Por que o céu está escuro à noite?
Não há dúvida, para quem já experimentou, que o céu noturno é de fato escuro. Mas explicar esse fato simples, se você pensar profundamente, levanta muitas questões que precisam ser abordadas. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO FORESTWANDER)
A escuridão do céu noturno era um mistério para gerações de humanos. Aqui está o motivo.
Da nossa perspectiva aqui no Sistema Solar, faz sentido intuitivo absoluto por que vemos o que fazemos durante o dia versus a noite. Durante o dia, a luz solar inunda nossa atmosfera em todas as direções, com a luz solar direta e refletida vindo de todos os lugares que podemos ver. À noite, a luz do sol não inunda a atmosfera e, portanto, está escuro em todos os lugares do céu em que não há um ponto de luz, como uma estrela, planeta ou a Lua.
Mas você pode começar a se perguntar um pouco mais profundamente do que isso. Se o Universo é infinito, nossa linha de visão não deveria eventualmente encontrar uma estrela, não importa em que direção olhemos? Dado que existem trilhões de galáxias por aí, e que os telescópios são capazes de ver as mais fracas que nossos olhos não conseguem, por que a luz de todas elas combinadas não ilumina todos os pontos do céu? Não é uma pergunta fácil de responder, mas a ciência está à altura do desafio.
A Via Láctea perto do Grand Canyon, coincidentemente o primeiro lugar que eu mesmo vi a Via Láctea, o que não aconteceu até meus 20 anos, pois cresci em áreas urbanas. O plano da Via Láctea aparece escuro, em silhueta contra as estrelas de fundo localizadas no plano de nossa galáxia. (BUREAU DE GESTÃO DE TERRENOS, SOB UMA LICENÇA CC-BY-2.0)
Este é um quebra-cabeça que preocupa os cientistas há séculos. Se você pensar sobre isso profundamente, pode até não fazer sentido para você. Sim, é verdade que nossa atmosfera aqui na Terra é amplamente transparente à luz visível, que é o que nos permite ver o vasto abismo do espaço profundo à noite. Nossa localização na galáxia significa que apenas o plano galáctico é obscurecido pela poeira e gás em primeiro plano que bloqueiam a luz da região central da Via Láctea.
Mas fora isso, você pode esperar ver luz em todas as direções e em todos os locais que você puder olhar. Afinal, se o Universo é realmente infinito, então o vazio do espaço profundo continua para sempre. Em qualquer direção que você possa imaginar, eventualmente sua linha de visão se deparará com um ponto de luz brilhante.
O composto UV-visível-IR completo do XDF; a maior imagem já divulgada do Universo distante. Em uma região de apenas 1/32.000.000 do céu, encontramos 5.500 galáxias identificáveis, todas graças ao Telescópio Espacial Hubble. No entanto, mesmo nesta visão incrivelmente profunda, revelando um Universo com centenas de bilhões (ou mais) de galáxias dentro dele, o espaço ainda parece escuro. (NASA, ESA, H. TEPLITZ E M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY) E Z. LEVAY (STSCI))
Se isso fosse verdade, então o céu noturno não seria escuro, mas seria iluminado por todas as estrelas cujo caminho de luz fez a longa jornada até a Terra.
No entanto, mesmo quando olhamos para as profundezas do que parece ser um espaço vazio, onde nenhuma estrela ou galáxia pode ser vista por olhos humanos ou mesmo telescópios convencionais, nossos observatórios mais poderosos revelam muito do que está lá, mas ainda são apenas alguns pontos de luz contra o pano de fundo preto do espaço vazio.
Sim, o Universo está cheio de estrelas e galáxias. Sim, eles estão a enormes distâncias: milhões, bilhões ou até dezenas de bilhões de anos-luz de distância. A luz das estrelas percorre o Universo e chega ao nosso melhor equipamento de observação, revelando um Universo rico e de enorme extensão. Mas enorme, não importa quão grande seja, está muito, muito longe do infinito.
Pode ser possível que o Universo seja verdadeiramente infinito, com um número infinito de estrelas e galáxias em todas as direções. Mas se esse fosse o caso, você esperaria que, eventualmente, sua linha de visão cruzasse um objeto luminoso. Se fosse esse o caso, a escuridão seria impossível. (ANDREW Z. COLVIN / WIKIMEDIA COMMONS)
O júri, cientificamente, ainda não sabe se o Universo é finito ou infinito; simplesmente não sabemos. O que sabemos, no entanto, é que a parte do Universo que é observável para nós deve ser finita. Mesmo que não sabíamos praticamente nada sobre a estrutura em grande escala do Universo até a segunda metade do século 20, ainda sabíamos que um Universo observável infinitamente grande era simplesmente uma impossibilidade.
Nos anos 1800, Heinrich Olbers notou um paradoxo matemático. Se você tivesse um Universo infinito com uma densidade constante de estrelas e/ou galáxias, então você acabaria vendo uma quantidade infinita de luz de todas as direções que você olhasse. Você veria todas as estrelas que estavam próximas, e então nos espaços entre as estrelas, você veria as estrelas mais distantes. Nos espaços entre essas estrelas, você veria ainda mais estrelas que estavam a uma distância maior. Independentemente da distância até eles - milhões, bilhões, trilhões, quatrilhões de anos-luz, etc. - eventualmente, para onde quer que você olhasse, você encontraria uma estrela.
As estrelas se formam em uma ampla variedade de tamanhos, cores e massas, incluindo muitas estrelas azuis brilhantes que são dezenas ou até centenas de vezes mais massivas que o Sol. Isso é demonstrado aqui no aglomerado estelar aberto NGC 3766, na constelação de Centaurus. Se o Universo fosse infinito, mesmo um aglomerado como este não apresentaria 'lacunas' entre as estrelas, pois uma estrela mais distante acabaria por preencher essas lacunas. (ESO)
Pense nisso matematicamente, se quiser. Se a densidade numérica de estrelas for constante em todo o espaço, o número total de estrelas que você encontrará será igual à densidade estelar multiplicada pelo volume do Universo. Quanto mais distante uma estrela está, mais fraca ela aparece: seu brilho diminui conforme a distância inversa ao quadrado (~1/r²).
Mas o número total de estrelas que você pode ver a uma determinada distância está relacionado à área da superfície de uma esfera, que aumenta com a distância ao quadrado. (A fórmula para a área da superfície de uma esfera é 4πr².) Multiplique o número de estrelas pelo brilho de cada estrela e você terá uma constante. O brilho a uma certa distância é um valor particular: vamos chamá-lo de B. Duas vezes mais longe, esse brilho também é B. Três vezes? Ainda B. Quatro? B novamente.
Uma ilustração do Paradoxo de Olbers, e como dado um Universo uniformemente denso, você encontraria uma quantidade infinita de luz estelar em qualquer direção. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO HTKYM)
Agora some essa série: B + B + B + B + ….. e assim por diante. você pode ver onde isso vai dar? A resposta, infelizmente, é para o infinito. A menos que haja algum corte para essa série, você obterá um valor infinito para o brilho do céu noturno em todas as direções.
No século 19, Olbers usou essa linha de raciocínio para concluir que o Universo observável não poderia ser infinito, mas ele não tinha certeza. Afinal, havia outras preocupações astronômicas. Uma das objeções comuns era que essa análise ingênua não levava em conta toda a poeira bloqueadora de luz que estava claramente presente e que você podia ver apenas olhando para o plano da Via Láctea. Mesmo nos dias modernos, muitas de nossas visões astronômicas mais famosas estão cheias de poeira que bloqueia a luz.
Nuvens moleculares escuras e empoeiradas, como esta encontrada em nossa Via Láctea, entrarão em colapso com o tempo e darão origem a novas estrelas, com as regiões mais densas formando as estrelas mais massivas. No entanto, embora haja muitas estrelas por trás dela, a luz das estrelas não pode romper a poeira; ele é absorvido. (ESO)
Em um Universo finito, essa poeira pode competir com a luz das estrelas, pois a luz visível que atinge a poeira é absorvida e re-irradiada em energias mais baixas. Mas se o Universo fosse realmente infinito, o problema do Paradoxo de Olbers apareceria para cada grão de poeira lá fora: cada grão teria que absorver uma quantidade infinita de luz estelar, até que também irradiasse na mesma temperatura de toda a luz. absorveu!
Em outras palavras, algo estava errado. Nosso Universo não poderia ser estático, infinito e cheio de estrelas que brilhavam para sempre. Se fosse esse o caso, o céu noturno seria para sempre e eternamente brilhante, em todos os locais e em todas as direções. Claramente, algo mais está em ação aqui.
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, talvez até uma quantidade infinita, assim como o nosso além disso. O Universo pode ser infinito, mas só podemos ver a luz que viajou por 13,8 bilhões de anos: a quantidade de tempo desde o Big Bang. (FRÉDÉRIC MICHEL E ANDREW Z. COLVIN, ANOTADO POR E. SIEGEL)
O fato que nos salva, que Olbers não tinha como saber em sua época, não é que o Universo não seja infinito em extensão (ainda poderia ser), mas que não volta, em sua forma atual, por um tempo infinito. O Universo que habitamos hoje teve um começo: um dia sem ontem. Esse início é conhecido como o Big Bang, que estabelece uma linha de partida para toda a matéria, radiação, energia e luz que possivelmente existe no Universo observável.
O Universo não existe desde sempre e, portanto, só podemos observar estrelas e galáxias que estão a uma distância específica e finita. Portanto, só podemos receber uma quantidade finita de luz, calor e energia deles, e não pode haver uma quantidade arbitrariamente grande de luz em nosso céu noturno.
Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. As galáxias dão lugar à estrutura em grande escala e ao plasma quente e denso do Big Bang nos arredores. Tentar descobrir quantas galáxias existem no Universo visível é uma das grandes buscas cósmicas do nosso tempo. (USUÁRIO DA WIKIPEDIA PABLO CARLOS BUDASSI)
Mas isso traz outra peça do quebra-cabeça. Se o Universo fosse quente e denso e cheio de matéria e radiação em algum momento inicial, como afirma o Big Bang, então essa radiação inicial deveria eventualmente chegar aos nossos olhos. Para onde quer que olhemos, em todas as direções, não deve haver escapatória dessa radiação.
De fato, com base em observações modernas, podemos calcular quantos fótons remanescentes do Big Bang estão preenchendo o Universo hoje, e a resposta é 411 deles para cada centímetro cúbico de espaço. Se você está perguntando por que não detectamos, a resposta é que sim, e fazemos o tempo todo. Se você pegasse uma televisão de estilo muito antigo, uma com antenas de orelha de coelho, para as profundezas do espaço intergaláctico, longe de qualquer fonte de rádio estelar ou terrestre, você poderia sintonizá-la no canal 3. Você ainda veria cerca de 1% da neve que você vê na Terra; essa é a radiação do Big Bang.
Este aparelho de televisão de estilo vintage tem as antenas da velha escola em cima, usadas para captar sinais de televisão. Aqui na Terra, uma pequena fração desse sinal de “neve”, cerca de 1%, é devido à radiação do Big Bang. (GETTY)
O fato é que recebemos essa luz do Big Bang e ela é encontrada em todo o céu de maneira inevitável. A única razão pela qual você não a vê a olho nu é porque o Universo se expandiu ao longo da história cósmica e, portanto, essa luz antes visível agora é deslocada para comprimentos de onda tão longos que seus olhos não podem vê-los, sua pele não pode senti-los, e seu corpo não pode detectá-lo.
Mas seu micro-ondas e antenas de rádio podem captá-los. Na verdade, foi assim que essa radiação foi descoberta e como o Big Bang foi confirmado pela primeira vez: com uma antena de rádio gigante que captou esse sinal, não importa quando ou para onde os cientistas que a operavam estivessem olhando. Se nossos olhos tivessem se adaptado para ver a luz de microondas ou rádio, veríamos, de fato, um céu noturno uniformemente brilhante em todas as direções, sem manchas escuras em qualquer lugar.
De acordo com as observações originais de Penzias e Wilson, o plano galáctico emitiu algumas fontes astrofísicas de radiação (centro), mas acima e abaixo, tudo o que restava era um fundo uniforme e quase perfeito de radiação. A temperatura e o espectro dessa radiação já foram medidos, e a concordância com as previsões do Big Bang é extraordinária. Se pudéssemos ver a luz de micro-ondas com nossos olhos, todo o céu noturno se pareceria com o oval verde mostrado. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
São necessários dois fatos, juntos, para explicar por que o céu noturno é escuro. A primeira é que o Universo existe há apenas um tempo finito, o que limita a extensão e a quantidade de radiação que atualmente é observável para nós. A segunda é que só podemos ver a luz em uma parte limitada do espectro eletromagnético: a porção óptica.
Se pudéssemos, em vez disso, ver o céu na luz de micro-ondas, o céu pareceria brilhante em todas as direções o tempo todo. É um pouco irônico, quando você pensa sobre isso, que são apenas nossas limitações muito humanas que fizeram o céu noturno parecer um lugar interessante para explorar. Hoje, construímos satélites projetados para medir essa radiação de forma primorosa, e eles nos ensinaram muito mais sobre a origem e as propriedades do nosso Universo do que jamais aprenderíamos usando apenas nossos sentidos limitados. O céu noturno pode parecer escuro para nós, mas a luz que está sempre lá nos ensinou a resolução final para esse paradoxo cósmico.
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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