A nossa visão de uma pequena região do Universo perto da capa galáctica do norte, onde cada pixel da imagem representa uma galáxia mapeada. Na escala maior, o Universo é o mesmo em todas as direcções e em todos os locais mensuráveis, mas as galáxias distantes parecem mais pequenas, mais jovens e menos evoluídas do que as que encontramos nas proximidades.
SDSS III, data release 8
Há duas coisas que as pessoas aprendem sobre o Universo que as surpreendem mais do que qualquer outra: que o Universo não existe desde sempre, mas apenas há um tempo finito desde o Big Bang, e que tem vindo a expandir-se desde que esse evento teve lugar. A maioria das pessoas ouve intuitivamente esse “estrondo” e imagina uma explosão, e depois concebem a expansão como se visualizassem estilhaços atirados para fora em todas as direcções. É verdade que a matéria e a energia no Universo começaram num estado quente e denso ao mesmo tempo, e depois expandiram-se e arrefeceram à medida que todos os vários componentes se afastavam uns dos outros. Mas isso não significa que a imagem da “explosão” esteja correcta. Temos uma pergunta muito boa de Jasper Evers, que pondera:
Interrogo-me como não existe um centro do Universo e como a radiação cósmica de fundo está longe, para onde quer que olhemos. Parece-me que quando o universo se expande… deve haver um lugar onde começou a expandir-se.
Afinal, o que esta pergunta se coloca é exactamente o que se alinha com a nossa experiência sempre que nos deparamos com uma explosão.
As primeiras fases da explosão do ensaio nuclear da Trindade, apenas 16 milissegundos após… detonação. O topo da bola de fogo tem 200 metros de altura. Se não fosse a presença do solo, a explosão em si não seria um hemisfério, mas sim uma esfera quase perfeitamente simétrica.
Berlyn Brixner
Quando se tem uma explosão, independentemente de ser baseada numa reacção de combustão, uma explosão nuclear, uma ruptura causada pela sobrepressão de um recipiente, etc, as seguintes coisas são verdade.
- Uma explosão começa sempre num local específico no espaço.
- Uma explosão ocupa inicialmente um volume pequeno mas finito.
- E uma explosão expande-se rapidamente para fora em todas as direcções, limitada apenas pelas forças e barreiras externas que encontra.
Quando se tem uma explosão, algum material será frequentemente apanhado e/ou afectado por ela, e será empurrado radialmente para fora, com algum desse material (tipicamente o material mais leve) a deslocar-se para fora mais rapidamente. Esse material mais rápido espalhar-se-á mais rapidamente e mais longe do que o resto do material, e tornar-se-á menos denso como resultado. Mesmo que a densidade de energia caia para todo o lado, ela cai mais rapidamente longe da explosão, porque o material mais energético se torna menos denso: na periferia. Apenas medindo as trajectórias destas diferentes partículas, é sempre possível reconstruir onde ocorreu a explosão.
Se olharmos cada vez mais longe, também olhamos cada vez mais longe para o passado. O mais distante… que podemos ver no passado é 13,8 mil milhões de anos: a nossa estimativa para a idade do Universo. Foi a extrapolação de volta aos tempos mais remotos que levou à ideia do Big Bang. Embora tudo o que observamos seja consistente com a estrutura do Big Bang, não é algo que alguma vez possa ser provado.
NASA / STScI / A. Felid
Mas este quadro que acabei de pintar para si – de uma explosão – não corresponde ao nosso Universo. O Universo tem o mesmo aspecto aqui que tem a alguns milhões ou mesmo alguns biliões de anos-luz de distância. Tem as mesmas densidades, as mesmas energias, o mesmo número de galáxias num determinado volume de espaço, etc.
Os objectos que estão muito longe parecem de facto afastar-se de nós a maior velocidade do que os objectos próximos, mas também não parecem ter a mesma idade que os objectos mais lentos e mais próximos. Em vez disso, à medida que vamos para distâncias extremas, os mais distantes parecem mais jovens, menos evoluídos, em maior número, e mais pequenos em tamanho e massa. Apesar do facto de podermos ver galáxias a distâncias superiores a 30 mil milhões de anos-luz, se rastrearmos como tudo se move e reconstruirmos as suas trajectórias de volta a uma origem comum, vemos o mais improvável dos resultados: o percebido “centro” aterra mesmo em nós.
O supercluster Laniakea, contendo a Via Láctea (ponto vermelho), é o lar do nosso Grupo Local e assim… muito mais. A nossa localização situa-se na periferia do Cluster Virgo (grande colecção branca perto da Via Láctea). Apesar do aspecto enganador da imagem, esta não é uma estrutura real, pois a energia escura irá afastar a maioria destes tufos, fragmentando-os com o passar do tempo. No entanto, se o nosso Universo começasse com uma explosão, o centro reconstruído da explosão estaria aqui mesmo: neste supercluster, que ocupa menos de um bilião do volume do Universo observável.
Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014)
Nossa de todos os triliões de galáxias no Universo, quais são as probabilidades de estarmos mesmo no centro da explosão que iniciou o Universo? Quais são as probabilidades, para além daquelas minúsculas, de a explosão inicial ter sido configurada de tal forma, completa com
- densidades irregulares e não homogéneas,
- vários tempos de início para a formação de estrelas e crescimento da galáxia,
- energias que variam tremendamente de lugar para lugar, de uma forma correcta e afinada,
- e uma misteriosa 2.7 K de fundo brilham em todas as direcções,
para conspirar para que estejamos exactamente no centro? Há muita coisa que teríamos de contentar para explicar isto, e muitas observações continuariam a ser inexplicáveis. O cenário de explosão não é apenas irrealista; é um desafio às leis conhecidas da física.
Uma explosão no espaço teria o material mais exterior a afastar-se mais rapidamente, o que significa que… ficaria menos denso, perderia energia mais rapidamente, e exibiria propriedades diferentes quanto mais longe se afastasse do centro. Teria também de se expandir para algo, em vez de esticar o espaço em si. O nosso Universo não suporta isto.
ESO
Em vez disso, contudo, a lei da gravidade que governa o nosso Universo – a teoria geral da Relatividade de Einstein – prevê que um Universo cheio de matéria e energia não explode, mas expande-se. Um Universo que está cheio de igual quantidade de coisas em todo o lado, com as mesmas densidades e temperaturas médias, deve ou expandir-se ou contrair-se; uma vez que observamos uma aparente recessão, a solução da expansão é a única que é física. (Da mesma forma que a raiz quadrada de 4 pode ser +2 ou -2, mas apenas uma delas corresponderá ao número físico de maçãs nas suas mãos.)
Existe uma concepção errada de que um Universo em expansão pode ser extrapolado de volta a um único ponto; isto não é verdade! Em vez disso, pode ser extrapolado de volta a uma região de tamanho finito com certas propriedades (ou seja, cheia de matéria, radiação, as leis da física, etc.), mas depois deve evoluir de acordo com as regras que a nossa teoria da gravidade estabelece.
O que isto leva, inevitavelmente, é um Universo que tem propriedades semelhantes em todo o lado. Isto significa que em qualquer região do espaço finito, de dimensões iguais, devemos ver a mesma densidade para o Universo, a mesma temperatura para o Universo, o mesmo número de galáxias, etc. Também veríamos um Universo que parecia evoluir com o tempo, pois regiões mais distantes deveriam aparecer-nos como no passado, tendo-se expandido menos e tendo experimentado menos atracção gravitacional e menores quantidades de aglomeração.
Porque o Big Bang aconteceu em todo o lado ao mesmo tempo, há uma quantidade finita de tempo atrás, o nosso canto local do Universo parecerá ser o canto mais antigo do Universo que existe. Do nosso ponto de vista, o que nos parece próximo é quase tão antigo como nós, mas o que aparece a grandes distâncias é muito mais semelhante ao que o nosso Universo próximo era há muitos milhares de milhões de anos atrás.
Quando se olha para uma região do céu com um instrumento como o Telescópio Espacial Hubble, não se é…. simplesmente a ver a luz de objectos distantes como era quando essa luz era emitida, mas também como a luz é afectada por todo o material interveniente, e pela expansão do espaço, que experimenta ao longo da sua viagem. Hubble levou-nos mais longe do que qualquer outro observatório até à data, e mostrou-nos um Universo que evolui em tipo de galáxia, tamanho e densidade numérica com o tempo.
NASA, ESA, e Z. Levay, F. Summers (STScI)
As galáxias distantes que existem estão constantemente a emitir luz, e estamos a ver a luz que só chegou depois de ter completado a sua viagem para chegar até nós através do Universo em expansão. Galáxias cuja luz levou um bilião ou dez biliões de anos a chegar aqui aparecem como eram há um bilião ou dez biliões de anos. Se voltarmos para trás, para quase o momento do próprio Big Bang, verificaremos que o Universo quando era tão jovem era dominado pela radiação, e não pela matéria. Tem de se expandir e arrefecer para que a matéria se torne mais importante, em termos energéticos.
O tempo, à medida que esse Universo se expande e arrefece, os átomos neutros podem finalmente, de forma estável, formar-se sem serem imediatamente separados por explosão. A radiação que outrora dominou o Universo, contudo, ainda persiste, e continua a arrefecer e a re-veluzar devido à expansão do espaço. O que vemos hoje como o Fundo Cósmico de Microondas é consistente com ser o brilho remanescente do Big Bang, mas também é observável de qualquer parte do Universo.
A estrutura em grande escala do Universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as… primeiras estrelas e galáxias, depois fundem-se para formar as grandes e modernas galáxias que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um Universo mais jovem, semelhante a como era no passado a nossa região local. Voltando às primeiras galáxias que podemos observar, encontramos os restos de brilho do próprio Big Bang, que aparece em todas as direcções e deve ser visível de qualquer parte do Universo.
Chris Blake e Sam Moorfield
Não há necessariamente um centro para o Universo; é apenas a nossa intuição tendenciosa que nos diz que deve haver um. Podemos estabelecer um limite inferior para o tamanho da região onde o Big Bang deve ter ocorrido – não pode ser inferior ao tamanho de uma bola de futebol ou assim – mas não há limite superior; a região do espaço onde o Big Bang ocorreu poderia até ter sido infinita.
Se realmente houvesse um centro, poderia estar literalmente em qualquer lugar, e não teríamos forma de saber. A parte do Universo que nos é observável é insuficientemente grande para revelar essa informação, mesmo que pudesse ser verdadeira. Precisaríamos de ver uma borda do Universo (não vemos), ou observar uma anisotropia fundamental onde diferentes direcções parecem diferentes (mas vemos as mesmas temperaturas e contagens de galáxias), e precisaríamos de ver um Universo que parecesse ser diferente de região para região nas maiores escalas cósmicas (mas, em vez disso, parece ser homogéneo).
As duas simulações (vermelho) e os levantamentos de galáxias (azul/púrpura) apresentam os mesmos padrões de aglomeração em grande escala… O Universo, particularmente em escalas mais pequenas, não é perfeitamente homogéneo, mas em grandes escalas a homogeneidade e isotropia é uma boa suposição para uma precisão superior a 99,99%.
Gerard Lemson e o Consórcio Virgo
Soa tão razoável fazer a pergunta, “de onde é que o Universo começou a expandir-se? Mas uma vez que se aperceba de tudo o que foi dito acima, reconhecerá que essa é a pergunta completamente errada. “Em todo o lado, tudo ao mesmo tempo”, é a resposta a essa pergunta, e isso deve-se em grande parte ao facto de o Big Bang não se referir a um local especial no espaço, mas sim a um momento especial no tempo.
É isso que o Big Bang é: uma condição que afecta todo o Universo observável – e possivelmente uma região muito, muito maior do que essa – tudo ao mesmo tempo num momento específico. É a razão pela qual olhar para objectos que estão mais distantes no espaço significa que estamos a ver esse objecto como estava num momento num passado distante. É por isso que todas as direcções parecem ter propriedades rugosas que são uniformes, independentemente de para onde olhamos. E é por isso que podemos traçar a nossa história cósmica, através da evolução dos objectos que vemos, tão longe quanto os nossos observatórios nos permitem ir.
Galáxias comparáveis à actual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens que são Lácteas… As galáxias semelhantes à Via Láctea são inerentemente mais pequenas, mais azuis, mais caóticas, e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isto deve ser levado ao extremo, e permanece válido desde sempre.
NASA e ESA
Apesar de tudo a que temos acesso – apesar de tudo o que as nossas teorias e observações nos dizem – ainda há uma quantidade tremenda que permanece desconhecida para nós. Não sabemos qual é o tamanho real de todo o Universo; temos apenas um limite inferior que agora deve ser de pelo menos 46,1 mil milhões de anos-luz de raio em todas as direcções, na nossa perspectiva.
Não sabemos qual é a forma do tecido do espaço, e se é positivamente curvado como uma esfera, negativamente curvado como uma sela, ou perfeitamente plano, como uma folha ou um cilindro. Não sabemos se se curva sobre si mesmo ou se continua para sempre. Tudo o que sabemos é baseado em tudo o que podemos observar. A partir dessa informação, podemos concluir que é consistente com ser infinito em tamanho, é consistente com a planeza perfeita, mas a informação em contrário pode estar no próximo dígito significativo de dados ou logo para além do nosso horizonte cósmico observável. É vital que continuemos a procurar.
Numa escala logarítmica, o Universo próximo tem o sistema solar e a nossa galáxia da Via Láctea. Mas muito para além… estão todas as outras galáxias do Universo, a teia cósmica em grande escala, e eventualmente os momentos imediatamente a seguir ao próprio Big Bang. Embora não possamos observar mais longe do que este horizonte cósmico que está actualmente a uma distância de 46,1 mil milhões de anos-luz, haverá mais Universo para se revelar a nós no futuro. O Universo observável contém hoje 2 triliões de galáxias, mas com o passar do tempo, mais Universo se tornará observável para nós, talvez revelando algumas verdades cósmicas que nos são obscuras hoje.
Utilizador da Wikipedia Pablo Carlos Budassi
A razão pela qual não podemos conhecer a verdadeira natureza do Universo – o Universo inteiro, inobservável – é porque a parte a que temos acesso é finita. Há uma quantidade finita de informação que somos capazes de recolher sobre o nosso cosmos, mesmo que desenvolvamos instrumentos e detectores arbitrariamente poderosos. É eminentemente plausível que mesmo que esperemos uma quantidade infinita de tempo, nunca saberemos se o Universo é finito ou infinito, ou qual é a sua forma geométrica.
Se virmos o tecido do espaço como um pão de uva passa ou um balão em expansão com moedas coladas à superfície, devemos ter em mente que a parte do Universo a que podemos aceder é provavelmente apenas um pequeno componente do que quer que seja que realmente exista. O que para nós é observável apenas estabelece um limite inferior sobre a totalidade do que existe lá fora. O Universo pode ser finito ou infinito, mas as coisas de que temos a certeza é que está a expandir-se, a tornar-se menos denso, e que os objectos mais distantes aparecem como eram há muito tempo atrás. Como nota astrofísica Katie Mack:
O Universo está a expandir-se da forma como a sua mente se está a expandir. Não está a expandir-se em nada; está apenas a ficar menos denso.