Olhe para o céu em uma noite clara, e cada estrela, planeta e nebulosa brilhante que você pode ver pertence a uma pequena minoria. A matéria escura constitui 85% da massa total do universo, enquanto a matéria escura e a energia escura juntas constituem 95% de seu conteúdo total de massa-energia. A matéria ordinária – tudo feito de átomos, incluindo cada estrela e cada leitor desta página – é um erro de arredondamento em comparação.
O universo é tudo: toda matéria, energia e as estruturas que formam, de partículas subatômicas a filamentos galácticos. Ele tem se expandido por 13,8 bilhões de anos, começando de uma bola de fogo densa no Big Bang, e os cosmólogos passaram o último século mapeando como é realmente estranho essa expansão e seu conteúdo.
Uma Bolha Com 93 Bilhões de Anos-Luz de Largura
A parte do universo que podemos realmente observar é uma esfera centrada na Terra. A distância apropriada entre a Terra e a borda do universo observável é de 46 bilhões de anos-luz, tornando toda a bolha de cerca de 93 bilhões de anos-luz de largura. Este número surpreende pessoas que assumem que "13,8 bilhões de anos" deveria limitar o universo visível a um raio de 13,8 bilhões de anos-luz.
A resolução é que a luz e o espaço fazem duas coisas diferentes. A luz da borda do universo observável viajou por cerca de 13,8 bilhões de anos, a idade do universo, mas a distância apropriada até essa borda é maior, porque a borda e a Terra continuaram se afastando enquanto o próprio espaço se expandia durante a jornada. A luz é velha; o espaço que cruzou continuou se esticando sob ela.
Ninguém sabe quão grande é o universo total – apenas quanto dele podemos ver daqui. A cifra de 93 bilhões de anos-luz é um horizonte, não uma parede.
Mais Estrelas Do Que Grãos De Areia Em Cada Praia
Dentro desse horizonte, os números ficam quase absurdos. O universo observável contém até estimado 2 trilhões de galáxias e, no total, até estimado 10^24 estrelas – mais estrelas do que todos os grãos de areia em cada praia da Terra.
Essa comparação não é apenas uma figura de linguagem; é o tipo de número que deixa de significar algo no momento em que você tenta imaginá-lo. Dois trilhões de galáxias é cerca de 250 galáxias para cada pessoa viva atualmente, e cada uma dessas galáxias pode conter centenas de bilhões de estrelas. A Via Láctea é uma galáxia entre essa contagem, orbitando nada especial, em nenhum lugar especial.
Um Universo 95% Invisível
Aqui está a parte que mantém os físicos acordados à noite: a maioria dessa massa-energia não é feita de átomos. A densidade de massa-energia do universo é 68% energia escura, 27% matéria escura e 5% matéria ordinária – o material de estrelas, planetas e pessoas.
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Estima-se que a matéria escura sozinha constitua 26,8% da massa-energia total do universo, mas 84,5% de toda a matéria nela. Em outras palavras, quando astrônomos falam sobre "matéria" no sentido cósmico, cinco de cada seis unidades são matéria escura, não átomos. Ela não emite, absorve ou reflete luz, e sua presença é inferida inteiramente de sua gravidade – simplesmente não aparece nos 5% que podemos detectar diretamente.
Mesmo o 5% rotulado como "matéria ordinária" é enganoso se você imagina estrelas. A grande maioria da matéria ordinária no universo é invisível, pois estrelas visíveis e gás dentro de galáxias e aglomerados representam menos de 10% da contribuição da matéria ordinária para a densidade de massa-energia do universo. A maioria dos átomos que existem não brilha em nenhum lugar – é gás difuso disperso entre e ao redor de galáxias, nunca denso o suficiente para se inflamar.
Dez Bilhões Para Um: Como A Matéria Venceu
A física prediz que o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria em quantidades iguais, que se aniquilariam uma à outra em energia pura e não deixariam nada para trás – nenhuma galáxia, nenhuma estrela, nenhum leitor. Obviamente isso não aconteceu: o universo tem 10 bilhões de vezes mais matéria do que antimatéria.
Essa proporção desequilibrada é um dos quebra-cabeças abertos da cosmologia, e também é a razão pela qual algo existe. Mesmo com a vantagem da matéria de dez bilhões para um, o universo resultante ainda é notavelmente esparso. A densidade média do universo, espalhada por todo esse espaço, é de cerca de 1 próton a cada 200 litros – mais vazio do que a melhor câmara de vácuo já construída na Terra.
A Fotografia Mais Antiga Do Universo
O fundo de radiação cósmica, ou CMB, é o mais próximo que a cosmologia chega de uma foto de bebê. É a radiação de brilho residual deixada de aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang, quando a temperatura do universo caiu pela primeira vez até o ponto em que os núcleos podiam se combinar com elétrons para criar átomos neutros, permitindo que a luz viajasse livremente pela primeira vez.
Esse brilho residual tem esfriado desde então. Hoje o CMB tem um espectro de corpo negro térmico a uma temperatura de 2,72548±0,00057 K – poucos graus acima do zero absoluto, uniforme em todo o céu.
Foi descoberto quase por acaso. A descoberta do CMB em 1964 pelos astrônomos de rádio americanos Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson foi o auge do trabalho iniciado nos anos 1940; eles estavam tentando eliminar ruído de uma antena de rádio e descobriram a detritos residual do próprio Big Bang.
O CMB também é quase, mas não completamente, perfeitamente liso. É isotrópico a cerca de uma parte em 25.000, com variações de raiz quadrada média de apenas 100 μK uma vez que o dipolo causado por nosso próprio movimento é subtraído. Esse dipolo é por si só um fato digno de saber: é causado pela velocidade peculiar própria do Sol de 369,82±0,11 km/s em relação ao referencial de repouso cosmológico comotivo, enquanto o sistema solar flutua em direção à constelação Crater perto de sua fronteira com Leão. Mesmo parado na Terra, você é transportado através da luz mais antiga do universo nessa velocidade.
O Impulso Que Está Vencendo
A energia escura é o ingrediente mais estranho na mistura, precisamente porque é tão fina. A densidade da energia escura é muito baixa, cerca de 7×10−30 g/cm3, muito menor do que a densidade de matéria ordinária ou matéria escura dentro de galáxias. Uma única galáxia compacta muito mais massa em seu volume do que a energia escura o faz no mesmo espaço.
E ainda assim domina o orçamento energético geral do universo, porque ao contrário da matéria, ela não se dilui conforme o espaço se expande – preenche cada novo metro cúbico de espaço com a mesma densidade baixa, e o espaço continua criando mais metros cúbicos. A prova de que esse impulso é real, não teórico, veio em 1999: o Supernova Cosmology Project encontrou evidências de que a expansão do universo está acelerando, em vez de desacelerar sob sua própria gravidade como os astrônomos haviam assumido. Algo estava empurrando contra a gravidade nas maiores escalas, e tem vencido desde então.
A Borda Mais Distante Do Que Podemos Ver
No limite externo do universo observável está o detentor atual do recorde de distância: o objeto astronômico mais distante identificado é uma galáxia classificada como MoM-z14, com um desvio para o vermelho de 14,44. Sua luz saiu de casa quando o universo tinha uma pequena fração de sua idade atual, e tem viajado em nossa direção desde então.
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Diminua o zoom até a escala de aglomerados de galáxias e supercúmulos, e a estrutura do universo eventualmente se esgota. Em escalas entre 30 e 200 megaparsecs, não parece haver uma estrutura de grande escala continuada no universo, um fenômeno referido como o Fim da Grandeza – além desse tamanho, a teia cósmica de filamentos e vazios cede a um universo que parece estatisticamente o mesmo em todas as direções. A estrutura tem um limite; a uniformidade não.