Talvez a maior descoberta sobre o Universo que fizemos no final do século passado, quando descobrimos uma das mais estranhas verdades cósmicas: galáxias distantes não apenas voam para longe de nós conforme o tempo avança, mas também voam cada vez mais rápido. A descoberta da expansão acelerada do Universo como parte do Supernova Cosmology Project com a ajuda da High-z Supernova Search Team rendeu aos cientistas o Prêmio Nobel de Física. Embora este seja um dos fenômenos mais estranhos e incomuns do universo.
O fato é que o Universo nem sempre acelerou, voando para longe de nós. Por bilhões de anos, a expansão desacelerou e, para alguém que viveu há dez bilhões de anos, pode parecer que está se contraindo. O que aconteceu?
Na década de 1920, foram apresentadas quatro evidências - três observáveis e uma teórica - de que o universo estava se expandindo. Aqui estão eles:
1. Descobriu que as nebulosas espirais no céu noturno eram galáxias reais, ou "universos-ilhas", contendo bilhões de estrelas e localizadas muito além da Via Láctea.
2. A medição dos deslocamentos de vermelhos e azuis dessas galáxias por Vesto Slifer mostrou quão rapidamente essas galáxias se afastam de nós (redshift) ou se aproximam de nós (blueshift), e a grande maioria seguiu o primeiro cenário.
3. As medições de distância de cada uma dessas galáxias foram realizadas por Edwin Hubble e seu assistente Milton Humason. Combinado com as observações de Slipher, eles revelaram uma relação clara: quanto mais longe a galáxia estava, mais rápido parecia se afastar de nós.
4. Finalmente, um poderoso salto teórico dado pela teoria geral da relatividade de Einstein: a compreensão de que o Universo, que está cheio de galáxias com aproximadamente a mesma densidade em todas as direções, deve ser instável a menos que se expanda ou contraia.
Isso levou a uma imagem do universo de 1929: ele era mais quente, mais denso e se expandia mais rapidamente no passado e depois se tornou mais frio, menos denso e se expandiu mais lentamente com o tempo.
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Isso é bastante lógico do ponto de vista do Big Bang. Imagine o Big Bang como a pistola de partida da grande corrida espacial, uma corrida entre a expansão inicial de um lado, que era muito rápida no início, e a gravidade do outro lado, que puxa tudo junto. É fácil imaginar três opções diferentes, cada uma das quais resulta em um ritmo diferente do universo:
1. Grande compressão. Talvez a taxa de expansão inicial fosse bastante alta, mas a força da gravidade era mais forte. A expansão deve desacelerar e parar. O universo deve atingir seu tamanho máximo e começar a encolher. E, finalmente, deve entrar em colapso novamente, retornando ao estado anterior ao Big Bang.
2. Excelente congelamento. Este é o cenário oposto ao anterior: em que a expansão começa rapidamente e a gravidade a retarda, mas não o suficiente. A expansão dura para sempre, a gravidade a retarda o tempo todo, mas não pode pará-la. Este cenário é conhecido como a morte por calor do universo: o grande congelamento.
3. Universo crítico. Também existe a possibilidade de você se encontrar no meio, quando a taxa de expansão e a gravidade se igualarem, e a taxa de expansão diminuirá com o tempo. Uma partícula a menos, mais uma partícula no Universo - e você obtém o primeiro ou o segundo cenário. Mas essa partícula não existe. O cenário do "universo crítico" levaria à morte por calor mais lenta possível.
Por bilhões de anos, parecia que a opção crítica venceria. Veja, quando você vive no universo e olha para diferentes galáxias, você não pode apenas medir a taxa atual de expansão, mas ao olhar para as galáxias mais distantes, você também pode medir a taxa de expansão no início da história do universo.
Esta imagem mostra galáxias já inatingíveis para nós.
Por bilhões de anos - cerca de sete bilhões para ser exato - parecia que estávamos vivendo em um universo crítico. A expansão começou na era da radiação (fótons e neutrinos), e então tudo esfriou o suficiente para que a era da matéria (comum e escura) começasse. À medida que o universo continuava a se expandir, a densidade da matéria caía cada vez mais conforme o volume da matéria aumentava e a massa permanecia a mesma.
Mas, em algum ponto, a densidade da matéria caiu para um valor tão baixo que outro contribuinte mais sutil para a densidade de energia do Universo emergiu: a energia escura. Em cerca de sete bilhões de anos, a magnitude da matéria escura atingiu alguns por cento da densidade total de energia e, quando o universo tinha 7,8 bilhões de anos, a densidade da energia escura atingiu um valor importante: 33% da densidade total de energia no universo. Isso é importante porque essa quantidade de energia escura é necessária para que a taxa de expansão comece a aumentar.
Desde então, cerca de 6 bilhões de anos atrás, a densidade da matéria começou a diminuir, enquanto a energia escura permaneceu constante. Atualmente, a matéria escura representa cerca de 68% da energia total do universo, e a matéria caiu para 32% no total (27% de matéria escura e 5% de matéria comum). Com o tempo, no futuro, a densidade da matéria continuará a cair, enquanto a densidade da energia escura permanecerá constante, a energia escura será cada vez mais prevalente.
Densidade de energia no Universo em diferentes momentos de seu passado
Para galáxias individuais, isso significará que uma galáxia que começou a se afastar de nós no momento do Big Bang mais rápido do que as outras demonstrará uma diminuição óbvia na velocidade (do nosso ponto de vista) nos primeiros 7,8 bilhões de anos. Então, a taxa de desaceleração irá parar de cair e permanecerá inalterada por algum tempo. Então ele começará a crescer, e a galáxia começará a se afastar de nós ainda mais rápido do que antes, já que o espaço entre nós e as galáxias distantes se expande a uma velocidade tremenda. Em algum momento - e isso é assustador porque se aplica a 97% das galáxias em nosso universo visível - todas as galáxias fora do nosso grupo local se moverão a uma velocidade superior à velocidade da luz, ficando fora de nosso alcance devido a limitações físicas.
Delineado em amarelo está o tamanho atual do universo visível: 46 bilhões de anos-luz; O tamanho que podemos alcançar é rosa: 14,5 bilhões de anos-luz
Pelo que podemos dizer, o universo sempre teve a quantidade de energia escura que agora possui inerente ao próprio cosmos. Mas levou 7,8 bilhões de anos, ou toda a história do universo um bilhão e meio de anos antes que nosso sistema solar fosse formado, para que a densidade da matéria caísse a tal nível que a energia escura assumisse a expansão do universo. Desde então, todas as galáxias fora de nosso grupo local têm se afastado de nós e continuarão a retroceder até que a última desapareça. O universo vem se expandindo nos últimos seis bilhões de anos e, se tivéssemos aparecido antes, poderíamos não ter ido além dessas três opções oferecidas por nossa intuição. Na melhor das hipóteses, só podemos adivinhar o que exatamente é o universo. E essa seria nossa maior recompensa.
