O que é a Expansão do Universo?

- Atualizado no dia 4 de abril de 2024 -

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Quando alguém fala em 'expansão do Universo', as pessoas, corretamente, logo lembram do Big Bang e de galáxias ficando mais distantes umas das outras. Porém, a grande maioria interpreta errado os reais significados dessa expansão e dos processos cosmológicos envolvidos. O que realmente é a expansão do Universo? O que foi o Big Bang? Qual a geometria do nosso Universo? O que é o Universo?

Antes de tudo, é preciso lembrar que todas as explicações científicas que existem hoje para a criação e evolução do nosso Universo são sustentadas por bases teóricas relativamente instáveis, apesar dessas bases serem formadas por diversas estruturas bem sólidas. As contínuas observações astronômicas ao longo das décadas e séculos continuam e continuarão moldando nosso entendimento do Cosmo, seja de forma brusca ou apenas no intuito de polir as teorias hoje estabelecidas. Introduzida essa vírgula, vamos embarcar em uma viagem de esclarecimento para algumas das questões astronômicas mais erroneamente interpretadas pelas pessoas, começando, claro, com o Big Bang e a geometria do nosso Universo.

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   ONDE OCORREU O BIG BANG E QUAL É A GEOMETRIA DO NOSSO UNIVERSO?

           Bem, provavelmente você imagina o Big Bang como a explosão de um ponto qualquer em algum lugar do espaço que deu origem ao Universo. E, em uma explosão, lançando matéria e energia de todos os tipos para todas as direções, nada mais do que justo supor que uma esfera foi o resultado final disso. Então, vamos parar por aqui: esqueça tudo isso! Primeiramente, você precisa tentar colocar na cabeça que o Big Bang era tudo. Tudo existia em um volume tal que antecedia o Universo. Não importa qual o formato desse 'volume', o que importa é que uma expansão ocorreu em toda a sua dimensão, em cada ponto do seu espaço. Considerando o limite do nosso conhecimento, fora desse volume não existia nada, nem mesmo o 'nada'. Na verdade, não existia nem o 'fora'. Antes do Big Bang, é impossível hoje especular o que existia.  Um volume x se expandiu em um volume y e continuou e continua se expandindo até agora.

Quando o Universo surgiu (Big Bang), o espaço e tempo foram criados e o primeiro começou a expansão. Nesse ponto inicial, o Universo era muito quente, formado por pequenas partículas misturadas com energia e luz (fótons), e não parecia com nada do que hoje vemos. À medida que a expansão continuou progredindo e ocupou mais espaço dentro desse Universo, foi iniciado um resfriamento e as pequenas partículas começaram a se agrupar, formando átomos. Então, esses átomos se agruparam durante um longo período de tempo para formar as estrelas e as galáxias. As primeiras estrelas criaram átomos mais pesados (Como são formados os elementos químicos?) e, quando elas colapsavam, matéria era expelida, e corpos como asteroides, cometas, planetas e buracos negros começaram a ser formados. Finalmente, o nosso atual Universo! Pelo fato dele ter ficado tão grande e partido de um volume pequeno e super quente, muitos apelidaram o processo inicial de 'Big Bang' (Grande Explosão), apesar de não ter sido nada como uma explosão e, sim, um alargamento interno do Universo. Mas qual seria o formato do volume no qual estamos hoje?

          Antes de responder essa pergunta, é importante ter fixado na mente que o nosso Universo está se expandindo, e gerando um volume cada vez maior. Antes da década de 1990, ainda se trabalhava com a ideia de que o Universo estava se expandindo com velocidade desacelerada, desde a expansão inicial gerada pelo Big Bang. Mas, na década de 1990, pesquisadores, analisando em especial dados obtidos de uma supernova Tipo Ia (1) através do Telescópio Espacial Hubble, mostraram que a expansão estava ocorrendo de forma acelerada, algo que lhes rendeu inclusive o prêmio Nobel. Outras observações posteriores, incluindo o estudo de aglomerados de galáxias e radiações de fundo (2) ajudaram a consolidar ainda mais o achado, tornando essa 'expansão acelerada' o modelo padrão da atual astronomia. O agente causador dessa aceleração foi chamado, mais tarde, de Energia Escura, a qual parece corresponder a quase 70% do que existe no Universo, como explorado no artigo O que são a Matéria e a Energia Escuras?.

O Hubble, lançado em 1990 no Espaço, é o melhor amigo da Astronomia moderna e foi essencial para consolidar todo o nosso atual entendimento do Universo

Para medir o valor da taxa de expansão do Universo, uma das primeiras técnicas desenvolvidas usava estrelas chamadas de Cefeidas, as quais pulsam em intervalos regulares. Como a taxa na qual elas pulsam é conhecida de estar relacionada com a luminosidade intrínseca delas, astrônomos podem usar suas luminosidades e o período entre pulsos para medir suas distâncias da Terra. Quando um objeto celestial é conhecido, a medida da velocidade na qual ele está se movendo de nós revela a taxa de expansão. Seguindo esse método, encontramos o valor de 74 km por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Um segundo e posterior método, usando radiação cósmica de fundo (emissões fotônicas oriundas do Big Bang), gerou o valor de 67 km/s/Mpc.

Em junho de 2016, resultados publicados pela NASA, e frutos de observações do Hubble, aumentaram ainda mais o valor de aceleração da expansão, entre 5 e 9% mais rápida. A constante passou para um valor de 73,24 (+/- 1,74) km/s/Mpc (3), com uma incerteza de 2,4%. De acordo, novas e recentes medidas do Telescópio Espacial Hubble confirmaram que o Universo está se expandindo cerca de 9% mais rápido do que o esperado. O achado foi publicado no periódico Astrophysical Journal Letteres (Ref.18) e a disparidade encontrada diminuiu de 1 em 3000 para somente 1 em 100000 de que a taxa extra de expansão calculada seja um mero acidente. Com os novos dados, a incerteza associada com a taxa de expansão do Universo diminuiu para 1,9% (em 2001 a incerteza era de 10%). Isso significa que ou a Teoria da Relatividade (6) não está completa ou a Energia Escura pode ter efeitos ainda mais intensos, podendo até precisar de complementos como a recente sugestão da 'Radiação Escura'.

(6) Leitura recomendada: O que é a Teoria da Relatividade Especial e Geral?

Porém, contudo, todavia, para complicar ainda a questão, dois estudos publicados em 2019 nos periódicos The Astrophysical Journal (Ref.19) e Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ref.20) encontraram dois valores com substancialmente diferentes entre si. No primeiro estudo, usando dados coletados pelo Hubble de estrelas gigantes vermelhas, e esperado de decidir de uma vez por todas essa questão, os pesquisadores encontraram um valor intermediário entre os extremos determinados nas últimas décadas: 69,8 km/s/Mpc. Já no segundo estudo, os pesquisadores usaram o efeito de lente gravitacional de galáxias (e matéria escura associada) para comparar as diferenças temporais de percurso da luz viajando por diferentes caminhos, e encontraram uma constante de Hubble estimada de 76,8 km/s/megaparsec, o maior até o momento. Um estudo mais recente, publicado no periódico Astrophyiscal Journal (Ref.25) e analisando 63 galáxias, encontrou um valor mediano em relação a essas duas medidas, de 73.3 ± 2.5 km/s/Mpc, corroborando a correção da NASA.

Ou seja, sabemos que o valor é provavelmente em torno de 73 km/s/Mpc, mas sem saber o valor exato, ou no mínimo se é substancialmente inferior ou substancialmente superior, as teorias cosmológicas permanecem incompletas, dificultando um melhor entendimento da estrutura e da evolução cosmológicas. Pode ser que as robustas diferenças encontradas seja devido a erros associados às diferentes metodologias de cálculo, ou pode ser que uma física ainda desconhecida possa estar afetando esses cálculos quando diferentes parâmetros são tomados. Existe inclusive a proposta de que pode existir um novo tipo de energia escura ainda não explorado (Ref.26).

Em um estudo publicado em 2021 no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ref.27), um time internacional de pesquisadores - associados à Colaboração Dark Energy Survey - criou o maior e mais detalhado mapa de crescimento e composição do Universo, cobrindo quase 1/8 do céu e levando em conta os efeitos da energia escura e os efeitos gravitacionais da matéria normal e da matéria escura. As observações utilizaram a Câmera de Energia Escura com 570 megapixels do Observatório Inter-Americano Cerro Tololo, no Chile, e englobaram 226 milhões de galáxias ao longo de 345 noites. No geral, os resultados corroboraram o Modelo Padrão de Cosmologia, porém também realçaram que uma pequena parte dos dados (~1,5%) mostraram uma divergência do predito teoricamente, indicando que o Universo é mais agrupado do que o esperado (talvez uma falha na Teoria da Relatividade Geral na escala cosmológica). Mesmo pequena, essa aparente limitação teórica pode jogar luz nas medidas conflitantes da taxa de expansão do Universo.

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> No final da década de 1990, cientistas esperavam encontrar um universo desacelerando devido à contínua ação gravitacional da matéria visível e da matéria escura. Porém, eles encontraram evidência de que a expansão do universo estava acelerando. A explicação proposta era de que uma "energia escura" associada ao espaço "vazio" estavam afastando e separando a matéria. Essa força extra foi representada pela adição de uma constante cosmológica (lambda, ou Λ) à teoria da relatividade geral.

> É ainda inexplicável por que o espaço vazio está associado com uma energia desconhecida [escura]. É também incerto se a constante Λ realmente permaneceu uma constante ao longo da história do universo; caso contrário, isso torna a atual teoria cosmológica baseada em energia escura (Λ-CDM) incorreta ou incompleta.

> Dados preliminares e robustos acumulados nos últimos anos pelo Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI), derivados do maior mapa 3D do universo já compilado e baseados na observação de >6 milhões de galáxias no espaço profundo, confirmou com uma precisão melhor do que 1% que o universo evoluiu nos últimos 11 bilhões de anos de acordo com o modelo teórico Λ-CDM. Mas o valor do erro estatístico encontrado pode apontar para um possível enfraquecimento da energia escura e consequentemente variação da constante lambda (Λ); podem ser raras flutuações estatísticas ou real evidência de que a energia escura está mudando. Ref.30-31

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De qualquer forma, dentro desse progressivo e acelerado processo de expansão do Universo, temos a expansão inicial, ou seja, o Big Bang, e é aqui que mora a base de resposta para a sua mais provável geometria: como ocorreu essa expansão inicial? A teoria padrão do Big Bang, a qual dominou até a década de 1980, explicava várias incógnitas do Universo, mas deixava outras várias sem resposta, como:

1. O Problema do Horizonte: Várias regiões localizadas em direções opostas no Espaço estão muito distantes para poder explicar a homogeneidade de propriedades físicas no Universo, principalmente a temperatura. Para entender isso, vamos pegar duas galáxias, uma no leste e outra no oeste, onde cada uma delas está distante 10 bilhões de anos-luz de nós. Somando os dois valores, veremos que as duas estão separadas por uma distância de 20 bilhões de anos-luz. Agora, quando medimos a temperatura das duas, por exemplo, através da radiação sendo emanada por elas, ambas apresentam temperaturas quase idênticas, e isso se estende para todas as regiões do Universo! Para isso ser possível, todas essas partes precisam ter estado em contato de forma contínua para algo próximo de um equilíbrio físico ter sido alcançado (assim como quando você coloca dois corpos em contato um com outro aqui na Terra, e a tendência são os dois alcançarem a mesma temperatura). Mas, temos um porém aqui: a luz demoraria muito tempo para alcançá-los, ou seja, 20 bilhões de anos para ir do leste para o oeste, e a troca de informações físicas (calor, magnetismo, cargas elétricas, etc.) possuem o limite da velocidade da luz para ocorrerem. Resumindo, este leste não teria noção de que o oeste existe, e vice-versa. E isso sem contar que a luz dessas galáxias demorou 10 bilhões de anos só para chegar até a gente, significando que as duas estão muito mais distantes uma da outra hoje. Mas por que todos esses valores são absurdos? Ora, o Universo parece só ter 13,8 bilhões de anos de existência. Para essas regiões tão distantes entre si estarem se comunicando, o Universo teria que ser incrivelmente mais velho, algo que vai contra todas as teorias já consolidadas. É necessário outro modelo que melhore a Teoria do Big Bang.

2. O Problema dos Monopolos: A Teoria clássica do Big Bang prevê que existiriam um grande número de massivos e estáveis 'monopolos magnéticos' no jovem Universo. Quando você pega um ímã, por exemplo, ele sempre terá dois polos, certo? Um Norte e outro Sul, onde os mesmos polos se repelem. Nenhum material ou partícula conhecida possui apenas um desses polos, e, sim, sempre em par. Teoricamente, é possível existir monopolos, mas eles nunca foram observados no Universo, e mesmo se eles existirem e apenas não foram vistos, o fato da não-observação significa, no mínimo, que temos muito poucos deles em comparação com o que previa o Big Bang clássico.

Essas duas problemáticas apunhalam com força o Big Bang clássico, apesar deste explicar diversas coisas no nosso Universo. Por isso, na década de 1980, surgiu a famosa Teoria da Inflação. Nela temos todos os angustiantes problemas sanados, incluindo os Monopolos e a Homogeneidade Física. Na Teoria da Inflação, o Universo saiu de um tamanho de cerca de 10^-24 cm para um fator de aumento em exponencial de 10⁵⁰, em apenas 10^-35 segundos! Nessa ínfima fração de segundo, nosso Universo expandiu - em comparação dimensional - de um átomo para o nosso Sistema Solar inteiro! Seguindo essa premissa, a densidade do nosso Universo hoje quase se aproxima da sua densidade crítica, algo sendo corroborado por observações astronômicas modernas, e com estas observações sendo também explicadas pela Inflação. Com esse perfil de densidade, a geometria que procuramos não é esférica, e, sim, plana! Nosso universo, pelo menos de acordo com a Inflação, e seguindo os resultados da Relatividade Geral, e nossas observações astronômicas (4), parece ser aberto, infinito - em espaço - e plano.

É estranho pensar em um Universo plano, mas vamos pegar o exemplo de um balão. À medida que vamos o enchendo, seu volume vai aumentando. Se pegarmos uma formiga e colocarmos ela para andar em cima dele, talvez no começo ela veja alguma curva no horizonte desse balão, mas quando chegamos em um volume enorme no contínuo enchimento de ar, a superfície do balão se torna grande demais para a formiga ver qualquer curva. Para ela, o balão é plano! Nós aqui na Terra, por exemplo, sabemos que ela é esférica, mas quem está na sua superfície poderia pensar que ela é plana ao olhar para o horizonte. Em ambos os casos, imagine que esses corpos esféricos tivessem um volume indo para infinito: nuca observaríamos uma curvatura, e para qualquer fim prático, o balão seria plano, não importando sua forma.

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> E só um parênteses rápido aqui: Essa analogia, frequentemente usada em aulas de astronomia pelo mundo inteiro, provavelmente é o que deve ter inspirados os malucos da 'Terra Plana' a dizerem que o nosso planeta não é esférico, e, sim, plano. Eles acabaram distorcendo esse conceito cosmológico para dar razão a algo sem lógica alguma (Risos).
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A ideia de um Universo curvo e esférico não é plausível com as atuais evidências e teorias; em um Universo esférico e fechado, um feixe de luz (fótons) emitido acabam voltando para o mesmo ponto de saída em algum momento no futuro, caso não interajam com outros corpos no meio do caminho; em um Universo plano e infinito, o feixe de luz emitido continuaria sua trajetória infinitamente no tempo

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     COLAPSO DO UNIVERSO?

          Ok, esclarecida a geometria, vamos para outro questionamento também ligado à densidade do Universo, e já aproveitamos para explicar o que é a 'densidade crítica': o Universo continuará se expandindo para sempre, ou ele entrará em colapso em algum ponto? De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, os efeitos da gravidade são o de curvar o espaço ao redor, uma característica da distorção espaço-tempo causada por uma massa situada em um ponto qualquer do espaço. Em um Universo cheio de matéria (massa), tanto a geometria e o destino desse Universo estão atrelados à densidade do seu conteúdo de matéria. Em relação ao destino, existem três possibilidades, como mostrado no gráfico ilustrativo anterior:

1. Se a densidade da matéria total é alta, ou seja, maior do que a sua densidade crítica, a expansão será freada e parada, e o Universo entrará em colapso após um tempo ('Big Crunch'), onde sua gravidade o puxará de volta. Esse é o Espaço Esférico.

2. Se a densidade total é baixa, ou seja, menor do que a sua densidade crítica, a gravidade do Universo é insuficiente para parar a expansão. Aqui, o Universo continuaria se expandindo para sempre. Esse é o Espaço Hiperbólico.

3. Se a densidade total está no meio termo entre alta e baixa, ela terá o seu valor exatamente o da densidade crítica. Nesse caso, a expansão do Universo irá também ser freada e parada, mas só depois de um tempo infinito. Esse é o Espaço Plano.

         A densidade crítica corresponde à densidade média exatamente necessária para parar a expansão do Universo. Segundo cálculos atualizados, essa densidade teria o valor de 10^-26 km/m³ (cerca de 10 átomos de hidrogênios por metro cúbico). Como já vimos, as observações astronômicas até o momento sustentam um Universo/Espaço Plano, e, portanto, não parece provável que um colapso ocorrerá. Na verdade, ele ocorrerá, mas depois de um tempo infinito. Não, não é redundante dizer as duas coisas. Normalmente assumimos que algo infinito não existe, por ele ser 'infinito'. Mas isso não é verdade. O infinito é uma grandeza numérica real, e muito presente na matemática. Peça para um computador ir contando até ele não aguentar mais. Você verá números tão grandes que fugirão da sua imaginação, mas não é porque você não os usa ou sequer consegue imaginá-los que eles não estarão lá. Quanto mais você vai contando até o infinito, mais você vai descobrindo que esses números existem, independentemente do tamanho. Interessante essa ideia, não?

> Porém, contudo, todavia, um controverso estudo publicado em 2019 na Nature Astronomy trouxe evidências que argumentam em defesa de um Universo curvo e fechado. A conclusão foi baseada em uma re-análise dos dados do Telescópio Espacial Planck. Para saber mais sobre o estudo, acesse: Estudo sugere um Universo fechado, curvo e finito

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     MORTE TÉRMICA DO UNIVERSO

        Essa é outra dúvida que muitos têm. O que estaria por trás dessa misteriosa "morte térmica" vez ou outra dita por aí? Bem, aqui vamos ter que nos lembrar das nossas aulas de termodinâmica, em especial da 2° lei da termodinâmica. Em um sistema isolado a tendência da entropia é apenas aumentar, certo? Além disso, uma máquina térmica funciona através da transferência de calor de um corpo quente para outro frio. Toda movimentação mecânica conhecida envolvendo trabalho depende disso, seja em uma máquina seja em um ser vivo. Dado um bom tempo para o Universo, e sendo este um perfeito exemplo de sistema isolado, sua entropia tenderia a atingir o valor máximo, significando que a energia térmica por todo o Universo estará distribuída de forma igual, cessando as transferências de calor, as quais sempre ocorrem sempre do quente para o frio. Em outras palavras, nenhum processo que se sustente através do consumo de energia será possível. E considerando que a teoria atual concorda que o Universo é plano e está se expandindo em tempo infinito, é certo que essa Morte Térmica é inevitável, e terminaria em uma temperatura muito baixa distribuída igualmente por todo o Cosmo. Obviamente, então, a vida neste Universo não seria algo que sempre o acompanharia. A entropia é desordem, e está é precedida da ordem. Em uma entropia máxima e constante, nada que exige uma ordem seria possível de ocorrer.

           A única saída para contornar esse processo é se de alguma forma fosse possível conseguir algum método ou mecanismo no Universo que conseguisse criar mais átomos de hidrogênio de radiação eletromagnética ou Energia Escura, por exemplo, para fomentar novas estrelas. Com as reações nucleares de fusão dentro dessas novas estrelas em formação, calor passaria a fluir novamente no Universo. Para saber mais, acesse o artigo: Morte Térmica do Universo

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      O UNIVERSO ESTÁ SE EXPANDINDO DENTRO DE QUÊ?

          Ah, chegamos em uma pergunta curiosa e difícil de ser respondida, e é onde precisamos deixar claro o que é essa 'expansão', a qual é confundida em seu real significado pela grande maioria das pessoas. Primeiro, voltamos à questão do 'Espaço infinito ou não?'. Como já vimos, parece que o nosso Universo é infinito em sua geometria e sempre foi infinitamente grande. Independentemente disso, como já mencionado no início, nada existe além do Universo, pelo menos nada em termos de espaço e tempo (e até onde nosso conhecimento é limitado). O Universo não está se expandindo dentro de algo ou em alguma direção fora dele, porque não existe o 'fora'. O que está havendo é um alargamento do próprio espaço no Universo. As teorias hoje não preveem algo fora do Universo, apesar desse conceito ser contraintuitivo para a mente humana.

          A palavra 'expansão', apesar de ser o termo científico padrão, não é o mais correto de ser usado para explicar o que está ocorrendo no espaço cosmológico. Já de início é preciso tirar a ideia de que a expansão do Universo é devida à movimentação das galáxias ou agrupamentos de galáxias, como se fosse uma espécie de expansão de gases sob aquecimento. Essas formações não estão se afastando uma das outras como se fossem gases tentando preencher um espaço e, sim, porque este mesmo espaço está se alargando ('expandindo'). É como você pegar uma massa de panettone cheio de frutinhas incrustadas nela e colocá-la para aquecer. A massa irá crescer (espaço do Universo) fazendo com que as frutinhas fiquem mais distantes umas da outras, mesmo elas permanecendo estáticas. Em relação à massa como um todo, as frutinhas não se moveram. Em um cenário semelhante, o próprio espaço dentro e entre as galáxias está se alargando.

         Alguém pode citar que muitas galáxias estão se movendo a velocidades altíssimas e muitas estão colidindo para a formação de novas galáxias. Mas essas movimentações ocorrem por efeitos gravitacionais, ou seja, uma galáxia está se movendo ao encontro de outra por causa da atração gravitacional entre esses corpos. Se pegarmos uma galáxia muito isolada e parada desde o início, ela ficará fixa no espaço, respeitando a Lei da Inércia, e não ficará se movimentando. O Big Bang foi uma grande explosão de expansão do 'espaço' e não uma explosão onde galáxias foram 'arremessadas'.

         O Desvio para o Vermelho das radiações eletromagnéticas sendo emitidas por uma galáxia, por exemplo, é explicado por esse alargamento no espaço. O comprimento de onda de uma radiação eletromagnética, como a luz visível, aumentará durante sua viagem de uma galáxia, ou aglomerado de galáxias (´clusters´) muito distante à outra porque o espaço estará alargando. Mas aqui fica uma dúvida: se todo o espaço no Universo está se alargando, porque o nosso planeta, o Sistema Solar, e até mesmo nós não estamos alargando também, ficando com volumes imensos com o tempo?

       A explicação é que quando saímos do meio intergaláctico, onde o espaço está efetivamente se expandindo e afastando as galáxias uma das outras, e entramos dentro das galáxias, por exemplo, as forças que imperam dentro do Universo observável são muito mais fortes, fazendo com que a matéria fique unida. As forças gravitacionais, eletrostáticas, magnéticas, Fracas e Fortes (5) são muito mais poderosas do que a expansão. O espaço está tentando se expandir também dentro das galáxias, dentro de cada planeta, dentro de cada átomo, mas as forças de interação e que unem esses corpos são muito mais fortes.

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EXPANSÃO MAIS RÁPIDA DO QUE A LUZ?

Essa pergunta é frequente e muitas vezes distorcida. Estaria o Universo se expandindo mais rápido do que a luz? Mas a Relatividade Especial não prevê que isso é algo impossível?

Para começar, essa pergunta está mal formulada. A melhor pergunta seria: estariam galáxias se afastando umas em relação às outras com uma velocidade maior do que a da luz?

Voltando à constante de Hubble, podemos tomá-la como uma média de 71 km/s/megaparsec, o que significa que a cada 1 milhão de anos, todas as distâncias no universo (inter-galáticas) são alargadas em aproximadamente 0,007% (se considerarmos que a constante de Hubble se mantém realmente constante nesse período relativamente curto em termos cosmológicos; mas sabemos que ela não se mantém ao longo das eras cosmológicas). Nesse contexto, como a cada megaparsec de distância entre duas galáxias estas estarão se separando 71 km por segundo, podemos inferir que a um dado momento se essas galáxias estiverem separadas por uma distância de 4,2 mil megaparsecs ou mais (1,3x10²³ km) ambas estarão, de fato, se afastando uma em relação a outra mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo (~300000 km/s). Nesse sentido, temos uma outra pergunta: uma ou mais galáxias estão, na prática observável, separadas por essa enorme distância?

Ora, considerando que o Universo é infinito, inúmeras delas estão separadas por essa distância em relação a alguma outra, e nós vemos várias delas! Todas as galáxias no Universo visível com um desvio para o vermelho (redshift) de 1,4 ou mais estão se afastando de nós com velocidades superiores a da luz. E temos galáxias com redshift de até 5! Na imagem abaixo, podemos ver três delas. Mas e se elas estão se afastando com tal velocidade, como estamos vendo elas? A luz não deveria chegar, certo? Ora, aqui precisamos nos lembrar do básico da astronomia: grande parte do que vemos no céu (estrelas, galáxias) são fotografias de um passado muito distante. A luz dessas galáxias com redshifts superiores a 1,4 são de um tempo quando elas estavam mais próximas de nós, há bilhões de anos, e, portanto, não se afastando mais rápido do que a velocidade da luz. Nesse ponto também, essas galáxias eventualmente em um futuro muito distante também ficarão invisíveis para nós, já que toda a luz que poderia chegar delas um pouco depois* de estarem se afastando mais rápido do a luz terá se esgotado.

Agora, respondendo à última pergunta: como é possível algo que não seja um fóton viajar a uma velocidade superior à da luz no vácuo? Não, não é possível, e isso a Relatividade Especial deixa claro. Objetos com massa de repouso não conseguem se mover através do espaço (localmente) a velocidade da luz, incluindo neutrinos; fótons conseguem porque não possuem massa de repouso. Porém, o limite RELATIVO de velocidade da luz apenas se aplica quando você está em um quadro inercial (sem forças resultantes, sem aceleração) em relação a outro objeto cuja velocidade você está medindo. A distâncias muito grandes, devido à expansão do Universo e aos campos gravitacionais diversos, nada está em um quadro inercial. E como o espaço intergalático está se expandindo mais rápido do que a velocidade da luz, as galáxias relativas a nós podem se 'mover' a velocidades maiores do que a da luz. Mas é importante reforçar: as galáxias (o corpo galático) não estão se movendo efetivamente através do espaço local com tais velocidades, apenas se afastando com tais velocidades porque o espaço inter-galático está se alargando. Portanto, a Relatividade Especial continua válida no sentido de que nenhum corpo com massa pode ser acelerado a uma velocidade igual ou maior do que a da luz. As distâncias entre galáxias distantes é que estão aumentando mais rápido do que a luz.

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*Isso porque como a constante de Hubble está diminuindo com o tempo, fótons que partiram de galáxias nesse momento com redshifts iguais ou um pouco maiores do que 1,4 ainda podem vencer essa expansão em menor desaceleração com o tempo durante seu percurso no espaço intergalático e eventualmente alcançarem a Terra. Cálculos teóricos (Ref.23) preveem que a luz de galáxias nesse exato momento só não nos alcançariam mais a partir de um redshift igual ou superior a 1,69 (ou uma distância de 4,74 mil megaparsecs).

TEMPO MAIS LENTO NA EXPANSÃO?

Como consequência fundamental da relatividade geral, nós deveríamos observar o universo distante - e, portanto, antigo - com o tempo passando mais devagar do que atualmente. Isso ocorre devido à dilação cosmológica do tempo (1 + z) resultante do espaço em expansão, fazendo o fluxo do tempo no universo distante parecer mais lento "aos olhos" de observadores do universo local. Se estivéssemos nesse universo distante, 1 segundo continuaria sendo 1 segundo - esse tempo desacelera apenas em relação ao observador muito afastado.

Um estudo publicado no periódico Nature Astronomy (Ref.27), analisando 190 quasares ao longo de duas décadas, encontrou que quando o Universo tinha pouco mais de 1 bilhão de anos, o tempo parecia fluir 5 vezes mais lento (relativo ao observador no universo local). Se alguém hoje na Terra pegasse um "super-binóculo" para observar o universo distante, há mais de 12 bilhões de anos-luz, esse universo seria visto em câmera lenta, com desaceleração de 5x.

Devido à velocidade finita da luz, quando olhamos através de um telescópio para objetos muito, muito distantes, é como se estivéssemos olhando para o passado. Quanto mais distante observamos, veríamos um universo cada vez mais jovem. Mas como o universo também está se expandindo, mais o espaço-tempo é esticado, e mais lento se torna o fluxo do tempo observado.

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         POR QUE O ESPAÇO ESTÁ SE EXPANDINDO E COMO A ENERGIA ESCURA ESTÁ ACELERANDO ESSE PROCESSO?

            Aqui as perguntas param de ter respostas com apenas o nosso atual conhecimento do Universo. Apenas sabemos que o Universo está se expandindo e de forma acelerada. Na verdade, como essa aceleração parece ser maior do que a esperada teoricamente, isso torna mais misterioso a natureza e a influência da Energia Escura dentro do nosso Universo, caso a Relatividade Geral esteja totalmente correta em suas previsões.

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(1) Supernovas correspondem ao processo de morte de algumas estrelas, caracterizadas por uma explosão muito brilhante e expulsão de bastante matéria desses corpos. O brilho dessas explosões, que duram por períodos curtos de tempo (semanas a meses), podem ser comparáveis a de uma galáxia inteira. Existem dois tipos gerais: I e II. As do tipo I/1 são estrelas presentes em sistemas binários, ou seja, em sistemas onde existem duas estrelas orbitando uma mesma região. Com o tempo, uma das estrelas (anã branca) rouba matéria da sua estrela companheira (devido à sua atração gravitacional), ficando com cada vez mais massa. Chega em um ponto que ela fica bastante instável e explode. O tipo II/2 corresponde a uma estrela muito massiva, na qual, à medida que o seu combustível principal (hidrogênio) vai se esgotando, sua matéria começa a migrar para o seu núcleo, tornando este cada vez mais instável. O resultado final é uma grande explosão. O nosso Sol não vai virar uma supernova por ser relativamente pouco massivo.

Aqui podemos ver os remanescentes de uma poderosa supernova, capturados pelas lentes do Hubble

(2) São as radiações eletromagnéticas representadas por micro-ondas originadas de fótons gerados durante um Universo bem quente com idade em torno de 380 mil anos. É, basicamente, um fóssil de um Universo muito jovem. Essas radiações de fundo permeiam todo o Universo e até formam uma pequena parte do ruído nos nossos aparelhos eletrônicos.

(3) 1 Km/s/Mpc - 1 quilomêtro por segundo a cada Megaparsec, onde 1 Megaparsec equivale a 3,26 milhões de anos-luz). Para uma melhor noção dessa distância, em termos astronômicos, confira o artigo Por que olhar para as estrelas é vislumbrar o passado?

(4) É importante distinguirmos o Universo real do Universo observável. O primeiro corresponderia ao Universo como um todo, sua realidade. No segundo caso, as nossas anotações sobre o Universo ficam restritas ao que podemos enxergar dele, ficando limitadas pela velocidade da luz no vácuo (~300000 km/s). O que definimos para o 'Universo real' é uma extrapolação do Universo observável.

(5) Recomendo o artigo Não existe gravidade no Espaço? para um melhor entendimento dessas forças.

Artigos Complementares e Recomendados: