26.5: O universo em expansão
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva a descoberta de que galáxias se afastam à medida que o universo evolui
- Explique como usar a lei de Hubble para determinar distâncias até galáxias remotas
- Descreva modelos da natureza de um universo em expansão
- Explique a variação na constante do Hubble
Agora chegamos a uma das descobertas mais importantes já feitas na astronomia: o fato de que o universo está se expandindo. Antes de descrevermos como a descoberta foi feita, devemos ressaltar que os primeiros passos no estudo das galáxias surgiram em um momento em que as técnicas de espectroscopia também estavam dando grandes passos. Astrônomos usando grandes telescópios podiam registrar o espectro de uma estrela ou galáxia fraca em placas fotográficas, guiando seus telescópios para que permanecessem apontados para o mesmo objeto por muitas horas e coletassem mais luz. Os espectros de galáxias resultantes continham uma riqueza de informações sobre a composição da galáxia e as velocidades desses grandes sistemas estelares.
Observações pioneiras de Slipher
Curiosamente, a descoberta da expansão do universo começou com a busca por marcianos e outros sistemas solares. Em 1894, o polêmico (e rico) astrônomo Percival Lowell estabeleceu um observatório em Flagstaff, Arizona, para estudar os planetas e procurar vida no universo. Lowell achava que as nebulosas em espiral poderiam ser sistemas solares em processo de formação. Portanto, ele pediu a um dos jovens astrônomos do observatório, Vesto M. Slipher (Figura\(\PageIndex{1}\)), que fotografasse os espectros de algumas das nebulosas espirais para ver se suas linhas espectrais poderiam mostrar composições químicas como as esperadas para planetas recém-formados.
O principal instrumento do Observatório Lowell era um telescópio refratário de 24 polegadas, que não era nada adequado para observações de nebulosas espirais fracas. Com a tecnologia disponível naquela época, as placas fotográficas precisavam ser expostas por 20 a 40 horas para produzir um bom espectro (no qual as posições das linhas poderiam revelar o movimento de uma galáxia). Isso geralmente significava continuar a expor a mesma fotografia por várias noites. Começando em 1912 e fazendo esforços heróicos durante um período de cerca de 20 anos, Slipher conseguiu fotografar os espectros de mais de 40 das nebulosas espirais (que seriam todas galáxias).
Para sua surpresa, as linhas espectrais da maioria das galáxias mostraram um impressionante desvio para o vermelho. Por “desvio para o vermelho”, queremos dizer que as linhas nos espectros são deslocadas em direção a comprimentos de onda mais longos (em direção à extremidade vermelha do espectro visível). Lembre-se do capítulo sobre Radiação e Espectros de que um desvio para o vermelho é visto quando a fonte das ondas está se afastando de nós. As observações de Slipher mostraram que a maioria das espirais está correndo em grandes velocidades; a maior velocidade que ele mediu foi de 1800 quilômetros por segundo.
Apenas algumas espirais — como as galáxias Andrômeda e Triângulo e M81 — todas conhecidas por serem nossas vizinhas próximas, acabaram se aproximando de nós. Todas as outras galáxias estavam se afastando. Slipher anunciou essa descoberta pela primeira vez em 1914, anos antes do Hubble mostrar que esses objetos eram outras galáxias e antes que alguém soubesse a que distância eles estavam. Ninguém na época sabia muito bem o que fazer com essa descoberta.
Lei do Hubble
As profundas implicações do trabalho de Slipher só se tornaram aparentes durante a década de 1920. Georges Lemaître era um padre belga e um astrônomo treinado. Em 1927, ele publicou um artigo em francês em um obscuro jornal belga no qual sugeria que vivemos em um universo em expansão. O título do artigo (traduzido para o inglês) é “Um universo homogêneo de massa constante e raio de crescimento responsável pela velocidade radial das nebulosas extragaláticas”. Lemaître descobriu que as equações da relatividade de Einstein eram consistentes com um universo em expansão (assim como o cientista russo Alexander Friedmann de forma independente em 1922). Lemaître então usou os dados de Slipher para apoiar a hipótese de que o universo realmente está se expandindo e para estimar a taxa de expansão. Inicialmente, os cientistas prestaram pouca atenção a esse artigo, talvez porque a revista belga não estivesse amplamente disponível.
Enquanto isso, o Hubble estava fazendo observações de galáxias com o telescópio de 2,5 metros no Monte. Wilson, que era então o maior do mundo. O Hubble realizou as principais observações em colaboração com um homem notável, Milton Humason, que abandonou a escola na oitava série e começou sua carreira astronômica dirigindo um trem de mulas pela trilha do Monte Wilson até o observatório (Figura\(\PageIndex{2}\)). Naqueles primeiros dias, os suprimentos tinham que ser transportados dessa forma; até mesmo astrônomos subiram até o topo da montanha para se curvar no telescópio. Humason se interessou pelo trabalho dos astrônomos e, depois de se casar com a filha do eletricista do observatório, conseguiu um emprego como zelador lá. Depois de um tempo, ele se tornou assistente noturno, ajudando os astrônomos a operar o telescópio e registrar dados. Eventualmente, ele deixou tal marca que se tornou um astrônomo completo no observatório.
No final da década de 1920, Humason estava colaborando com o Hubble fotografando os espectros de galáxias fracas com o telescópio de 2,5 metros. (Até então, não havia dúvida de que as nebulosas espirais eram na verdade galáxias.) Hubble encontrou maneiras de melhorar a precisão das estimativas de distâncias até galáxias espirais, e ele foi capaz de medir galáxias muito mais fracas e distantes do que Slipher poderia observar com seu telescópio muito menor. Quando o Hubble estabeleceu suas próprias estimativas de distância ao lado das medições das velocidades de recessão (a velocidade com que as galáxias estavam se afastando), ele descobriu algo impressionante: havia uma relação entre a distância e a velocidade das galáxias. Quanto mais distante a galáxia, mais rápido ela estava se afastando de nós.
Em 1931, Hubble e Humason publicaram em conjunto o artigo seminal em que compararam distâncias e velocidades de galáxias remotas que se afastavam de nós a velocidades de até 20.000 quilômetros por segundo e foram capazes de mostrar que as velocidades de recessão das galáxias são diretamente proporcionais às suas distâncias de nós. (Figura\(\PageIndex{3}\)), exatamente como Lemaître havia sugerido.
Agora sabemos que essa relação vale para todas as galáxias, exceto algumas das mais próximas. Quase todas as galáxias que estão se aproximando de nós acabam fazendo parte do próprio grupo de galáxias da Via Láctea, que têm seus próprios movimentos individuais, assim como pássaros voando em um grupo podem voar em direções ligeiramente diferentes a velocidades ligeiramente diferentes, mesmo que todo o rebanho viaje pelo espaço. juntos.
Escrito como uma fórmula, a relação entre velocidade e distância é
\[v=H \times d \nonumber\]
onde\(v\) está a velocidade da recessão,\(d\) é a distância e\(H\) é um número chamado constante de Hubble. Essa equação agora é conhecida como lei de Hubble.
Constantes de proporcionalidade
Relações matemáticas, como a lei de Hubble, são bastante comuns na vida. Para dar um exemplo simples, suponha que sua faculdade ou universidade o contrate para ligar para ex-alunos ricos e pedir doações. Você recebe $2,50 por cada ligação; quanto mais ligações você conseguir entre estudar astronomia e outros cursos, mais dinheiro você leva para casa. Podemos configurar uma fórmula que conecte\(p\), seu pagamento e\(n\) o número de chamadas
\[p=A \times n \nonumber\]
onde\(A\) está a constante dos ex-alunos, com um valor de $2,50. Se você fizer 20 chamadas, ganhará $2,50 vezes 20 ou $50.
Suponha que seu chefe se esqueça de dizer quanto você receberá por cada ligação. Você pode calcular a constante de ex-alunos que rege seu pagamento acompanhando quantas ligações você faz e anotando seu salário bruto por semana. Se você fizer 100 chamadas na primeira semana e receber $250, poderá deduzir que a constante é de $2,50 (em unidades de dólares por chamada). O Hubble, é claro, não tinha nenhum “chefe” que lhe dissesse qual seria sua constante — ele tinha que calcular seu valor a partir das medidas de distância e velocidade.
Os astrônomos expressam o valor da constante de Hubble em unidades relacionadas à forma como medem a velocidade e a velocidade das galáxias. Neste livro, usaremos quilômetros por segundo por milhão de anos-luz como essa unidade. Por muitos anos, as estimativas do valor da constante de Hubble estiveram na faixa de 15 a 30 quilômetros por segundo por milhão de anos-luz. O trabalho mais recente parece estar convergindo em um valor próximo a 22 quilômetros por segundo por milhão de anos-luz.\(H\) -anos, uma galáxia se afasta de nós a uma velocidade de 22 quilômetros por segundo para cada milhão de anos-luz de sua distância. Como exemplo, uma galáxia a 100 milhões de anos-luz de distância está se afastando de nós a uma velocidade de 2200 quilômetros por segundo.
A lei do Hubble nos diz algo fundamental sobre o universo. Como todas as galáxias, exceto as mais próximas, parecem estar se afastando de nós, com as mais distantes se movendo mais rápido, devemos estar vivendo em um universo em expansão. Exploraremos as implicações dessa ideia em breve, bem como nos capítulos finais deste texto. Por enquanto, diremos apenas que a observação do Hubble está na base de todas as nossas teorias sobre a origem e evolução do universo.
A Lei de Hubble e as Distâncias
A regularidade expressa na lei de Hubble tem um bônus embutido: ela nos dá uma nova maneira de determinar as distâncias até galáxias remotas. Primeiro, devemos estabelecer de forma confiável a constante de Hubble medindo a distância e a velocidade de muitas galáxias em várias direções para ter certeza de que a lei do Hubble é realmente uma propriedade universal das galáxias. Mas uma vez que calculamos o valor dessa constante e estamos convencidos de que ela se aplica a todos os lugares, muito mais do universo se abre para a determinação da distância. Basicamente, se conseguirmos obter o espectro de uma galáxia, podemos imediatamente dizer a que distância ela está.
O procedimento funciona assim. Usamos o espectro para medir a velocidade com que a galáxia está se afastando de nós. Se então colocarmos essa velocidade e a constante de Hubble na equação da lei de Hubble, podemos resolver a distância.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): lei do hubble
A lei de Hubble (\(v = H \times d\)) nos permite calcular a distância de qualquer galáxia. Aqui está como o usamos na prática.
Medimos a constante do Hubble em 22 km/s por milhão de anos-luz. Isso significa que se uma galáxia estiver 1 milhão de anos-luz mais distante, ela se afastará 22 km/s mais rápido. Então, se encontrarmos uma galáxia que está se afastando a 18.000 km/s, o que a lei de Hubble nos diz sobre a distância até a galáxia?
Solução
\[d = \frac{v}{H} = \frac{18,000 \text{ km/s}}{ \frac{22 \text{ km/s}}{1 \text{ million light-years}}} = \frac{18,000}{22} \times \frac{1 \text{ million light-years}{1} = 818 \text{ million light-years} \nonumber\]
Observe como lidamos com as unidades aqui: os km/s no numerador e no denominador cancelam, e o fator de milhão de anos-luz no denominador da constante deve ser dividido corretamente antes de obtermos nossa distância de 818 milhões de anos-luz.
Exercício\(\PageIndex{1}\)
Usando 22 km/s/milhão de anos-luz para a constante do Hubble, que velocidade de recessão esperamos encontrar se observarmos uma galáxia a 500 milhões de anos-luz?
- Responda
-
\[v=d \times H = 500 \text{ million light-years} \times \frac{22 \text{ km/s}}{1 \text{ million light-years}} = 11,000 \text{ km/s} \nonumber\]
Variação da constante de Hubble
O uso do desvio para o vermelho é potencialmente uma técnica muito importante para determinar distâncias porque, como vimos, a maioria dos nossos métodos para determinar distâncias de galáxias é limitada a aproximadamente algumas centenas de milhões de anos-luz mais próximos (e eles têm grandes incertezas nessas distâncias). O uso da lei de Hubble como indicador de distância requer apenas o espectro de uma galáxia e uma medição do desvio Doppler. Com grandes telescópios e espectrógrafos modernos, é possível obter espectros de galáxias extremamente fracas.
Mas, como costuma acontecer na ciência, as coisas não são tão simples. Essa técnica funciona se, e somente se, a constante de Hubble tiver sido realmente constante durante toda a vida do universo. Quando observamos galáxias a bilhões de anos-luz de distância, nós as vemos como eram bilhões de anos atrás. E se a “constante” do Hubble fosse diferente há bilhões de anos? Antes de 1998, os astrônomos pensavam que, embora o universo estivesse se expandindo, a expansão deveria estar diminuindo ou desacelerando, porque a atração gravitacional geral de toda a matéria no universo teria um efeito dominante e mensurável. Se a expansão estiver desacelerando, a constante de Hubble deve diminuir com o tempo.
A descoberta de que supernovas do tipo Ia são lâmpadas padrão deu aos astrônomos a ferramenta necessária para observar galáxias extremamente distantes e medir a taxa de expansão há bilhões de anos. Os resultados foram completamente inesperados. Acontece que a expansão do universo está se acelerando com o tempo! O que torna esse resultado tão surpreendente é que não há como as teorias físicas existentes explicarem essa observação. Embora um universo em desaceleração pudesse ser facilmente explicado pela gravidade, não havia força ou propriedade no universo conhecida pelos astrônomos que pudesse explicar a aceleração. No capítulo O Big Bang, examinaremos com mais detalhes as observações que levaram a esse resultado totalmente inesperado e exploraremos suas implicações para o destino final do universo.
De qualquer forma, se a constante de Hubble não for realmente uma constante quando examinamos grandes extensões de espaço e tempo, o cálculo das distâncias das galáxias usando a constante de Hubble não será preciso. Como veremos no capítulo sobre O Big Bang, o cálculo preciso das distâncias requer um modelo de como a constante de Hubble mudou ao longo do tempo. Quanto mais distante uma galáxia estiver (e quanto mais tempo a estamos vendo), mais importante é incluir os efeitos da mudança na constante de Hubble. Para galáxias dentro de alguns bilhões de anos-luz, no entanto, a suposição de que a constante de Hubble é realmente constante fornece boas estimativas de distância.
Modelos para um universo em expansão
No início, pensando na lei do Hubble e sendo fã da obra de Copérnico e Harlow Shapley, você pode ficar chocado. Todas as galáxias estão realmente se afastando de nós? Existe, afinal, algo especial em nossa posição no universo? Não se preocupe; o fato de as galáxias estarem se afastando de nós e de galáxias mais distantes estarem se afastando mais rapidamente do que as próximas mostra apenas que o universo está se expandindo uniformemente.
Um universo em expansão uniforme é aquele que está se expandindo na mesma taxa em todos os lugares. Nesse universo, nós e todos os outros observadores, não importa onde estejam localizados, devemos observar uma proporcionalidade entre as velocidades e distâncias de galáxias equivalentemente remotas. (Aqui, estamos ignorando o fato de que a constante de Hubble não é constante em todos os tempos, mas se em algum momento da evolução do universo a constante de Hubble tem o mesmo valor em todos os lugares, esse argumento ainda funciona.)
Para ver o porquê, imagine primeiro uma régua feita de borracha elástica, com as linhas usuais marcadas a cada centímetro. Agora, suponha que alguém com braços fortes agarre cada extremidade da régua e a estique lentamente para que, digamos, ela dobre de comprimento em 1 minuto (Figura\(\PageIndex{4}\)). Considere uma formiga inteligente sentada na marca a 2 centímetros — um ponto que não está em nenhuma extremidade nem no meio da régua. Ele mede a rapidez com que outras formigas, sentadas nas marcas de 4, 7 e 12 centímetros, se afastam dele à medida que a régua se estica.
A formiga a 4 centímetros, originalmente a 2 centímetros de distância de nossa formiga, dobrou sua distância em 1 minuto; portanto, se afastou a uma velocidade de 2 centímetros por minuto. A formiga na marca de 7 centímetros, que estava originalmente a 5 centímetros de distância da nossa formiga, agora está a 10 centímetros de distância; portanto, ela tinha que se mover a 5 centímetros por minuto. Aquele que começava na marca de 12 centímetros, que estava a 10 centímetros da formiga fazendo a contagem, agora está a 20 centímetros de distância, o que significa que deve ter fugido a uma velocidade de 10 centímetros por minuto. Formigas em distâncias diferentes se afastam em velocidades diferentes, e suas velocidades são proporcionais às suas distâncias (assim como a lei de Hubble indica para galáxias). No entanto, observe em nosso exemplo que tudo o que a régua estava fazendo era se esticar uniformemente. Além disso, observe que nenhuma das formigas estava realmente se movendo por vontade própria, foi o alongamento da régua que as separou.
Agora vamos repetir a análise, mas colocar a formiga inteligente em alguma outra marca — digamos, em 7 ou 12 centímetros. Descobrimos que, desde que a régua se estenda uniformemente, essa formiga também encontra todas as outras formigas se afastando a uma velocidade proporcional à sua distância. Em outras palavras, o tipo de relacionamento expresso pela lei de Hubble pode ser explicado por um alongamento uniforme do “mundo” das formigas. E todas as formigas em nosso diagrama simples verão as outras formigas se afastando delas à medida que a régua se estende.
Para uma analogia tridimensional, vamos dar uma olhada no pão de passas na Figura\(\PageIndex{5}\). A chef acidentalmente colocou muito fermento na massa e, quando ela prepara o pão para crescer, ele dobra de tamanho na hora seguinte, fazendo com que todas as passas se afastem mais. Na figura, escolhemos novamente uma passas representativa (que não está na borda nem no centro do pão) e mostramos as distâncias dela até várias outras na figura (antes e depois do pão se expandir).
Meça os aumentos de distância e calcule você mesmo as velocidades no pão de passas, assim como fizemos com a régua. Você verá que, como cada distância dobra durante a hora, cada passa se afasta da passas selecionada a uma velocidade proporcional à sua distância. O mesmo é verdade, não importa com qual passas você comece.
Nossas duas analogias são úteis para esclarecer nosso pensamento, mas você não deve interpretá-las literalmente. Tanto na régua quanto no pão de passas, há pontos que estão na ponta ou na borda. Você pode usá-los para identificar o meio da régua e do pão. Embora nossos modelos do universo tenham alguma semelhança com as propriedades da régua e do pão, o universo não tem limites, bordas e centro (todas as ideias surpreendentes que discutiremos em um capítulo posterior).
O que é útil notar tanto sobre as formigas quanto sobre as passas é que elas mesmas não “causaram” seu movimento. Não é como se as passas decidissem fazer uma viagem para longe uma da outra e depois pulassem em uma prancha para fugir. Não, em ambas as nossas analogias, foi o alongamento do meio (a régua ou o pão) que afastou as formigas ou as passas. Da mesma forma, veremos no capítulo O Big Bang que as galáxias não têm motores de foguete que as afastem umas das outras. Em vez disso, eles são participantes passivos na expansão do espaço. À medida que o espaço se estende, as galáxias se afastam cada vez mais, assim como as formigas e as passas. (Se essa noção de “alongamento” do espaço surpreende ou incomoda você, agora seria um bom momento para revisar as informações sobre espaço-tempo em buracos negros e espaço-tempo curvo. Discutiremos essas ideias mais detalhadamente à medida que nossa discussão se estender das galáxias para todo o universo.)
A expansão do universo, aliás, não implica que as galáxias individuais e os próprios aglomerados de galáxias estejam se expandindo. Nem as passas nem as formigas, em nossa analogia, aumentam de tamanho à medida que o pão se expande. Da mesma forma, a gravidade mantém galáxias e aglomerados de galáxias juntos, e eles se afastam um do outro — sem que mudem de tamanho — à medida que o universo se expande.
Resumo
O universo está se expandindo. As observações mostram que as linhas espectrais de galáxias distantes são deslocadas para o vermelho e que suas velocidades de recessão são proporcionais às distâncias de nós, uma relação conhecida como lei de Hubble. A taxa de recessão, chamada de constante de Hubble, é de aproximadamente 22 quilômetros por segundo por milhão de anos-luz. Não estamos no centro dessa expansão: um observador em qualquer outra galáxia veria o mesmo padrão de expansão que nós. A expansão descrita pela lei de Hubble é melhor entendida como um alongamento do espaço.
Glossário
- Constante de Hubble
- uma constante de proporcionalidade na lei relacionando as velocidades de galáxias remotas com suas distâncias
- Lei do Hubble
- uma regra de que as velocidades radiais de galáxias remotas são proporcionais às suas distâncias de nós
- redshift
- quando as linhas nos espectros são deslocadas em direção a comprimentos de onda maiores (em direção à extremidade vermelha do espectro visível)