Por que o universo observável é maior do que a sua idade sugere?

A idade do universo é de 13,8 bilhões de anos, mas o universo observável tem 46,5 bilhões de anos-luz de raio. Como isso é possível?
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Antes, preciso dizer que tamanho (espaço) e idade (tempo) são coisas diferentes medidas em unidades diferentes. No entanto, certamente você caiu aqui nessa matéria por pensar: se o universo tem 13,8 bilhões de anos e a velocidade da luz é constante, como é possível que o universo observável tenha um raio de 46,5 bilhões de anos-luz?

O universo observável é determinado pela distância que a luz percorreu desde o Big Bang, há aproximadamente 13,8 bilhões de anos. Em tese, isto sugeriria um raio de 13,8 bilhões de anos-luz. No entanto, o universo observável tem cerca de 46,5 bilhões de anos-luz de raio. Essa discrepância surge da expansão do universo.

Mapa de 1/4 do universo observável. Cada ponto é uma galáxia, e as cores indicam sua distância. A linha mais externa indica a radiação cósmica de fundo. Fonte: MapOfTheObservableUniverse.net.

A expansão cósmica do universo

Redshift causado pela expansão do universo
Efeito de redshift de um fóton causado pela expansão do universo. Fonte: Rob Knop.

O universo está se expandindo desde o Big Bang. Esta expansão não é apenas o movimento das galáxias através do espaço, mas o estiramento do próprio espaço. Como resultado, a luz de galáxias distantes tem de percorrer distâncias cada vez maiores para chegar até nós. Mesmo que a luz viaje em nossa direção, o espaço por onde ela se move está se expandindo, aumentando efetivamente a distância que precisa percorrer — a maior evidência deste fenômeno está na existência da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Além disso, imediatamente após o Big Bang, o universo passou por um breve período de expansão muito rápida conhecido como inflação cósmica. Este período inflacionário estendeu-se muito além do horizonte visível, tornando muitas das galáxias do universo permanentemente invisíveis para nós. Os efeitos posteriores desta rápida expansão significam que o universo observável inclui regiões do espaço que estão muito mais distantes do que o simples cálculo da idade e da velocidade da luz sugeriria.

Expansão métrica

É importante notar que esta expansão não implica que algo esteja se movendo mais rápido que a velocidade da luz. A expansão do universo é uma mudança na métrica do espaço, não um movimento através do espaço.

O conceito de expansão métrica é crucial aqui. Não é apenas que os objetos estão se afastando uns dos outros, mas a métrica que define a distância no universo está mudando. A própria estrutura do espaço está se esticando, o que permite que as distâncias se tornem maiores do que o tempo de viagem da luz implicaria. A expansão métrica do universo é um conceito fundamental na cosmologia que explica como o universo evoluiu e cresceu desde o seu início no Big Bang.

Lei de Hubble: quanto maior a velocidade radial de um objeto (medido pelo redshift), maior sua distância de nós. Fonte: Takkhi, 2019.

Uma das primeiras e mais significativas observações que apoiam a expansão métrica foi feita por Edwin Hubble, que descobriu em 1929 que galáxias distantes se afastam de nós a velocidades proporcionais à sua distância. Isto está encapsulado na Lei de Hubble-Lemaître, que afirma que a velocidade radial de uma galáxia é diretamente proporcional à sua distância de nós. Essa relação é consequência direta da expansão métrica: objetos mais distantes estão se afastando mais rapidamente.

Na relatividade geral, o tensor métrico descreve a geometria do espaço-tempo. Esta geometria não é estática, ela muda com o tempo. A expansão métrica do universo refere-se a mudanças neste tensor métrico, resultando na separação crescente de partes do universo.

“Mas o Big Bang é só uma teoria”

Vale lembrar que a expansão do universo não é “só uma teoria”, é um fato comprovado pela observação do desvio para o vermelho de objetos distantes, como quasares. Milhares de observações e medidas realizadas ao longo de décadas, leis já comprovadas como a lei de Hubble (acima), assim como uma série de teoremas matemáticos da cosmologia, como a métrica de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker e o tensor de curvatura de Riemann, nos dão modelagens de como o Big Bang e a expansão do universo ocorreu — e ainda ocorre.

Lembre-se que uma teoria científica é composta por uma série de evidências e postulados que explicam determinados fenômenos físicos.

Mas, é claro, ainda há muito o que ser descoberto! O problema da matéria escura e da energia escura são apenas dois dos maiores problemas em aberto da Física que interferem diretamente nas teorias cosmológicas atuais.

Quer citar este post?

HOSTI, B. P. Por que o universo observável é maior do que a sua idade sugere?. Espaço-Tempo, 2023. Disponível em: https://www.espacotempo.com.br/por-que-o-universo-observavel-e-maior-do-que-a-sua-idade. Acesso em: 23 jul. 2024.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pelo IAG/USP e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador nas áreas de astrofísica observacional e espectroscopia.

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