Cosmologia e a expansão do Universo

 A palavra universo vem do grego antigo cosmos. E se na Grécia antiga, o estudo do cosmos tinha base nas narrativas mitológicas, hoje em dia o estudo do universo, ou cosmologia, se dá através de cálculos e fórmulas, com instrumentos tecnológicos como computadores e telescópios.

 Mas atenção! Comoslogia não é sinônimo de astronomia. A cosmologia é apenas uma das áreas da astronomia. Veja abaixo outras áreas dessa ciência tão chuchuzinho:

- Astrobiologia (estuda a vida no universo, como a formação de moléculas orgânicas no espaço)

- Mecânica celeste (estudo da dinâmica de sistemas planetários)

- Astrofísica (estudo do universo por meio da física)

montagem feita usando a foto do Adam Evans - M31, the Andromeda Galaxy

 No estudo da cosmologia, existem alguns passos iniciais, de medidas, princípios e leis. Reuni aqui alguns tópicos que foram abordados na primeira aula do minicurso de cosmologia da UFPR, com o professor Rubens Eduardo Garcia Machado, que atualmente pesquisa astrofísica extragaláctica.

Escalas de tamanho

Para bom desenvolvimento do estudo, temos que ter noção de algumas medidas usadas, sendo elas:

- Unidade Astronômica (UA): a distância média entre o nosso planeta e o Sol.

- Parsec (pc): obtido pelo uso de paralaxe, é usado na distância entre estrelas

- Kiloparsec (kpc): usado para diâmetro de galáxias

- Megaparsec (mpc): usado para distância entre galáxias

- Gigaparsec (gpc): volumes comparáveis ao tamanho do universo observável

Princípio cosmológico

O princípio cosmológico diz que nosso universo é homogêneo e isotrópico, sendo:

Homogêneo: é o mesmo em toda parte (densidade uniforme)

Isotrópico: é o mesmo em todas as direções (não existe direção preferencial)

Princípio Copernicano

 Tal como o astrônomo e matemático Nicolau Copérnico já dizia em sua teoria heliocêntrica que Terra não é o centro do sistema solar, o princípio Copernicano nos diz que nada no universo é o centro de nada, uma vez que a ideia de termos um universo inifinito e que o mesmo tenha um centro, são ideias incompátiveis.

"Por que o céu noturno é escuro?"
O Paradoxo de Olbers

Paradoxo de Olbers

 O paradoxo de Olbers argumenta que a escuridão do céu está em contradição com a hipótese de um universo infinito e estático, uma vez que segundo o paradoxo, o céu seria populado por uma quantidade infinita de estrelas, em qualquer linha de visão partindo da Terra.
 Contudo, é justamente por causa do tempo que a luz dessas estrelas ainda não chegaram aqui onde estamos, e por isso não as vemos. E isso também implica que, se a noite é escura, então o Universo teve um início.

Redshift, lei de Hubble e expansão cosmológica

Todas as galáxias apresentam um desvio espectral para o vermelho, chamado de redshift. Espectro, nada mais é do que decompor a luz em cores. E isso pode ser quantificado, numa relação da intensidade da luz em função da cor, sendo quanto mais para o vermelho mais longe o objeto está e quanto mais azul mais perto, como demonstrado abaixo:

 Hubble foi quem percebeu que a maioria das galáxias estão se afastando de nós, com velocidades proporcionais à sua distância. Na época, ele interpretou que esse desvio espectral para o vermelho ocorria devido ao efeito Doppler.

 O efeito Doppler é um efeito que acontece em todas as ondas. Imagine um carro passando ao seu lado com uma sirene. Se ele estiver se aproximando, o comprimento de onda diminui e se estiver longe o comprimento se afasta. Por isso que quando o carro se aproxima faz um som agudo e quando longe faz um som mais grave quando afasta. (lembre-se do ziiiiiii-ówwnnnn dos carros de corrida)

 Hoje em dia, sabemos que o desvio espectral para o vermelho não ocorre pelas razões que Hubble supunha, e sim por causa da expansão cosmológica.

 Para explicar a expansão, imagine um delicioso e gigantesco cookie de chocolate sendo feito. A massa tem várias gotas de chocolate. E tudo parece bem próximo. Mas, ao colocar para assar, as gotinhas vêem suas vizinhas gotas de chocolate ficarem cada vez mais distante.

 A massa é o espaço, e as gotas, bem, são as coisas no espaço, como as galáxias por exemplo. Note que, por mais que a massa estique, as gotas não se partem ao meio, porque elas estão presas em suas próprias leis.

 Em suma, não são as coisas que se afastam por si só, mas sim a massa que está expandindo. E em um universo em expansão como o nosso, a lei de Hubble, que mostra a velocidade de afastamento entre as galáxias, é necessária para preservar a homogeneidade do universo.

Universo observável

 Imagine uma esfera em torno de nós que contém tudo que conseguimos enxergar, todas as coisas que a luz delas chega até nós. E para a felicidade de nossos egos, finalmente podemos ser o centro de algo: o centro do próprio universo observável.
 O universo observável tem um tamanho específico de aproximadamente 47 bilhões de anos-luz. E o universo tem por volta de 14 bilhões de anos-luz. E isso é possível porque a luz têm o seu tempo e a sua velocidade para zanzar por aí. Mas enquanto ela percorre, o espaço está aumentando. Como se ela estivesse subindo uma escada rolante na direção contrária.

Recomendado

UFPR OSA Student Chapter: Instagram do projeto de extensão da UFPR, de divulgação científica

Astronomia Blog Br: Princípio Cosmológico

Referências

Brasil Escola: Cosmologia - significado e relação com a filosofia

Brasil Escola: Unidades astronômicas

USP: Pesquisa em Astronomia

Wikipedia: Paradoxo de Olbers

Mundo Educação: Lei de Hubble