29.1: A Era do Universo
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva como estimamos a idade do universo
- Explique como as mudanças na taxa de expansão ao longo do tempo afetam as estimativas da idade do universo
- Descreva a evidência de que a energia escura existe e que a taxa de expansão está se acelerando no momento
- Descreva algumas evidências independentes da idade do universo que sejam consistentes com a estimativa de idade com base na taxa de expansão
Para explorar a história do universo, seguiremos o mesmo caminho que os astrônomos seguiram historicamente — começando com estudos do universo próximo e depois sondando objetos cada vez mais distantes e olhando mais para trás no tempo.
A constatação de que o universo muda com o tempo ocorreu nas décadas de 1920 e 1930, quando as medições dos desvios para o vermelho de uma grande amostra de galáxias se tornaram disponíveis. Em retrospectiva, é surpreendente que os cientistas tenham ficado tão chocados ao descobrir que o universo está se expandindo. Na verdade, nossas teorias da gravidade exigem que o universo esteja se expandindo ou se contraindo. Para mostrar o que queremos dizer, vamos começar com um universo de tamanho finito — digamos, uma bola gigante de mil galáxias. Todas essas galáxias se atraem por causa de sua gravidade. Se estivessem inicialmente parados, inevitavelmente começariam a se aproximar e eventualmente colidiriam. Eles poderiam evitar esse colapso somente se, por algum motivo, estivessem se afastando um do outro em alta velocidade. Da mesma forma, somente se um foguete for lançado em velocidade alta o suficiente, ele poderá evitar cair de volta à Terra.
O problema do que acontece em um universo infinito é mais difícil de resolver, mas Einstein (e outros) usaram sua teoria da relatividade geral (que descrevemos em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo) para mostrar que mesmo universos infinitos não podem ser estáticos. Como os astrônomos da época ainda não sabiam que o universo estava se expandindo (e o próprio Einstein não estava filosóficamente disposto a aceitar um universo em movimento), ele mudou suas equações introduzindo um novo termo arbitrário (podemos chamá-lo de fator de falsificação) chamado constante cosmológica . Essa constante representava uma força hipotética de repulsão que poderia equilibrar a atração gravitacional nas maiores escalas e permitir que as galáxias permanecessem a distâncias fixas umas das outras. Dessa forma, o universo poderia ficar parado.
Cerca de uma década depois, Hubble e seus colegas de trabalho relataram que o universo está se expandindo, de modo que nenhuma força misteriosa de equilíbrio é necessária. (Discutimos isso no capítulo sobre Galáxias.) É relatado que Einstein disse que a introdução da constante cosmológica foi “o maior erro da minha vida”. Como veremos mais adiante neste capítulo, no entanto, observações relativamente recentes indicam que a expansão está se acelerando. Agora, as observações estão sendo realizadas para determinar se essa aceleração é consistente com uma constante cosmológica. De certa forma, pode acontecer que Einstein estivesse certo, afinal de contas.
Veja esta exposição na web sobre a história de nosso pensamento sobre cosmologia, com imagens e biografias, do Centro de História da Física do Instituto Americano de Física.
A hora do Hubble
Se tivéssemos um filme do universo em expansão e executássemos o filme de trás para frente, o que veríamos? As galáxias, em vez de se afastarem, se moviam juntas em nosso filme — ficando cada vez mais próximas o tempo todo. Eventualmente, descobriríamos que toda a matéria que podemos ver hoje já estava concentrada em um volume infinitesimalmente pequeno. Os astrônomos identificam essa época com o início do universo. A explosão desse universo concentrado no início dos tempos é chamada de Big Bang (não é um termo ruim, já que você não pode ter um estrondo maior do que aquele que cria o universo inteiro). Mas quando esse estrondo ocorreu?
Podemos fazer uma estimativa razoável do tempo desde o início da expansão universal. Para ver como os astrônomos fazem isso, vamos começar com uma analogia. Suponha que sua aula de astronomia decida fazer uma festa (uma espécie de “Big Bang”) na casa de alguém para comemorar o final do semestre. Infelizmente, todo mundo está comemorando com tanto entusiasmo que os vizinhos chamam a polícia, que chega e manda todo mundo embora no mesmo momento. Você chega em casa às 2 da manhã, ainda um pouco chateado com o fim da festa, e percebe que esqueceu de olhar para o relógio para ver a que horas a polícia chegou lá. Mas você usa um mapa para medir se a distância entre a festa e sua casa é de 40 quilômetros. E você também lembra que dirigiu toda a viagem a uma velocidade constante de 80 quilômetros/hora (já que estava preocupado com os carros da polícia seguindo você). Portanto, a viagem deve ter durado:
\[ \text{time} = \frac{\text{distance}}{\text{velocity}} = \frac{40 \text{ kilometers}}{80 \text{ kilometers/hour}} = 0.5 \text{ hours} \nonumber\]
Então a festa deve ter terminado às 1:30 da manhã.
Nenhum humano estava por perto para olhar seus relógios quando o universo começou, mas podemos usar a mesma técnica para estimar quando as galáxias começaram a se afastar umas das outras. (Lembre-se de que, na realidade, é o espaço que está se expandindo, não as galáxias que estão se movendo pelo espaço estático.) Se pudermos medir a distância entre as galáxias agora e a velocidade com que elas estão se movendo, podemos descobrir quanto tempo foi uma viagem.
Vamos chamar a idade do universo medida dessa maneira de T 0. Vamos primeiro fazer um caso simples, assumindo que a expansão está em uma taxa constante desde o início da expansão do universo. Nesse caso, o tempo que uma galáxia levou para se mover a uma distância, d, da Via Láctea (lembre-se de que no início as galáxias estavam todas juntas em um volume muito pequeno) é (como em nosso exemplo)
\[T_0=d/v \nonumber\]
onde\(v\) está a velocidade da galáxia. Se pudermos medir a velocidade com que as galáxias estão se afastando e também as distâncias entre elas, podemos estabelecer há quanto tempo a expansão começou.
Fazer essas medições deve parecer muito familiar. Isso é exatamente o que o Hubble e muitos astrônomos depois dele precisaram fazer para estabelecer a lei do Hubble e a constante do Hubble. Aprendemos em Galáxias que a distância e a velocidade de uma galáxia no universo em expansão estão relacionadas por
\[V=H \times d \nonumber\]
onde\(H\) está a constante do Hubble. A combinação dessas duas expressões nos dá
\[T_0= \frac{d}{v} = \frac{d}{(H \times d)} = \frac{1}{H} \nonumber\]
Vemos, então, que o trabalho de calcular esse tempo já estava feito para nós quando os astrônomos mediram a constante de Hubble. A idade do universo estimada dessa maneira acaba sendo apenas a recíproca da constante de Hubble (ou seja, 1/\(H\)). Essa estimativa de idade às vezes é chamada de tempo do Hubble. Para uma constante do Hubble de 20 quilômetros/segundo por milhão de anos-luz, o tempo do Hubble é de cerca de 15 bilhões de anos. A unidade usada pelos astrônomos para a constante de Hubble é quilômetros/segundo por milhão de parsecs. Nessas unidades, a constante de Hubble é igual a cerca de 70 quilômetros/segundo por milhão de parsecs, novamente com uma incerteza de cerca de 5%.
Para tornar os números mais fáceis de lembrar, fizemos alguns arredondamentos aqui. As estimativas para a constante de Hubble estão, na verdade, mais próximas de 21 ou 22 quilômetros/segundo por milhão de anos-luz, o que tornaria a idade mais próxima de 14 bilhões de anos. Mas ainda há cerca de 5% de incerteza na constante de Hubble, o que significa que a idade do universo estimada dessa forma também é incerta em cerca de 5%.
Para colocar essas incertezas em perspectiva, no entanto, você deve saber que há 50 anos, a incerteza era um fator de 2. Um progresso notável na determinação da constante do Hubble foi feito nas últimas duas décadas.
O papel da desaceleração
O tempo do Hubble é a idade certa para o universo somente se a taxa de expansão tiver sido constante ao longo do tempo desde o início da expansão do universo. Continuando com nossa analogia da festa de fim de semestre, isso equivale a supor que você voltou da festa para casa em um ritmo constante, quando na verdade esse pode não ter sido o caso. No início, louco por ter que sair, você pode ter dirigido rápido, mas depois, ao se acalmar e pensar em carros da polícia na rodovia, você pode ter começado a diminuir a velocidade até dirigir em uma velocidade mais socialmente aceitável (como 80 quilômetros/hora). Nesse caso, como você estava dirigindo mais rápido no início, a viagem para casa teria levado menos de meia hora.
Da mesma forma, ao calcular o tempo do Hubble, assumimos que H foi constante durante todo o tempo. Acontece que essa não é uma boa suposição. Antes de pensarem sobre isso, os astrônomos esperavam que a taxa de expansão diminuísse. Sabemos que a matéria cria a gravidade, por meio da qual todos os objetos puxam todos os outros objetos. Esperava-se que a atração mútua entre galáxias diminuísse a expansão com o passar do tempo. Isso significa que, se a gravidade fosse a única força atuando (um grande se, como veremos na próxima seção), então a taxa de expansão deve ter sido mais rápida no passado do que é hoje. Nesse caso, diríamos que o universo está desacelerando desde o início.
O quanto ela desacelerou depende da importância da gravidade para desacelerar a expansão. Se o universo estivesse quase vazio, o papel da gravidade seria menor. Então, a desaceleração seria próxima de zero e o universo estaria se expandindo a uma taxa constante. Mas em um universo com qualquer densidade significativa de matéria, a força da gravidade significa que a taxa de expansão deve ser mais lenta agora do que costumava ser. Se usarmos a taxa atual de expansão para estimar quanto tempo as galáxias levaram para alcançar suas separações atuais, superestimaremos a idade do universo, assim como podemos ter superestimado o tempo que você levou para voltar da festa.
Uma aceleração universal
Os astrônomos passaram várias décadas procurando evidências de que a expansão estava desacelerando, mas não tiveram sucesso. O que eles precisavam era de 1) telescópios maiores para medir os desvios para o vermelho de galáxias mais distantes e 2) uma lâmpada padrão muito luminosa (ou vela padrão), ou seja, algum objeto astronômico com luminosidade conhecida que produz uma quantidade enorme de energia e pode ser observado a distâncias de um bilhão de anos-luz ou mais.
Lembre-se de que discutimos as lâmpadas padrão no capítulo sobre Galáxias. Se compararmos a luminosidade de uma lâmpada padrão e o quão fraca ela realmente parece em nossos telescópios, a diferença nos permite calcular sua distância. O desvio para o vermelho da galáxia em que tal lâmpada se encontra pode nos dizer o quão rápido ela está se movendo no universo. Assim, podemos medir sua distância e movimento de forma independente.
Esses dois requisitos foram finalmente atendidos na década de 1990. Os astrônomos mostraram que supernovas do tipo Ia (veja A Morte das Estrelas), com algumas correções baseadas nas formas de suas curvas de luz, são lâmpadas padrão. Esse tipo de supernova ocorre quando uma anã branca acumula material suficiente de uma estrela companheira para ultrapassar o limite de Chandrasekhar e depois colapsa e explode. No momento do brilho máximo, essas supernovas dramáticas podem ofuscar brevemente as galáxias que as hospedam e, portanto, podem ser observadas a distâncias muito grandes. Telescópios grandes de 8 a 10 metros podem ser usados para obter os espectros necessários para medir os desvios para o vermelho das galáxias hospedeiras (Figura\(\PageIndex{2}\)).
O resultado de um estudo meticuloso e cuidadoso dessas supernovas em várias galáxias, realizado por dois grupos de pesquisadores, foi publicado em 1998. Foi chocante e tão revolucionário que a descoberta deles recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2011. O que os pesquisadores descobriram foi que essas supernovas do tipo Ia em galáxias distantes eram mais fracas do que o esperado pela lei de Hubble, devido aos desvios para o vermelho medidos de suas galáxias hospedeiras. Em outras palavras, as distâncias estimadas das supernovas usadas como lâmpadas padrão discordavam das distâncias medidas a partir dos redshifts.
Se o universo estivesse desacelerando, esperaríamos que as supernovas distantes fossem mais brilhantes do que o esperado. A desaceleração os teria mantido mais perto de nós. Em vez disso, eles estavam mais fracos, o que a princípio parecia não fazer sentido.
Antes de aceitar esse desenvolvimento chocante, os astrônomos primeiro exploraram a possibilidade de as supernovas não serem realmente tão úteis quanto as lâmpadas padrão quanto eles pensavam. Talvez as supernovas parecessem muito fracas porque a poeira ao longo de nossa linha de visão absorveu parte de sua luz. Ou talvez as supernovas a grandes distâncias fossem, por algum motivo, intrinsecamente menos luminosas do que as supernovas próximas do tipo Ia.
Uma série de observações mais detalhadas excluiu essas possibilidades. Os cientistas então tiveram que considerar a alternativa de que a distância estimada do desvio para o vermelho estava incorreta. As distâncias derivadas dos desvios para o vermelho pressupõem que a constante de Hubble foi realmente constante em todos os tempos. Vimos que uma maneira pela qual pode não ser constante é que a expansão está desacelerando. Mas suponha que nenhuma das suposições esteja correta (velocidade constante ou desaceleração).
Suponha, em vez disso, que o universo esteja acelerando. Se o universo está se expandindo mais rápido agora do que há bilhões de anos, nosso movimento para longe das supernovas distantes se acelerou desde que a explosão ocorreu, nos afastando ainda mais delas. A luz da explosão precisa percorrer uma distância maior para chegar até nós do que se a taxa de expansão fosse constante. Quanto mais a luz viaja, mais fraca ela aparece. Essa conclusão explicaria as observações da supernova de uma forma natural, e isso agora foi comprovado por muitas observações adicionais nas últimas duas décadas. Realmente parece que a expansão do universo está se acelerando, uma noção tão inesperada que os astrônomos inicialmente resistiram a considerá-la.
Como a expansão do universo pode estar se acelerando? Se você quiser acelerar seu carro, você deve fornecer energia pisando no acelerador. Da mesma forma, a energia deve ser fornecida para acelerar a expansão do universo. A descoberta da aceleração foi chocante porque os cientistas ainda não têm ideia de qual é a fonte da energia. Os cientistas chamam o que quer que seja de energia escura, o que é um sinal claro de quão pouco a entendemos.
Observe que esse novo componente do universo não é a matéria escura sobre a qual falamos nos capítulos anteriores. A energia escura é outra coisa que ainda não detectamos em nossos laboratórios na Terra.
O que é energia escura? Uma possibilidade é que seja a constante cosmológica, que é uma energia associada ao vácuo do próprio espaço “vazio”. A mecânica quântica (a intrigante teoria de como as coisas se comportam nos níveis atômico e subatômico) nos diz que a fonte dessa energia do vácuo pode ser minúsculas partículas elementares que entram e saem da existência em todo o universo. Várias tentativas foram feitas para calcular o tamanho dos efeitos dessa energia de vácuo, mas até agora essas tentativas não tiveram sucesso. De fato, a ordem de magnitude das estimativas teóricas da energia do vácuo com base na mecânica quântica da matéria e o valor necessário para explicar a aceleração da expansão do universo diferem por um fator incrível de pelo menos 10120 (ou seja, um 1 seguido por 120 zeros)! Várias outras teorias foram sugeridas, mas o ponto principal é que, embora haja evidências convincentes de que a energia escura existe, ainda não sabemos a fonte dessa energia.
Seja qual for a energia escura, devemos observar que a descoberta de que a taxa de expansão não é constante desde o início do universo complica o cálculo da idade do universo. Curiosamente, a aceleração parece não ter começado com o Big Bang. Durante os primeiros bilhões de anos após o Big Bang, quando as galáxias estavam próximas umas das outras, a gravidade era forte o suficiente para retardar a expansão. À medida que as galáxias se afastavam, o efeito da gravidade enfraqueceu. Vários bilhões de anos após o Big Bang, a energia escura assumiu o controle e a expansão começou a acelerar (Figura\(\PageIndex{3}\)).
A desaceleração funciona para fazer com que a idade do universo estimada pela relação simples\(T_0 = 1/H\) pareça mais antiga do que realmente é, enquanto a aceleração funciona para fazer com que pareça mais jovem. Por feliz coincidência, nossas melhores estimativas de quanta desaceleração e aceleração ocorreram levam a uma resposta para a idade muito próxima de\(T_0 = 1/H\). A melhor estimativa atual é que o universo tem 13,8 bilhões de anos com uma incerteza de apenas cerca de 100 milhões de anos.
Ao longo deste capítulo, nos referimos à constante do Hubble. Agora sabemos que a constante do Hubble muda com o tempo. No entanto, é constante em todo o universo, a qualquer momento. Quando dizemos que a constante de Hubble é de cerca de 70 quilômetros/segundo/milhão de parsecs, queremos dizer que esse é o valor da constante de Hubble no momento atual.
Comparando idades
Agora temos uma estimativa da idade do universo a partir de sua expansão. Essa estimativa é consistente com outras observações? Por exemplo, as estrelas mais antigas ou outros objetos astronômicos têm menos de 13,8 bilhões de anos? Afinal, o universo tem que ser pelo menos tão antigo quanto os objetos mais antigos.
Em nossa galáxia e em outras, as estrelas mais antigas são encontradas nos aglomerados globulares (Figura\(\PageIndex{4}\)), que podem ser datados usando os modelos de evolução estelar descritos no capítulo Estrelas da Adolescência à Velhice.
A precisão das estimativas de idade dos aglomerados globulares melhorou significativamente nos últimos anos por dois motivos. Primeiro, os modelos de interiores de estrelas de aglomerados globulares foram aprimorados, principalmente por meio de melhores informações sobre como os átomos absorvem a radiação à medida que vão do centro de uma estrela para o espaço. Em segundo lugar, as observações de satélites melhoraram a precisão de nossas medições das distâncias até esses agrupamentos. A conclusão é que as estrelas mais antigas se formaram há cerca de 12 a 13 bilhões de anos.
Essa estimativa de idade foi recentemente confirmada pelo estudo do espectro de urânio nas estrelas. O isótopo urânio-238 é radioativo e decai (se transforma em outro elemento) com o tempo. (O urânio-238 recebe sua designação porque tem 92 prótons e 146 nêutrons.) Sabemos (de como estrelas e supernovas produzem elementos) a quantidade de urânio-238 geralmente produzida em comparação com outros elementos. Suponha que meçamos a quantidade de urânio em relação aos elementos não radioativos em uma estrela muito antiga e em nosso próprio Sol, e comparemos as abundâncias. Com essas informações, podemos estimar por quanto tempo o urânio está decaindo na estrela muito antiga, porque sabemos do nosso próprio Sol quanto urânio decai em 4,5 bilhões de anos.
A linha de urânio é muito fraca e difícil de distinguir mesmo no Sol, mas agora foi medida em uma estrela extremamente antiga usando o European Very Large Telescope (Figura\(\PageIndex{5}\)). Comparando a abundância com a do sistema solar, cuja idade conhecemos, os astrônomos estimam que a estrela tenha 12,5 bilhões de anos, com uma incerteza de cerca de 3 bilhões de anos. Embora a incerteza seja grande, este trabalho é uma importante confirmação das idades estimadas pelos estudos das estrelas do aglomerado globular. Observe que a estimativa da idade do urânio é completamente independente; não depende nem da medição de distâncias nem de modelos do interior das estrelas.
Como veremos mais adiante neste capítulo, as estrelas do aglomerado globular provavelmente não se formaram até que a expansão do universo estivesse em andamento por pelo menos algumas centenas de milhões de anos. Assim, suas idades são consistentes com a idade de 13,8 bilhões de anos estimada a partir da taxa de expansão.
Resumo
Cosmologia é o estudo da organização e evolução do universo. O universo está se expandindo, e esse é um dos principais pontos de partida observacionais para as teorias cosmológicas modernas. Observações modernas mostram que a taxa de expansão não tem sido constante ao longo da vida do universo. Inicialmente, quando as galáxias estavam próximas umas das outras, os efeitos da gravidade eram mais fortes do que os efeitos da energia escura, e a taxa de expansão diminuiu gradualmente. À medida que as galáxias se afastavam, a influência da gravidade na taxa de expansão enfraqueceu. Medições de supernovas distantes mostram que quando o universo tinha cerca de metade de sua idade atual, a energia escura começou a dominar a taxa de expansão e fez com que ela se acelerasse. Para estimar a idade do universo, devemos permitir mudanças na taxa de expansão. Depois de permitir esses efeitos, os astrônomos estimam que toda a matéria dentro do universo observável estava concentrada em um volume extremamente pequeno de 13,8 bilhões de anos atrás, época que chamamos de Big Bang.
Glossário
- Grande explosão
- a teoria da cosmologia na qual a expansão do universo começou com uma explosão primitiva (de espaço, tempo, matéria e energia)
- constante cosmológica
- o termo nas equações da relatividade geral que representa uma força repulsiva no universo
- cosmologia
- o estudo da organização e evolução do universo
- energia escura
- a energia que está causando a aceleração da expansão do universo; sua existência é inferida a partir de observações de supernovas distantes