria? Esta é uma das coisas mais difíceis de entender na astrofísica moderna, mas se pensarmos muito sobre isso, podemos entender isso. Vamos explorar o que está acontecendo.

Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço 3D fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais. (LUCASVB)

A primeira coisa que você precisa entender é o que a Relatividade Geral faz e não nos diz sobre o Universo. A Relatividade Geral, em sua essência, é uma estrutura que relaciona duas coisas que podem não estar obviamente relacionadas:

• a quantidade, distribuição e tipos de energia – incluindo matéria, antimatéria, matéria escura, radiação, neutrinos e qualquer outra coisa que você possa imaginar – que estão presentes em todo o Universo,
• e a geometria do espaço-tempo subjacente, incluindo se e como é curvo e se e como evoluirá.

Se o seu Universo não tem nada nele, nenhuma matéria ou energia de qualquer forma, você obtém o espaço plano, imutável e newtoniano ao qual está intuitivamente acostumado: estático, não curvo e imutável.

Se, em vez disso, você colocar uma massa pontual no Universo, obterá um espaço curvo: o espaço de Schwarzschild. Qualquer partícula de teste que você colocar em seu Universo será compelida a fluir em direção a essa massa ao longo de uma trajetória específica.

E se você tornar isso um pouco mais complicado, colocando uma massa pontual que também gira, você obterá um espaço curvo de uma maneira mais complexa: de acordo com as regras da métrica de Kerr. Ele terá um horizonte de eventos, mas em vez de uma singularidade pontual, a singularidade será esticada em um anel circular e unidimensional. Novamente, qualquer partícula de teste que você colocar seguirá a trajetória traçada pela curvatura subjacente do espaço.

Nas proximidades de um buraco negro, 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)

Esses espaços-tempos, no entanto, são estáticos no sentido de que qualquer escala de distância que você possa incluir – como o tamanho do horizonte de eventos – não muda com o tempo. Se você saísse de um Universo com esse espaço-tempo e voltasse mais tarde, seja um segundo, uma hora ou um bilhão de anos depois, sua estrutura seria idêntica, independentemente do tempo. Em espaços-tempos como esses, no entanto, não há expansão. Não há mudança na distância ou no tempo de viagem da luz entre quaisquer pontos dentro deste espaço-tempo. Com apenas uma (ou menos) fontes dentro, e nenhuma outra forma de energia, esses universos modelo são realmente estáticos.

Mas é um jogo muito diferente quando você não coloca fontes isoladas de massa ou energia, mas sim quando seu universo está cheio de coisas em todos os lugares. De fato, os dois critérios que normalmente assumimos, e que são fortemente validados por observações em larga escala, são chamados de isotropia e homogeneidade. A isotropia nos diz que o Universo é o mesmo em todas as direções: para onde quer que olhemos em escalas cósmicas, nenhuma direção parece particularmente diferente ou preferida de qualquer outra. A homogeneidade, por outro lado, nos diz que o Universo é o mesmo em todos os locais: a mesma densidade, temperatura e taxa de expansão existem com precisão superior a 99,99% nas maiores escalas.

Nossa visão de uma pequena região do Universo perto da calota galáctica norte, onde cada pixel na imagem representa uma galáxia mapeada. Nas maiores escalas, o Universo é o mesmo em todas as direções e em todos os locais mensuráveis, com a principal diferença sendo que as galáxias distantes parecem menores, mais jovens, mais densas e menos evoluídas do que as que encontramos nas proximidades: evidência da evolução cósmica com o tempo , mas sem alterações na isotropia ou homogeneidade. (SDSS III, DIVULGAÇÃO DE DADOS 8)

Neste caso, onde seu Universo está uniformemente preenchido com algum tipo de energia (ou vários tipos diferentes de energia), as regras da Relatividade Geral nos dizem como esse Universo evoluirá. Na verdade, as equações que o governam são conhecidas como as equações de Friedmann : derivado por Alexander Friedmann em 1922, um ano antes de descobrirmos que aquelas espirais no céu são na verdade galáxias fora e além da Via Láctea!

Seu Universo deve se expandir ou contrair de acordo com essas equações, e é isso que a matemática nos diz que deve ocorrer.

Mas o que exatamente aquilo significa?

Veja bem, o espaço em si não é algo diretamente mensurável. Não é como se você pudesse sair e pegar algum espaço e apenas realizar um experimento nele. Em vez disso, o que podemos fazer é observar os efeitos do espaço em coisas observáveis ​​– como matéria, antimatéria e luz – e usar essas informações para descobrir o que o próprio espaço subjacente está fazendo.

Quando uma estrela passa perto de um buraco negro supermassivo, ela entra em uma região onde o espaço é mais severamente curvado e, portanto, a luz emitida por ela tem um potencial maior para sair. A perda de energia resulta em um redshift gravitacional, independente e sobreposto a qualquer redshift doppler (velocidade) que observamos. (NICOLE R. FULLER/NSF)

Por exemplo, se voltarmos ao exemplo do buraco negro (embora se aplique a qualquer massa), podemos calcular quão severamente o espaço é curvado na vizinhança de um buraco negro. Se o buraco negro estiver girando, podemos calcular o quão significativamente o espaço é arrastado junto com o buraco negro devido aos efeitos do momento angular. Se medirmos o que acontece com os objetos na vizinhança desses objetos, podemos comparar o que vemos com as previsões da Relatividade Geral. Em outras palavras, podemos ver se o espaço se curva da maneira que a teoria de Einstein nos diz que deveria.

E oh, faz isso com um nível incrível de precisão. A luz azul muda quando entra em uma área de curvatura extrema e muda para o vermelho quando sai. Este redshift gravitacional foi medido para estrelas que orbitam buracos negros, para a luz viajando verticalmente no campo gravitacional da Terra, da luz vinda do Sol e até mesmo para a luz passando por aglomerados de galáxias em crescimento.

Da mesma forma, a dilatação gravitacional do tempo, a curvatura da luz por grandes massas e a precessão de tudo, desde órbitas planetárias até esferas rotativas enviadas ao espaço, demonstraram uma concordância espetacular com as previsões de Einstein.

Uma fonte de fótons, como um átomo radioativo, terá a chance de ser absorvida pelo mesmo material se o comprimento de onda do fóton não mudar de sua fonte para seu destino. Se você fizer com que o fóton viaje para cima ou para baixo em um campo gravitacional, será necessário alterar as velocidades relativas da fonte e do receptor (como conduzi-lo com um cone de alto-falante) para compensar. Esta foi a configuração do experimento Pound-Rebka de 1959. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Mas e a expansão do Universo? Quando você pensa em um Universo em expansão, a pergunta que você deve fazer é: o que, observavelmente, muda nas coisas mensuráveis ​​no Universo? Afinal, é isso que podemos prever, é isso que é fisicamente observável e é isso que nos informará sobre o que está acontecendo.

Bem, a coisa mais simples que podemos observar é a densidade. Se o nosso Universo está cheio de coisas, à medida que o Universo se expande, seu volume aumenta.

Normalmente pensamos na matéria como as coisas em que estamos pensando. A matéria é, em seu nível mais simples, uma quantidade fixa de coisas massivas que vivem no espaço. À medida que o Universo se expande, a quantidade total de coisas permanece a mesma, mas a quantidade total de espaço para as coisas viverem aumenta. Para a matéria, a densidade é apenas a massa dividida pelo volume e, portanto, se sua massa permanecer a mesma (ou, para coisas como átomos, o número de partículas permanecer o mesmo) enquanto seu volume cresce, sua densidade deve diminuir. Quando fazemos o cálculo da Relatividade Geral, é exatamente isso que encontramos para a matéria.

Enquanto a matéria e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas mesmo que tenhamos vários tipos de matéria no Universo – matéria normal, buracos negros, matéria escura, neutrinos, etc. – nem tudo no Universo é matéria.

Por exemplo, também temos radiação: quantizada em partículas individuais, como a matéria, mas sem massa, e com sua energia definida por seu comprimento de onda. À medida que o Universo se expande e a luz viaja através do Universo em expansão, não apenas o volume aumenta enquanto o número de partículas permanece o mesmo, mas cada quantum de radiação experimenta uma mudança em seu comprimento de onda em direção à extremidade mais vermelha do espectro: comprimentos de onda mais longos .

Enquanto isso, nosso Universo também possui energia escura, que é uma forma de energia que não está na forma de partículas, mas parece ser inerente ao próprio tecido do espaço. Embora não possamos medir a energia escura diretamente da mesma forma que podemos medir o comprimento de onda e/ou a energia dos fótons, há uma maneira de inferir seu valor e propriedades: observando precisamente como a luz de objetos distantes muda para o vermelho. Lembre-se que existe uma relação entre as diferentes formas de energia do Universo e a taxa de expansão. Quando medimos a distância e o desvio para o vermelho de vários objetos ao longo do tempo cósmico, eles podem nos informar quanta energia escura existe, bem como quais são suas propriedades. O que descobrimos é que o Universo tem cerca de ⅔ de energia escura hoje e que a densidade de energia da energia escura não muda: à medida que o Universo se expande, a densidade de energia permanece constante.

Quando traçamos todos os diferentes objetos que medimos a grandes distâncias versus seus desvios para o vermelho, descobrimos que o Universo não pode ser feito apenas de matéria e radiação, mas deve incluir uma forma de energia escura: consistente com uma constante cosmológica, ou uma energia inerente ao tecido do próprio espaço. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)

Quando reunimos a imagem completa de todas as diferentes fontes de dados que temos, surge uma imagem única e consistente. Nosso Universo hoje está se expandindo em algo em torno de 70 km/s/Mpc, o que significa que para cada megaparsec (cerca de 3,26 milhões de anos-luz) de distância que um objeto é separado de outro objeto, o Universo em expansão contribui com um desvio para o vermelho que é equivalente a uma recessão. movimento de 70 km/s.

Isso é o que está fazendo hoje, lembre-se. Mas, olhando para distâncias cada vez maiores e medindo os desvios para o vermelho, podemos aprender como a taxa de expansão diferiu no passado e, portanto, do que o Universo é feito: não apenas hoje, mas em qualquer ponto da história. Hoje, nosso Universo é feito das seguintes formas de energia:

• cerca de 0,008% de radiação na forma de fótons, ou radiação eletromagnética,
• cerca de 0,1% de neutrinos, que agora se comportam como matéria, mas se comportavam como radiação no início, quando sua massa era muito pequena em comparação com a quantidade de energia (cinética) que possuíam,
• cerca de 4,9% de matéria normal, que inclui átomos, plasmas, buracos negros e tudo o que já foi feito de prótons, nêutrons ou elétrons,
• cerca de 27% de matéria escura, cuja natureza ainda é desconhecida, mas que deve ser maciça e aglomerados, aglomerados e gravita como a matéria,
• e cerca de 68% de energia escura, que se comporta como se fosse energia inerente ao próprio espaço.

Se extrapolarmos para trás, com base no que inferimos hoje, podemos aprender que tipo de energia dominou o Universo em expansão em várias épocas da história cósmica.

A importância relativa da matéria escura, energia escura, matéria normal e neutrinos e radiação no Universo em expansão são ilustradas aqui. Embora a energia escura domine hoje, era insignificante no início. A matéria escura tem sido muito importante por tempos cósmicos extremamente longos, e podemos ver suas assinaturas até mesmo nos primeiros sinais do Universo. Enquanto isso, a radiação foi dominante nos primeiros 10.000 anos do Universo após o Big Bang. (E. SIEGEL)

Observe, muito importante, que o Universo responde de uma maneira fundamentalmente diferente a essas diferentes formas de energia. Quando perguntamos, o que o espaço está fazendo enquanto está se expandindo? estamos realmente perguntando qual descrição do espaço faz sentido para o fenômeno que estamos considerando. Se você considerar um Universo cheio de radiação, porque o comprimento de onda aumenta à medida que o Universo se expande, a analogia do espaço se estende muito bem. Se o Universo se contraísse, as compressões espaciais explicariam como o comprimento de onda diminui (e a energia aumenta) igualmente bem.

Por outro lado, quando algo estica, afina, assim como quando algo comprime, engrossa. Este é um pensamento razoável para radiação, mas não para energia escura, ou qualquer forma de energia intrínseca ao próprio tecido do espaço. Quando consideramos a energia escura, a densidade de energia sempre permanece constante. À medida que o Universo se expande, seu volume aumenta enquanto a densidade de energia não muda e, portanto, a energia total aumenta. É como se um novo espaço estivesse sendo criado devido à expansão do Universo.

Nenhuma das explicações funciona universalmente bem: é que se trabalha para explicar o que acontece com a radiação (e outras partículas energéticas) e se trabalha para explicar o que acontece com a energia escura (e qualquer outra coisa que seja uma propriedade intrínseca do espaço, ou um campo quântico acoplado diretamente a espaço).

Uma ilustração de como o espaço-tempo se expande quando é dominado pela Matéria, Radiação ou energia inerente ao próprio espaço, como a energia escura. Todas essas três soluções são deriváveis ​​das equações de Friedmann. Observe que visualizar a expansão como 'esticando' ou 'criando novo espaço' não será suficiente em todos os casos. (E. SIEGEL)

O espaço, ao contrário do que você pode pensar, não é uma substância física que você pode tratar da mesma forma que trataria partículas ou alguma outra forma de energia. Em vez disso, o espaço é simplesmente o pano de fundo – um palco, se você preferir – contra ou sobre o qual o próprio Universo se desdobra. Podemos medir quais são as propriedades do espaço e, sob as regras da Relatividade Geral, se pudermos saber o que está presente nesse espaço, podemos prever como o espaço se curvará e evoluirá. Essa curvatura e essa evolução determinarão a trajetória futura de cada quantum de energia que existe.

A radiação dentro do nosso Universo se comporta como se o espaço estivesse se esticando, embora o próprio espaço não esteja ficando mais fino. A energia escura dentro do nosso Universo se comporta como se um novo espaço estivesse sendo criado, embora não haja nada que possamos medir para detectar essa criação. Na realidade, a Relatividade Geral só pode nos dizer como o espaço se comporta, evolui e afeta a energia dentro dele; ele não pode nos dizer fundamentalmente o que o espaço realmente é. Em nossas tentativas de dar sentido ao Universo, não podemos justificar a adição de estruturas estranhas sobre o que é mensurável. O espaço não se estende nem é criado, mas simplesmente é. Pelo menos, com a Relatividade Geral, podemos aprender com precisão como é, mesmo que não possamos saber exatamente o que é.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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