Os cosmólogos são viajantes intelectuais do tempo. Olhando para trás ao longo de bilhões de anos, esses cientistas são capazes de rastrear a evolução do nosso Universo em detalhes surpreendentes. Ao longo das eras que se seguiram, nosso cosmos cresceu a um tamanho tão grande que não conseguimos mais ver o outro lado dele.
Mas como pode ser isso? Se a velocidade da luz marca um limite de velocidade cósmica, como pode haver regiões do espaço-tempo cujos fótons estão sempre fora do nosso alcance? E mesmo que existam, como sabemos que eles existem?
O universo em expansão
Como tudo na física, nosso Universo se esforça para existir no estado de energia mais baixo possível. Mas cerca de 10-36 segundos após o Big Bang, os cosmologistas inflacionários acreditam que o cosmos se encontrou repousando em uma "falsa energia de vácuo" - um ponto baixo que não era realmente um ponto baixo. Buscando o verdadeiro nadir da energia do vácuo, em uma fração de minuto, acredita-se que o Universo tenha aumentado por um fator de 1050.
Desde então, nosso Universo continuou a se expandir, mas em um ritmo muito mais lento. Vemos evidências dessa expansão na luz de objetos distantes. À medida que os fótons emitidos por uma estrela ou galáxia se propagam pelo Universo, o alongamento do espaço faz com que percam energia. Quando os fótons chegam até nós, seus comprimentos de onda mudam para vermelho de acordo com a distância percorrida.
É por isso que os cosmólogos falam do desvio para o vermelho como uma função da distância no espaço e no tempo. A luz desses objetos distantes está viajando há tanto tempo que, quando finalmente a vemos, estamos vendo os objetos como se fossem bilhões de anos atrás.
O volume do Hubble
A luz com desvio para o vermelho nos permite ver objetos como galáxias, como existiam no passado distante; mas não podemos ver todos eventos que ocorreram em nosso universo durante sua história. Como nosso cosmos está se expandindo, a luz de alguns objetos está simplesmente muito longe para que possamos ver.
A física dessa fronteira depende, em parte, de um pedaço do espaço-tempo circundante chamado volume Hubble. Aqui na Terra, definimos o volume do Hubble medindo algo chamado parâmetro Hubble (H0), um valor que relaciona a velocidade aparente de recessão de objetos distantes ao desvio para o vermelho. Foi calculado pela primeira vez em 1929, quando Edwin Hubble descobriu que galáxias distantes pareciam estar se afastando de nós a uma taxa proporcional ao desvio para a luz vermelha.
Dividindo a velocidade da luz por H0, obtemos o volume do Hubble. Essa bolha esférica encerra uma região na qual todos os objetos se afastam de um observador central a velocidades inferiores à velocidade da luz. Da mesma forma, todos os objetos fora do volume do Hubble se afastam do centroMais rápido que a velocidade da luz.
Sim, "mais rápido que a velocidade da luz". Como isso é possível?
A Magia da Relatividade
A resposta tem a ver com a diferença entre relatividade especial e relatividade geral. A relatividade especial requer o que é chamado de “referencial inercial” - mais simplesmente, um pano de fundo. De acordo com essa teoria, a velocidade da luz é a mesma quando comparada em todos os referenciais inerciais. Esteja um observador parado no banco de um parque do planeta Terra ou passando por Netuno em uma nave futurista de alta velocidade, a velocidade da luz é sempre a mesma. Um fóton sempre viaja para longe do observador a 300.000.000 metros por segundo, e ele nunca vai alcançá-lo.
A relatividade geral, no entanto, descreve o tecido do próprio espaço-tempo. Nesta teoria, não há referencial inercial. O espaço-tempo não está se expandindo com relação a algo fora de si, portanto a velocidade da luz como limite de sua velocidade não se aplica. Sim, galáxias fora da nossa esfera Hubble estão se afastando mais rápido do que a velocidade da luz. Mas as próprias galáxias não estão quebrando nenhum limite de velocidade cósmica. Para um observador dentro de uma dessas galáxias, nada viola a relatividade especial. É o espaço entre nós e as galáxias que está rapidamente proliferando e se expandindo exponencialmente.
O Universo Observável
Agora, para a próxima bomba: O volume do Hubble não é a mesma coisa que o Universo observável.
Para entender isso, considere que, à medida que o Universo envelhece, a luz distante tem mais tempo para alcançar nossos detectores aqui na Terra. Podemos ver objetos que se aceleraram além do volume atual do Hubble porque a luz que vemos hoje foi emitida quando estavam dentro dele.
A rigor, nosso Universo observável coincide com algo chamado horizonte de partículas. O horizonte de partículas marca a distância até a luz mais distante que podemos ver neste momento - fótons que tiveram tempo suficiente para permanecer dentro ou alcançar nossa esfera de Hubble em expansão suave.
E qual é essa distância? Um pouco mais de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções - dando ao nosso universo observável um diâmetro de aproximadamente 93 bilhões de anos-luz, ou mais de 500 bilhões de trilhões de quilômetros.
(Uma observação rápida: o horizonte de partículas não é a mesma coisa que o horizonte de eventos cosmológicos. O horizonte de partículas abrange todos os eventos do passado que podemos ver atualmente. O horizonte de eventos cosmológicos, por outro lado, define uma distância dentro da qual um futuro observador poderá ver a luz então antiga que nosso cantinho do espaço-tempo está emitindo hoje.
Em outras palavras, o horizonte de partículas lida com a distância a objetos passados cuja luz antiga que podemos ver hoje; o horizonte de eventos cosmológicos lida com a distância que nossa luz atual, capaz de percorrer à medida que regiões distantes do Universo se aceleram.)
Energia escura
Graças à expansão do Universo, há regiões do cosmos que nunca veremos, mesmo que pudéssemos esperar uma quantidade infinita de tempo para que a luz deles chegasse até nós. Mas e aquelas áreas que estão além do alcance do atual volume do Hubble? Se essa esfera também estiver em expansão, seremos capazes de ver esses objetos de fronteira?
Isso depende de qual região está se expandindo mais rapidamente - o volume do Hubble ou as partes do Universo próximas a ele. E a resposta para essa pergunta depende de duas coisas: 1) se H0 está aumentando ou diminuindo e 2) se o Universo está acelerando ou desacelerando. Essas duas taxas estão intimamente relacionadas, mas não são as mesmas.
De fato, os cosmologistas acreditam que estamos vivendo em uma época em que H0 está diminuindo; mas por causa da energia escura, a velocidade da expansão do Universo está aumentando.
Isso pode parecer contra-intuitivo, mas enquanto H0 diminui mais lentamente taxa do que aquele em que a velocidade de expansão do Universo está aumentando, o movimento geral das galáxias para longe de nós ainda ocorre em um ritmo acelerado. E neste momento, os cosmólogos acreditam que a expansão do Universo ultrapassará o crescimento mais modesto do volume do Hubble.
Assim, mesmo que nosso volume do Hubble esteja em expansão, a influência da energia escura parece fornecer um limite rígido para o Universo observável cada vez maior.
Nossas limitações terrenas
Os cosmologistas parecem ter uma boa capacidade de lidar com questões profundas, como a aparência de nosso Universo um dia e como a expansão do cosmos mudará. Mas, em última análise, os cientistas só podem teorizar as respostas para perguntas sobre o futuro com base em sua compreensão atual do Universo. As escalas de tempo cosmológicas são tão inimaginavelmente longas que é impossível dizer qualquer coisa concreta sobre como o Universo se comportará no futuro. Os modelos de hoje se encaixam notavelmente bem nos dados atuais, mas a verdade é que nenhum de nós viverá o suficiente para ver se as previsões realmente correspondem a todos os resultados.
Decepcionante? Certo. Mas valeu totalmente o esforço para ajudar nossos cérebros insignificantes a considerar uma ciência tão perturbadora - uma realidade que, como sempre, é simplesmente mais estranha que a ficção.
