Como os cientistas determinaram o tamanho do universo?

Quando algumas pessoas olham para o céu noturno, pode ser uma experiência incrivelmente pacífica – que inspira um senso de clareza (ou insignificância). No entanto, para aqueles infinitamente curiosos pessoas neste planeta, olhando para as estrelas parece trazer de volta um interminável fluxo de perguntas e mistérios. O que acontece no outro lado de um horizonte de eventos? O que é matéria escura e que diabos ele faz? Qual o tamanho do universo?

Essa última questão (pelo menos, entre essas três) é algo que podemos responder, embora a explicação não seja a coisa mais fácil do mundo para entender. Sem entrar em tópicos tangenciais ou periféricos demais na astrofísica, vamos tentar, tão simplesmente quanto possível,respondera essa pergunta:como os cientistas sabem o tamanho do universo?

Resposta Curta:Com base em várias ferramentas de medição em diferentes faixas de distância (trigonometria, paralaxe, velas padrão, brilho de supernovas, deslocamento vermelho galáctico e fundo de microondas cósmico), é possível criar uma escada de distância cósmica e determinar com precisão não só a distância De galáxias distantes, mas também o tamanho atual do universo.

Antes de podermos entrar nas distâncias mais maciças do universo – bilhões de anos-luz – é importante começar no fundo da escada de distância cósmica.

Up Close and Personal –Quando estamos tentando medir as coisas que são relativamente próximas, como as coisas dentro do nosso sistema solar e até mesmo em nossa pequena “vizinhança” da Via Láctea (dentro de 100 anos-luz), é possível utilizar básica Trigonometria, assim como você aprendeu (e prontamente esqueceu) na classe de matemática do ensino médio. Basicamente, se você medir a posição de uma estrela em um ponto no céu durante o ano e, em seguida, medir sua posição seis meses depois, você terá uma posição relativa do objeto próximo em relação às estrelas muito mais distantes no céu.

Se você sabe o tamanho da órbita da Terra, então com base no ângulo de luz nessas duas medições, será possível calcular a distância (Graças, Teorema de Pitágoras!). No entanto, quanto mais longe estiver uma estrela, menor será a mudança que terá, tornando a medição deste ângulo impossível, o que significa que o próximo degrau na escada é necessário …

Velas padrão –Uma vez que você ultrapassar a faixa de trigonometria como uma ferramenta útil, os astrônomos contam com estrelas chamadas Cefeidas, que são bastante comuns e muito brilhantes. Descobertas pela primeira vez em 1794, estas estrelas particulares têm a tendência de pulsar, tornando-se mais escura e mais brilhante em um padrão regular. Curiosamente, quanto mais tempo um Cefeida toma para pulso, mais brilhante a estrela realmente é, enquanto quanto mais curto o período de pulsação, mais fraco o Cefeida é.

Medindo Cefeidas próximas com o método do paralaxe (explicado acima), e comparando então o comprimento de seu período da pulsação às Cefeidas que são mais distantes, o brilho verdadeiro daquelas estrelas pode ser determinado, e assim sua distância pode ser calculada. As cefeidas em toda a nossa galáxia e além (até 80 milhões de anos-luz de distância) são conhecidas como velas padrão e podem ser usadas como indicadores de distância padrão, formando um outro degrau crítico da escada de distância cósmica.

Supernovas –Embora 80.000.000 de anos-luz parece uma distância incrivelmente grande, o universo é 1.000 vezes maior do que isso, o que significa que ainda outro degrau na escada é necessária. As supernovas são extremamente úteis aqui, principalmente aquelas que vêm de sistemas de estrelas binárias particulares. Nesses sistemas de duas estrelas, uma estrela morre e se torna uma anã branca, enquanto a outra estrela sobrevive. A anã branca então começa a se alimentar da estrela viva, aumentando de tamanho até que seja exatamente 1,4 vezes a massa do nosso sol.

Nesse ponto, há uma explosão maciça, tão grande que pode ser vista através da metade do universo observável, liberando mais energia do quegaláxiasinteiras.Isso é conhecido como supernova Tipo 1A. Uma vez que sabemos a quantidade de massa que está explodindo, ela permite aos astrônomos calcular o brilho absoluto daquela explosão e, portanto, a distância cósmica aproximada para aquelas galáxias distantes.

Redshift – Adistâncias ainda maiores – em dezenas de bilhões de anos-luz – algo chamado a Constante do Hubble entra em jogo. Nomeado após Edwin Hubble, esta é a unidade de medida para a expansão do universo. Agora, é aqui que toda essa conversa fica um pouco mais confusa. Isso pode ser difícil de compreender, mas não só o universo está se expandindo em todas as direções ao mesmo tempo, em um ritmo cada vez maior, mas oespaço entre os diferentes objetos no universo também está se expandindo. Esta expansão inter-objeto (e aceleração) está relacionada à energia escura, que vai além do escopo deste artigo, mas basta dizer, tudo está se afastando de tudo o mais, e seu movimento cada vez mais rápido o tempo todo.

Esta taxa de expansão está atualmente em cerca de 72-74 quilômetros por segundo por megaparsec (3,26 milhões de anos-luz). Portanto, quanto mais longe você olhar, mais rapidamente as galáxias estão se afastando de nós. Para determinar a distância de galáxias que estão muito longe, você deve medir o redshift da galáxia para determinar a velocidade da galáxia está se afastando de nós.

Quando Hubble olhou para a luz de galáxias distantes através de um prisma, ele observou um “redshift” longe de variável conhecida para a cor. Para aqueles que não sabem, ao olhar para a luz de um objeto se afastando de você, a luz aparece mais vermelho, porque está esticando a energia do espectro eletromagnético para fora. Por outro lado, ao olhar para a luz de um objeto que se move para você, ele irá comprimir o espectro magnético, e haverá um “turno azul”. Para a grande maioria das galáxias observadas pelo Hubble, ele descobriu que eles tinham esse turno azul, o que significa que eles estavam se afastando de nós. Ao plotar diferentes turno azul e distâncias conhecidas em um gráfico, tornou-se possível determinar a distância de galáxias extremamente distantes com uma quantidade relativamente alta de precisão.

Fundo do microondas cósmico –Esta é a ferramenta de medição final, e basicamente funciona como uma linha de base para distâncias dentro do universo. O fundo de microondas cósmico (CMB) é a radiação sobrante desde os primeiros momentos após o Big Bang (o mais antigo é um termo relativo, e é aproximadamente de 400.000 anos após o Big Bang). Esta radiação é a radiação mais antiga e mais distante jamais detectada, no espaço “vazio” entre as estrelas. Esta linha de base coloca a idade do universo em aproximadamente 13,7 bilhões de anos.

Isto significa essencialmente que o mais distante atrás no tempo que podemos ver é de 13,7 bilhões de anos, porque levou 13,7 bilhões de anos para a luz (movendo-se à velocidade da luz) para chegar até nós. Portanto, o “universo observável” tem um raio de 13,7 bilhões de anos-luz e um diâmetro de aproximadamente 27,5 bilhões de anos-luz.

No entanto,o “universo conhecido” não tem um raio de 13,7 bilhões de anos-luz.Pense de novo na Constante do Hubble, e na sua medida da expansão do universo. A luz do CMB atingindo nossos olhos agora tem viajado por 13,7 bilhões de anos, mas o universo também tem se expandido nesse meio tempo, empurrando a “borda” do universo conhecido muito mais para fora, mesmo que não possamos ver tecnicamente longe. Usando a Constante de Hubble, podemos calcular onde a origem desses fótons está agora, e a resposta é assombrosa – 46 bilhões de anos-luz de distância! Isso significa que o “universo conhecido” tem 92 bilhões de anos-luz de diâmetro!

Claramente, calcular distâncias dessa magnitude pode dobrar o cérebro para além do domínio da compreensão humana. Felizmente, com a escada de distância cósmica no lugar, e abundância de astrônomos bem versados ​​neste tipo de medições, somos capazes de manter as abas sobre como o universo está se movendo – assim como o nosso lugar dentro dele!