O Universo: Um Cosmos 95% Invisível

O Universo: Um Cosmos 95% Invisível

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.

Logarithmic-scale illustration of the observable universe centered on the Solar System
A logarithmic map of the observable universe, from the Solar System out to the cosmic microwave background. Photo: Unmismoobjetivo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

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.

False-colour comparison of the distribution of normal matter and dark matter across the same patch of sky
Normal matter (left) and dark matter (right) mapped across the same patch of sky. Photo: NASA , ESA and R. Massey (California Institute of Technology), public domain, via Wikimedia Commons

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.

All-sky map of temperature fluctuations in the cosmic microwave background from WMAP
The nine-year WMAP all-sky map of the cosmic microwave background, the afterglow of the Big Bang. Photo: NASA / WMAP Science Team, public domain, via Wikimedia Commons

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.

Simulated cosmic web of dark matter filaments and galaxy clusters
A simulation of the universe's large-scale structure: dark matter in blue, gas in orange. Photo: Illustris Collaboration, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

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.

Fontes