• Começa Com Um Estrondo

Onde, exatamente, está o centro do universo?

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, mas as galáxias distantes parecem menores, mais jovens e menos evoluídas do que as que encontramos nas proximidades. (SDSS III, DIVULGAÇÃO DE DADOS 8)

E, se temos um, quão perto estamos disso?

Não importa em que direção olhemos, ou a que distância nossos telescópios e instrumentos são capazes de ver, o Universo parece praticamente o mesmo. O número de galáxias, os tipos de galáxias que estão presentes, as populações de estrelas que existem dentro delas, as densidades de matéria normal e matéria escura e até mesmo a temperatura da radiação que vemos são todos uniformes: independentemente da direção que Na maior das escalas cósmicas, a diferença média entre quaisquer duas regiões é de apenas 0,003%, ou cerca de 1 parte em 30.000.

As maiores diferenças que vemos, na verdade, não são uma função de qual direção olhamos, mas sim de quão longe estamos olhando. Quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo estamos vendo o Universo e quanto maior a quantidade de luz desses objetos distantes é desviada para comprimentos de onda mais longos. Muitas pessoas, ao ouvir isso, têm uma imagem particular em suas cabeças: quanto maior a quantidade de luz desviada, mais rápido esses objetos estão se afastando de nós. Portanto, se você olhar em todas as direções e reconstruir, em que ponto, no espaço, veríamos todas as direções retrocedendo igualmente? você pode localizar o centro do Universo.

Só que isso não está certo. Aqui está o que realmente está acontecendo com nosso melhor conhecimento científico sobre o centro do Universo.

Um objeto se movendo próximo à velocidade da luz que emite luz terá a luz que emite parecer deslocada dependendo da localização de um observador. Alguém à esquerda verá a fonte se afastando dela e, portanto, a luz será desviada para o vermelho; alguém à direita da fonte a verá deslocada para o azul, ou deslocada para frequências mais altas, à medida que a fonte se move em direção a ela. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO TXALIEN)

A maioria de nós entende, intuitivamente, que quando os objetos se movem em sua direção, as ondas que eles emitem parecem comprimidas, com suas cristas e vales mais próximas. Da mesma forma, quando se afastam de você, as ondas parecem o oposto de comprimidas – rarefeitas – com suas cristas e vales mais distantes do que se estivessem estacionárias. Embora normalmente experimentemos isso com sons, pois você pode dizer se um caminhão de bombeiros, um carro de polícia ou o carrinho de sorvete está se movendo em sua direção ou se afastando de você, dependendo do tom, é verdade para qualquer onda, incluindo a luz. Referimo-nos a este deslocamento das ondas baseado em movimento como o efeito Doppler , em homenagem seu descobridor .

Só que, quando se trata de luz, uma mudança no comprimento de onda não corresponde a tons mais altos ou mais baixos, mas a energias mais altas ou mais baixas. Para luz:

• comprimentos de onda mais longos significam frequências mais baixas, energias mais baixas e cores mais vermelhas,
• enquanto comprimentos de onda mais curtos significam frequências mais altas, energias mais altas e cores mais azuis.

Para qualquer objeto individual que medimos, devido à natureza da matéria no Universo, haverá átomos e íons presentes que reconhecemos. Todos os átomos e íons emitem e/ou absorvem luz apenas em comprimentos de onda específicos; se pudermos identificar quais átomos estão presentes e pudermos medir uma mudança sistemática para essas linhas espectrais, podemos calcular o quanto a luz realmente está desviada para o vermelho ou para o azul.

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 está uma galáxia, maior é o desvio para o vermelho da sua luz. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

O que encontramos, quando fazemos isso, é algo bastante notável. Para os objetos mais próximos, vemos tanto redshifts quanto blueshifts, correspondendo a velocidades que variam de algumas centenas a alguns milhares de quilômetros por segundo. Galáxias como a Via Láctea, que não estão fortemente ligadas a grupos ou aglomerados grandes e massivos, normalmente atingem velocidades mais baixas, enquanto galáxias próximas ao centro de aglomerados grandes e massivos podem atingir velocidades tão altas quanto ~ 1% da velocidade da luz .

À medida que olhamos mais longe, para objetos a distâncias maiores, ainda vemos o mesmo alcance – as velocidades inferidas entre as galáxias que vemos variam de centenas a milhares de km/s – mas tudo muda para cores mais vermelhas, dependendo de sua distância de nós. .

As observações são muito claras: quanto mais longe um objeto está de nós, em média, maior é o desvio para o vermelho observado. Mas isso é porque o objeto está realmente se movendo pelo espaço, em relação a nós, quando emite luz versus quando absorvemos e medimos a luz? Ou é porque há uma expansão geral acontecendo em escalas cósmicas, fazendo com que a luz continue a mudar durante sua longa jornada pelo espaço que nos separa do que estamos tentando observar?

Enquanto o primeiro cenário é fácil de entender – objetos existem no espaço e se movem através dele – o segundo requer um pouco de explicação. Na Relatividade Geral de Einstein, o espaço não é simplesmente um fundo estático pelo qual partículas e outros objetos se movem, mas é parte de um tecido, juntamente com o tempo, que evolui dependendo da matéria e energia presentes nele. Uma grande massa em um determinado local fará com que esse tecido se curve em torno desse local, obrigando cada quantum nesse espaço a viajar não em linha reta, mas ao longo de um caminho determinado pela curvatura do espaço. A curvatura da luz das estrelas em torno do Sol durante um eclipse solar total, por exemplo, foi o primeiro teste definitivo que mostrou que a gravidade obedece às previsões de Einstein, em conflito com as da teoria mais antiga da gravitação universal de Newton.

Outra coisa que a Relatividade Geral dita é que se você tem um Universo que é uniformemente preenchido com matéria e/ou energia, esse Universo não pode manter um espaço-tempo estático e imutável. Todas essas soluções são imediatamente instáveis, e seu Universo deve expandir ou contrair. À medida que este espaço-tempo evolui, a luz dentro dele também evolui:

• com seu comprimento de onda diminuindo à medida que o tecido do espaço se contrai,
• ou com seu comprimento de onda aumentando à medida que o tecido do espaço se expande.

À medida que a luz viaja pelo Universo, os efeitos da evolução do espaço ficam impressos nas próprias propriedades da luz que eventualmente chegará aos nossos olhos.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. (ROB KNOP)

Em princípio, ambos os efeitos estão ocorrendo. O tecido do próprio espaço está evoluindo, fazendo com que a luz que viaja dentro dele mude sistematicamente, e as galáxias e outros objetos emissores de luz dentro do Universo também estão se movendo por esse espaço em evolução, levando a mudanças dependentes do movimento.

Não há como saber, desde os primeiros princípios, o que nosso Universo estaria fazendo. Matematicamente, você pode ter várias soluções para a mesma equação, e as equações da Relatividade Geral não são exceção a essa regra. O Universo – observado como cheio de coisas – poderia estar se expandindo ou se contraindo. Sobreposto a essa mudança cosmológica, esperaríamos encontrar o que chamamos de velocidades peculiares , ou como as coisas dentro desse Universo se movem devido a efeitos como as forças gravitacionais de todas as outras fontes de matéria e energia no Universo.

Qualquer que seja a mudança que observemos para um objeto único em particular será uma combinação de ambos os efeitos. Sempre que simplesmente medimos como a luz de um objeto é deslocada, não podemos saber qual componente é cosmológico e qual componente não é cosmológico. Mas observando um grande número de objetos a muitas distâncias, podemos descobrir, a partir das tendências gerais, médias, como o Universo está evoluindo como um todo.

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. Todos os dados apontam para um Universo em expansão. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Como observado pela primeira vez no final da década de 1920, as evidências não apenas apontam para um Universo que está se expandindo, mas a maneira prevista pela qual o Universo está se expandindo espetacularmente concorda com as previsões da Relatividade Geral para um Universo uniformemente preenchido com vários tipos de matéria. e energia. Uma vez que você saiba do que seu Universo é feito e como ele está se expandindo hoje, as equações da Relatividade Geral são completamente preditivas: podemos descobrir como era o Universo, em termos de tamanho, distância de separação e sua taxa de expansão instantânea, em cada ponto em seu passado, e como será em cada ponto do nosso futuro.

Se é isso que está acontecendo, no entanto, o Universo em expansão não é como uma explosão, que teve um ponto de origem em que tudo – como estilhaços – voa para fora em velocidades variadas. Em vez disso, o Universo em expansão é mais como um pão levedado com passas por toda parte. Se você é um objeto gravitacionalmente ligado, como uma galáxia, você é uma das passas, enquanto o próprio espaço é a massa. À medida que a massa fermenta, as passas individuais parecem estar se afastando umas das outras, mas as passas em si não estão se movendo pela massa. Cada passa se vê como relativamente estacionária, mas cada outra passa que vê parecerá se afastar dela, com as passas mais distantes parecendo se afastar mais rapidamente.

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)

Então, como sabemos o tamanho dessa bola de massa, onde estamos localizados dentro dela e onde está seu centro?

Esta só seria uma pergunta passível de resposta se pudéssemos ver além da borda da massa, o que não podemos. De fato, até os limites extremos da parte do Universo que podemos observar, o Universo ainda é perfeitamente uniforme dentro da mesma 1 parte em 30.000, em todos os lugares. Nosso Big Bang, que ocorreu há 13,8 bilhões de anos, significa que podemos ver no máximo cerca de ~46 bilhões de anos-luz em todas as direções e, mesmo nesse limite distante, ainda é notavelmente uniforme. Isso não impõe restrições a:

• quão grande pode ser a bola de massa que representa o nosso Universo,
• quão grande é o Universo não observável além do nosso limite de visibilidade,
• o que topologia e conectividade do Universo inobservável é,
• e quais são as formas permitidas para os limites do nosso Universo, incluindo se ele ainda tem um centro (ou não), se é finito (ou não), e qual é a nossa localização em relação a qualquer estrutura maior que o Universo possa ter.

Tudo o que podemos concluir é que o Universo parece perfeitamente consistente com a Relatividade Geral, e que, assim como qualquer passa individual dentro da massa que não podia ver além da borda da própria massa, qualquer observador poderia reivindicar o óbvio (mas incorreta) conclusão que você tiraria se visse tudo se afastando de você, estou no centro.

O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista, mas certamente há mais, Universo inobservável como o nosso além disso. É injusto associar qualquer ponto específico ao centro, pois o que percebemos é determinado pela quantidade de tempo que se passou desde que a luz observada hoje foi emitida, e não pela geometria do Universo. (USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS FRÉDÉRIC MICHEL E AZCOLVIN429, ANOTADO POR E. SIEGEL)

Só que não é correto dizer que estamos no centro. A única coisa privilegiada sobre nossa localização no espaço é que os objetos que vemos nas proximidades são os objetos mais antigos e evoluídos que podemos ver hoje, sendo os objetos mais distantes mais jovens. A taxa de expansão nas proximidades é menor, atualmente, do que a taxa de expansão que vemos em distâncias maiores. E a luz dos objetos mais próximos é menos desviada para o vermelho, e seus desvios são menos dominados pelo componente cosmológico do desvio para o vermelho, do que os objetos mais distantes.

Isso porque os objetos que existem em todo o Universo não podem enviar sinais que viajem mais rápido que a luz, e que a luz que observamos deles, hoje, corresponde à luz que está chegando agora, mas deve ter sido emitida há algum tempo. . Quando olhamos para trás no espaço, também estamos olhando para trás no tempo, vendo objetos:

• como eram no passado,
• quando eram mais jovens e mais próximos (no tempo) do Big Bang,
• quando o Universo era mais quente, mais denso e se expandia mais rapidamente,
• e, para que essa luz chegasse aos nossos olhos, ela precisava ser esticada em comprimentos de onda mais longos ao longo de toda a sua jornada.

Há, no entanto, uma coisa que podemos olhar se quiséssemos saber onde, de nossa perspectiva, todas as direções realmente pareciam tão perfeitamente uniformes quanto possível: a radiação cósmica de fundo, que em si é a radiação remanescente do Big Bang.

O brilho restante do Big Bang é 3,36 milikelvin mais quente em uma direção (o vermelho) do que a média, e 3,36 milikelvin mais frio no (azul) do que a média. Isso geralmente é atribuído ao nosso movimento total através do espaço em relação ao quadro de repouso do Fundo de Microondas Cósmica, que é cerca de 0,1% da velocidade da luz em uma direção específica. (DELABROUILLE, J. ET AL.ASTRON.ASTROPHYS. 553 (2013) A96)

Em todas as localizações do espaço, vemos um banho uniforme de radiação precisamente a 2,7255 K. Existem variações nessa temperatura dependendo da direção que olhamos na ordem de algumas dezenas a talvez algumas centenas de microkelvin: correspondendo àquelas de 1 parte -em-30.000 imperfeições. Mas também vemos que uma direção parece um pouco mais quente do que a direção oposta: o que observamos como um dipolo na radiação cósmica de fundo em micro-ondas .

O que poderia causar este dipolo , que na verdade é bem grande: cerca de ± 3,4 milikelvin, ou cerca de 1 parte em 800?

A explicação mais simples é, voltando ao início de nossa discussão, nosso movimento real através do Universo. Na verdade, existe um quadro de repouso para o Universo, se você estiver disposto a considerar, neste local, devo estar me movendo a essa velocidade específica para que o fundo de radiação que vejo seja realmente uniforme. Estamos próximos da velocidade certa para nossa localização, mas um pouco errados: essa anisotropia dipolar corresponde a uma velocidade, ou uma velocidade peculiar, de cerca de 368 ± 2 km/s. Se nos impulsionássemos nessa velocidade precisa ou mantivéssemos nosso movimento atual, mas mudássemos nossa posição para cerca de 17 milhões de anos-luz de distância, pareceríamos estar em um ponto indistinguível de uma definição ingênua do centro do Universo. : em repouso em relação à expansão cosmológica geral observada.

Em uma escala logarítmica, o Universo próximo tem o sistema solar e nossa galáxia Via Láctea. Mas muito além estão todas as outras galáxias do Universo, a teia cósmica em grande escala e, eventualmente, os momentos imediatamente após o próprio Big Bang. Embora não possamos observar mais longe do que este horizonte cósmico que está atualmente a uma distância de 46,1 bilhões de anos-luz de distância, haverá mais Universo para se revelar a nós no futuro. O Universo observável contém 2 trilhões de galáxias hoje, mas com o passar do tempo, mais Universo se tornará observável para nós, talvez revelando algumas verdades cósmicas que são obscuras para nós hoje. (USUÁRIO DA WIKIPEDIA PABLO CARLOS BUDASSI)

O problema é que, não importa em que lugar do Universo você esteja, você se encontrará existindo neste momento específico: uma certa quantidade finita de tempo após o Big Bang. Tudo o que você vê aparece como era quando a luz foi emitida, com a luz que chega sendo deslocada pelos movimentos relativos do que você está observando em relação a você e também pela expansão do Universo.

Dependendo de onde você mora, você pode ver um dipolo em seu fundo de microondas cósmico correspondendo a um movimento de centenas ou mesmo milhares de km/s em uma direção específica, mas uma vez que você considera essa peça do quebra-cabeça, você tem um Universo que parecia da nossa perspectiva: uniforme, nas maiores escalas, em todas as direções.

O Universo está centrado em nós no sentido de que a quantidade de tempo que se passou desde o Big Bang e as distâncias que podemos observar são finitas. A parte do Universo que podemos acessar é provavelmente apenas um pequeno componente do que realmente existe lá fora. O Universo pode ser grande, pode voltar a si mesmo ou pode ser infinito; nós não sabemos. O que temos certeza é que o Universo está se expandindo, a radiação que o atravessa está sendo esticada para comprimentos de onda mais longos, está ficando menos densa e que objetos mais distantes aparecem como eram no passado. É uma pergunta profunda perguntar onde está o centro do Universo, mas a resposta real – que não há centro – é talvez a conclusão mais profunda de todas.

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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