Nossa visão de uma pequena região do Universo perto da calota galáctica do norte, onde cada pixel da imagem representa uma galáxia mapeada. Nas escalas maiores, o Universo é o mesmo em todas as direções e em todos os locais mensuráveis, mas as galáxias distantes parecem menores, mais jovens e menos evoluídas do que as que encontramos nas proximidades. Créditos da imagem: SDSS III, versão 8

Onde fica o centro do universo?

Quando as pessoas aprendem que o universo está se expandindo, elas querem saber onde está o centro. A “resposta” não é o que elas esperam.

Atenção! Esse é um texto traduzido, publicado originalmente na revista Forbes, e possui autoria do astrofísico Ethan Siegel. Confira a publicação original aqui.

Há duas coisas que as pessoas aprendem sobre o universo que as surpreendem mais do que qualquer outra: que o universo não existe desde sempre, mas apenas por um tempo finito após o Big Bang, e que está se expandindo desde que esse evento ocorreu. A maioria das pessoas intuitivamente entende esse “bang [estrondo]” e imagina uma explosão e depois concebe a expansão como se visualizasse estilhaços lançados para fora em todas as direções. É verdade que a matéria e a energia no universo começaram em um estado quente e denso de uma só vez, e depois se expandiram e esfriaram à medida que todos os vários componentes se afastavam um do outro. Mas isso não significa que a imagem de “explosão” esteja correta. Recebemos uma pergunta muito boa de Jasper Evers, que pondera:

Estou me perguntando como não há um centro do universo e como a radiação cósmica de fundo está [igualmente] distante em todos os lugares que olhamos. Parece-me que quando o universo se expande…deve haver um lugar onde ele começa a se expandir.

Afinal, o que essa pergunta questiona é exatamente o que se alinha à nossa experiência [senso comum] sempre que encontramos uma explosão.

Os primeiros estágios da explosão do teste nuclear Trinity, apenas 16 milissegundos após a detonação. O topo da bola de fogo tem 200 metros de altura. Se não fosse a presença do solo, a explosão em si não seria um hemisfério, mas uma esfera quase perfeitamente simétrica. Créditos da imagem: Berlyn Brixner

Sempre que ocorrer uma explosão, independentemente de se basear em uma reação de combustão, uma explosão nuclear, uma ruptura causada pela pressão excessiva de um recipiente, etc., as seguintes afirmações são verdadeiras:

• Uma explosão sempre começa em um local específico no espaço.
• Uma explosão ocupa inicialmente um volume pequeno, mas finito.
• E uma explosão se expande rapidamente em todas as direções, limitada apenas pelas forças e barreiras externas que encontra.

Quando você tem uma explosão, algum material geralmente é apanhado e/ou afetado por ela e é empurrado radialmente para fora, com parte desse material (normalmente o material mais leve) se movendo para fora o mais rápido possível. Esse material que se move mais rápido se espalhará mais rapidamente e mais longe do que o restante do material e, como resultado, se tornará menos denso. Mesmo que a densidade de energia diminua em todos os lugares, ela se afasta mais rapidamente da explosão, pois mais material energético se torna menos denso e mais rápido nos arredores. Você sempre pode reconstruir onde a explosão ocorreu apenas medindo as trajetórias dessas diferentes partículas.

Se você olhar cada vez mais longe, também olhará cada vez mais para o passado. O mais longe que podemos ver no tempo é 13,8 bilhões de anos: nossa estimativa para a idade do Universo. É a extrapolação de volta aos primeiros tempos que levou à idéia do Big Bang. Embora tudo o que observamos seja consistente com a estrutura do Big Bang, não é algo que possa ser provado. Créditos da imagem: NASA / STScI / A. Felid

Mas esta imagem que acabei de pintar para você — de uma explosão — não corresponde ao nosso universo. O universo parece o mesmo aqui, assim como a alguns milhões ou mesmo alguns bilhões de anos-luz de distância. Possui as mesmas densidades, as mesmas energias, o mesmo número de galáxias em um determinado volume de espaço, etc.

De fato, os objetos que estão muito distantes parecem se afastar de nós em velocidades maiores que os objetos próximos, mas também não parecem ter a mesma idade dos objetos mais lentos e próximos. Em vez disso, à medida que avançamos a distâncias extremas, as mais distantes parecem mais jovens, menos evoluídas, maiores em número e menores em tamanho e massa. Apesar de podermos ver galáxias a distâncias superiores a 30 bilhões de anos-luz, se rastrearmos como tudo está se movendo e reconstruir suas trajetórias de volta a uma origem comum, veremos os resultados mais improváveis: o “centro” percebido pousa diretamente sobre nós.

O superaglomerado Laniakea, contendo a Via Láctea (ponto vermelho), abriga nosso Grupo Local e muito mais. Nossa localização fica nos arredores do Aglomerado de Virgem (grande coleção branca perto da Via Láctea). Apesar da aparência enganosa da imagem, essa não é uma estrutura real, pois a energia escura separará a maioria desses aglomerados, fragmentando-os com o passar do tempo. No entanto, se o nosso universo começasse com uma explosão, o centro reconstruído da explosão estaria aqui neste superaglomerado, que ocupa menos de um bilionésimo do volume do universo observável. Créditos da imagem: Tully, RB, Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71–73 (2014)

De todos os trilhões de galáxias no universo, quais são as chances de que estaríamos exatamente no centro da explosão que iniciou o universo? Quais são as chances, além daquelas minúsculas, de que a explosão inicial tenha sido configurada dessa maneira, considerando ainda

• densidades irregulares e não homogêneas,
• horários de início variáveis ​​para formação de estrelas e crescimento de galáxias,
• energias que variam tremendamente de um lugar para outro da maneira correta e bem ajustada,
• e um misterioso brilho de fundo de 2,7 K em todas as direções,

para conspirar que estejamos exatamente no centro? Temos muito que inventar para explicar isso, e muitas observações ainda permanecem inexplicáveis. O cenário de explosão não é apenas irreal; desafia as leis conhecidas da física.

Uma explosão no espaço faria o material mais externo se afastar mais rápido, o que significa que ficaria menos denso, perderia energia mais rápido e exibiria propriedades diferentes quanto mais longe você se afastasse do centro. Também precisaria se expandir para algo, em vez de esticar o próprio espaço. Nosso universo não suporta isso. Créditos da imagem: ESO

Em vez disso, no entanto, a lei da gravidade que governa o nosso universo — a teoria geral da relatividade de Einstein — prevê que um universo cheio de matéria e energia não explode, mas se expande. Um universo que está cheio de quantidades iguais de material em todos os lugares, com as mesmas densidades e temperaturas médias, deve expandir ou contrair; uma vez que observamos uma aparente recessão, a solução de expansão é a única física. (Da mesma forma que a raiz quadrada de 4 pode ser +2 ou -2, mas apenas uma delas corresponderá ao número físico de maçãs em suas mãos.)

Há um equívoco de que um universo em expansão possa ser extrapolado de volta a um único ponto; isso não é verdade! Em vez disso, pode ser extrapolado para uma região de tamanho finito com certas propriedades (isto é, preenchida com matéria, radiação, leis da física, etc), mas deve evoluir de acordo com as regras estabelecidas por nossa teoria da gravidade.

O que isso leva, inevitavelmente, é um universo que tem propriedades semelhantes em todos os lugares. Isso significa que em qualquer região finita e de tamanho igual do espaço, deveríamos ver a mesma densidade do universo, a mesma temperatura do universo, o mesmo número de galáxias, etc. Também veríamos um universo que parecia evoluir com o tempo, as regiões mais distantes deveriam aparecer para nós como eram no passado, expandindo menos e experimentando menos atração gravitacional e quantidades menores de agrupamentos.

Como o Big Bang aconteceu em todos os lugares ao mesmo tempo em um tempo finito, nosso canto local do universo parecerá o canto mais antigo do universo. Do nosso ponto de vista, o que nos parece próximo é quase tão antigo quanto nós, mas o que aparece a grandes distâncias é muito mais parecido com o que o nosso universo próximo era há bilhões de anos.

Quando você olha para uma região do céu com um instrumento como o Telescópio Espacial Hubble, você não está simplesmente vendo a luz de objetos distantes como era quando a luz foi emitida, mas [vê] também a luz afetada por todo o material intermediário e a expansão do espaço que ela experimenta ao longo de sua jornada. O Hubble nos levou para mais longe do que qualquer outro observatório até hoje e nos mostrou um universo que evolui com o tipo, tamanho e densidade de galáxias com o tempo. Créditos da imagem: NASA, ESA e Z. Levay, F. Summers (STScI)

As galáxias distantes que existem estão constantemente emitindo luz, e estamos vendo a luz que chegou somente depois de concluir sua jornada para chegar até nós através do universo em expansão. Galáxias cuja luz levou um bilhão ou dez bilhões de anos para chegar aqui aparecem como eram a um bilhão ou dez bilhões de anos atrás. Se voltarmos até quase o momento do Big Bang, descobriremos que o universo, quando era jovem, era dominado pela radiação e não pela matéria. Ele precisa se expandir e esfriar para que a matéria se torne mais importante em termos de energia.

Com o tempo, à medida que o universo se expande e esfria, os átomos neutros podem finalmente se formar de maneira estável sem serem imediatamente destruídos. A radiação que outrora dominou o universo, no entanto, ainda persiste e continua a esfriar e desviar para o vermelho devido à expansão do espaço. O que conhecemos hoje como o Radiação Cósmica de Fundo [1] é consistente com o brilho restante do Big Bang, mas também é observável de qualquer lugar do universo.

A estrutura em larga escala do universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as primeiras estrelas e galáxias, depois se fundem para formar as grandes e modernas galáxias que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um universo mais jovem, semelhante à nossa região local no passado. Voltando às galáxias mais antigas que podemos observar, encontramos o brilho restante do próprio Big Bang, que aparece em todas as direções e deve ser visível de qualquer lugar do universo. Créditos da imagem: Chris Blake e Sam Moorfield

Não há necessariamente um centro para o universo; é apenas a nossa intuição tendenciosa que nos diz que deveria haver uma. Podemos definir um limite mais baixo para o tamanho da região onde o Big Bang deve ter ocorrido — não pode ser menor que o tamanho de uma bola de futebol, mais ou menos — mas não há limite superior; a região do espaço onde ocorreu o Big Bang poderia até ser infinita.

Se realmente existe um centro, ele poderia literalmente estar em qualquer lugar e não teríamos como saber. A porção do universo que é observável para nós é insuficientemente grande para revelar essas informações, mesmo que possam ser verdadeiras. Precisaríamos ver uma extremidade do universo (não vemos) ou observar uma anisotropia fundamental onde direções diferentes parecem diferentes (mas vemos as mesmas temperaturas e número de galáxias), e precisaríamos ver um universo que parece ser diferente de região para região nas maiores escalas cósmicas (mas parece ser homogêneo).

As simulações (vermelho) e as pesquisas com galáxias (azul/roxo) exibem os mesmos padrões de agrupamento em larga escala. O universo, particularmente em escalas menores, não é perfeitamente homogêneo, mas em escalas grandes a homogeneidade e a isotropia são uma boa suposição com precisão superior a 99,99%. Créditos da imagem: Gerard Lemson e o Virgo Consortium

Parece tão razoável fazer a pergunta “de onde o universo começou a se expandir?”. Entretanto, quando você compreender tudo [explicado] acima, reconhecerá que é a pergunta errada. “Em todos os lugares, de uma só vez”, é a resposta para essa pergunta, e isso ocorre principalmente porque o Big Bang não está se referindo a um local especial no espaço, mas a um momento especial no tempo.

É isso que o Big Bang é: uma condição que afeta todo o universo observável — e possivelmente uma região muito, muito maior que essa — tudo de uma vez em um momento específico. É a razão pela qual olhar para objetos mais distantes no espaço significa que estamos vendo esse objeto como estava em um momento no passado distante. É por isso que todas as direções parecem ter propriedades aproximadas que são uniformes, independentemente de onde olhamos. E é por isso que podemos rastrear nossa história cósmica, através da evolução dos objetos que vemos, desde que nossos observatórios nos permitem ir.

As galáxias comparáveis ​​à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens que são semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isso deve ser levado ao extremo e permanece válido desde o início. Créditos da imagem: NASA e ESA

Apesar de tudo o que temos acesso — apesar de tudo o que nossas teorias e observações nos dizem — ainda há uma quantidade tremenda [de incógnitas] que permanece desconhecida para nós. Não sabemos qual é o tamanho real de todo o universo; só temos um limite mais baixo de que agora deve ter pelo menos 46,1 bilhões de anos-luz de raio em todas as direções da nossa perspectiva.

Não sabemos qual é a forma do tecido do espaço e se é positivamente curvado como uma esfera, negativamente curvado como uma sela ou perfeitamente plano, como uma folha ou um cilindro. Não sabemos se ela se curva de volta a si mesma ou se continua para sempre. Tudo o que sabemos é baseado em tudo o que podemos observar. A partir dessas informações, podemos concluir que é consistente com o tamanho infinito, é consistente com o nivelamento perfeito, mas as informações ao contrário podem estar no próximo dígito significativo de dados ou um pouco além do nosso horizonte cósmico observável. É vital que continuemos procurando.

Em uma escala logarítmica, o universo próximo possui o sistema solar e nossa galáxia Via Láctea. Mas muito além estão todas as outras galáxias do Universo, a rede cósmica de larga escala e, eventualmente, os momentos imediatamente após o próprio Big Bang. Embora não possamos observar mais longe do que esse horizonte cósmico, que atualmente está a uma distância de 46,1 bilhões de anos-luz de distância, haverá mais Universo para se revelar para nós no futuro. O Universo observável contém hoje 2 trilhões de galáxias, mas com o passar do tempo, mais Universo se tornará observável para nós, talvez revelando algumas verdades cósmicas que hoje são obscuras para nós. Créditos da imagem: usuário Pablo Carlos Budassi da Wikipedia

A razão pela qual não podemos conhecer a verdadeira natureza do universo — todo o universo não observável — é porque a porção à qual temos acesso é finita. Há uma quantidade finita de informações que podemos captar sobre o nosso cosmos, mesmo que desenvolvamos instrumentos e detectores arbitrariamente poderosos. É eminentemente plausível que, mesmo se esperarmos uma quantidade infinita de tempo, nunca saberemos se o universo é finito ou infinito ou qual é a sua forma geométrica.

Se você vê o tecido do espaço como um pedaço de pão de passas fermentado ou um balão em expansão com moedas coladas à superfície, lembre-se de que a parte do universo a que podemos acessar provavelmente é apenas um pequeno componente do que [qualquer coisa que] realmente existe. O que é observável para nós define apenas um limite inferior para a totalidade do que está lá fora. O universo pode ser finito ou infinito, mas o que temos certeza é que ele está se expandindo, ficando menos denso e que objetos mais distantes aparecem como eram há muito tempo. Como a astrofísica Katie Mack observa:

O Universo está expandindo a maneira como sua mente está se expandindo. Não está se expandindo para nada; você apenas está ficando menos denso.

Notas do Tradutor

1. Recomendo essa outra tradução, também do Ethan, que realizei em 2017 para um falecido projeto de divulgação científica, como leitura complementar que pode ajudar a visualizar os conceitos explicados aqui.

O objetivo das traduções é tornar acessível conteúdos e discussões que possam fomentar ainda mais nosso cenário científico, principalmente para quem está iniciando os estudos. Qualquer crítica ou sugestão é só entrar em contato. Espero que tenha gostado!

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