YouTube

Artigos Recentes

O que é a Expansão do Universo?



            Quando falamos em ´expansão do Universo´, as pessoas, geralmente, se lembram do Big Bang e de galáxias se afastando uma das outras. Porém, a grande maioria interpreta errado os reais significados entre essas associações e 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? Essas são perguntas que parecem simples de serem respondidas e de serem entendidas, mas diversos erros são cometidos nas tentativas populares de entendimento e resposta.

           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 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 propostas. Nesse sentido, é importante não levar as explicações hoje como algo absoluto, mesmo elas tendo ótimas evidências de sustento. Já, então, introduzida esta 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.

  
   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, vou parar por aqui e pedir para que você esqueça tudo isso! Primeiramente, você precisa tentar colocar na cabeça que o Big Bang é tudo. Espaço, tempo... Tudo existia em um volume tal que antecedia o Universo. Não importa qual o formato desse ´volume´, o que importa é que uma explosão de expansão ocorreu em toda a sua dimensão, inclusive no local onde você está lendo este artigo. Fora desse volume não existia nada, nem mesmo o ´nada´. Na verdade, não existia nem o ´fora´. Um volume x se expandiu em um volume y e continuou e continua se expandindo até agora. Mas qual seria o formato do volume em que estamos hoje?

          Antes de responder essa pergunta, é importante ter fixado na mente que o nosso Universo está se expandindo, ocupando um volume espacial cada vez maior. Antes da década de 90, 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 90, pesquisadores analisando principalmente dados obtidos por uma supernova Tipo Ia (1) através do Telescópio Espacial Hubble, mostraram que a expansão estava ocorrendo de forma acelerada, algo que lhes rendeu 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 corresponderia a quase 70% do que existe no Universo, como citado também no artigo O que são a Matéria e a Energia Escuras?. E em junho deste ano, resultados publicados pela NASA, e frutos de observações do Hubble aumentaram ainda mais essa aceleração, entre 5 e 9% mais rápida. Agora a constante possui um valor de 73,24 (+/- 1,74) km/s/Mpc (3), com uma incerteza de apenas 2,4%. Isso significa que ou a Teoria da Relatividade de Einstein não está completa ou a Energia Escura pode ter comportamentos ainda mais intensos, podendo até precisar de complementos como a recente sugestão da ´Radiação Escura´.

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

           Dentro dessa progressiva 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 emanadas 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 no dia a dia, 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, teriam 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 Teria 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 comprovado 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 conceitos da Relatividade Geral, e nossas observações astronômicas (4), parece ser aberto, infinito - em espaço - e plano.

  
             É estranho pensar em um Universo plano, eu sei, 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 deste 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. 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).

A ideia de um Universo curvo e esférico não é plausível com as atuais evidências e teorias. Portanto, nem perca o seu tempo perguntando se existe um ´centro do Universo´...:)
 
- Continua após o anúncio -



     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 de Einstein, 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 do mesmo 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 imaginar que eles não estarão lá. Quanto mais você vai contando até o infinito, mais você vai descobrindo que esses números existem, independente do tamanho. Interessante esse pensamento, não?




     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

- Continua após o anúncio -



      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 às questões do ´Espaço infinito ou não´. Como já vimos, parece que o nosso Universo é infinito em sua geometria e sempre foi infinitamente grande. Independente disso, como já falei no início, nada existe além do Universo, pelo menos nada em termos de espaço e tempo. 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.

          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 uma da outra, mesmo elas estando paradas. Em relação à massa como um todo, as frutinhas não se moveram. O próprio espaço dentro e entre as galáxias está se alargando. Não a distância entre elas, mas a básica noção do espaço.

         Você 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 elas. Se pegarmos uma galáxia muito isolada e parada desde o início, ela ficará fixa no espaço, seguindo 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 Universo como um todo, onde estamos vendo as galáxias se afastando com a dilatação do espaço, 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.


         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 ele está se expandindo e de forma acelerada. Na verdade, até mesmo essa aceleração é questionada por alguns cientistas, o que pode por em xeque a real existência da Energia Escura, apesar do consenso astronômico atual não corroborar essa negação por faltar evidências sólidas para tal.

         Voltando a lembrar, todo esse conhecimento é baseado nas atuais teorias, formadas pela soma de sólidos conceitos já construídos há muito tempo, como a Relatividade Geral e Restrita, e novos conhecimentos que vieram para complementar ou polir tais conceitos. Tudo pode mudar no futuro ou sofrer drásticas mudanças. A Ciência, como todos sabem, vive disso: nossos questionamentos, colheita constante de evidências e processamento destas últimas, as quais podem derrubar ou reafirmar velhos conhecimentos, dependendo do quão bem eles expliquem a Natureza ao nosso redor.

                                                                         #####

(1) Supernovas correspondem ao processo de morte de algumas estrelas, caracterizadas por uma explosão muito brilhante e expulsão de bastante matéria das mesmas. 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 (300 000 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:
 
REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html
  2. https://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_shape.html
  3. http://umich.edu/~gs265/bigbang.htm
  4. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/C/Critical+Density
  5. https://www.researchgate.net/publication/299618320_Heat_Death_The_Ultimate_Fate_of_the_Universe
  6. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasa-s-hubble-finds-universe-is-expanding-faster-than-expected
  7. https://www.hcs.harvard.edu/~jus/0302/song.pdf
  8. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Peacock/Peacock3_1.html
  9. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Watson/Watson_contents.html
  10. http://archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/Cosmos/HorizonProblem.html
  11. http://curious.astro.cornell.edu/about-us/104-the-universe/cosmology-and-the-big-bang/expansion-of-the-universe/623-what-is-the-universe-expanding-into-intermediate
  12. http://www.ox.ac.uk/news/science-blog/universe-expanding-accelerating-rate-%E2%80%93-or-it
  13. http://link.springer.com/article/10.1140/epjh/e2013-40037-6
  14. http://curious.astro.cornell.edu/about-us/103-the-universe/cosmology-and-the-big-bang/geometry-of-space-time/600-why-is-the-universe-flat-and-not-spherical-advanced
  15. https://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_concepts.html
  16. https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question35.html