Como os cientistas determinaram o tamanho do universo?

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, responder a 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.

Como as distâncias no espaço são medidas?

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 que galáxias inteiras 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 – A  distâncias 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 o espaço 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!

Referências:

  1. Como grande é o universo? – Física.org
  2. Springer.com
  3. A Escada de Distância Cósmica – Instituto de Física
  4. O fundo microondas cósmico – missão de Planck (universidade de Cardiff)

Deixe um comentário