Como medir distâncias entre galáxias em um universo em constante expansão?

Como medir distâncias entre galáxias em um universo em constante expansão?

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 01 de Setembro de 2021 às 17h20
NRAO/AUI/NSF/S. Dagnello

O universo está em constante expansão, e isso traz consequências observáveis. Uma delas é algo chamado redshift (desvio para o vermelho, em inglês). À medida que as galáxias se afastam de nós, o comprimento de onda da luz emitida por elas se estica, levando esse brilho ao lado vermelho do espectro eletromagnético. Os astrônomos podem medir o quanto a onda desviou para o vermelho e, assim, calcular a distância das galáxias.

Se você pesquisar a distância de alguns objetos muito distantes, talvez encontre o valor do redshift, porque ele é importante para determinar se o corpo está se afastando, e o quanto ele já se afastou. Se o objeto for muito antigo, a tendência é encontrar em sua luz um redshift bem elevado. Contudo, o redshift não pode ser analisado isoladamente — há outras medidas que precisam ser consideradas.

Caso os cientistas queiram mapear corretamente porções em grande escala do universo — grandes aglomerados de galáxias, ou estruturas ainda maiores como a Hercules-Corona Borealis Great Wall, com quase 10 bilhões de anos-luz de comprimento — será preciso considerar os movimentos em pequenas escalas. Há muita coisa acontecendo no universo, por isso é necessário entender o quadro completo para não obter uma imagem distorcida.

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Claro, um dos princípios da cosmologia é o universo ser isotrópico e homogêneo, ou seja, o mesmo em todas as direções e o mesmo em todas as localizações. Se delimitarmos regiões em grande escala do cosmos, traçando linhas que separam o espaço em vários quadrados com alguns bilhões de anos-luz cada um, veríamos que todas essas regiões seriam idênticas. Em média, a precisão seria de para cerca de 99,99%, salvo apenas pequenos desvios na temperatura, densidade e movimento geral de cada objeto.

A reconstrução 3D de 120.000 galáxias e suas propriedades de agrupamento (Imagem: Reprodução/Jeremy Tinker/SDSS-III)

Isso pode levar a supor que a expansão do universo é o único fator que pode interferir na distância real de um objeto em menor escala. Tomemos como exemplo o aglomerado de Virgem, o mais próximo da Via Láctea, localizado a 50 milhões de anos-luz de distância. Com base na velocidade da expansão do universo, seríamos tentados a supor que todas as galáxias do aglomerado se afastam de nós a aproximadamente 1000 km/s. Bem, pode ser que, em média, pode ser que o aglomerado enquanto estrutura esteja se afastando a essa velocidade, mas há uma pegadinha nessa dedução.

Quando olhamos para as galáxias que compõem o aglomerado de Virgem, encontramos velocidades relativas diferentes. Algumas estão em velocidade superior a 2.000 km/s, o dobro do desvio para o vermelho esperado, enquanto outras apresentam, na verdade, um desvio para o azul — ou seja, estão se aproximando de nós. Isso é muito estranho, mas faz sentido se lembrarmos que a isotropia do universo não funciona tão bem em escalas menores.

Um dos culpados desse paradigma é a gravitação. As coisas no universo estão em movimento desde o Big Bang, e todas elas mantêm o movimento angular, ou seja, tendem a se continuar se movendo para a mesma direção. Mas as interações gravitacionais fazem os objetos colidirem uns com os outros, resultando em fusões que criam objetos maiores, ou em sistemas complexos de corpos orbitando um mesmo centro gravitacional — como as galáxias.

Esses movimentos também são verdadeiros em escalas ainda maiores. Por exemplo, dentro dos aglomerados, as galáxias orbitam ao redor de um centro gravitacional em comum, todas influenciadas pela matéria escura. Por isso, do nosso ponto de vista, algumas galáxias estão se aproximando da Via Láctea enquanto orbitam, mesmo que seus respectivos aglomerados estejam se afastando do nosso Aglomerado Local.

Para simplificar, podemos comparar isso a um carrossel em um parque de diversões. Enquanto seu filho está em cima de um cavalo de brinquedo, o sistema de cavalos de brinquedo está girando em torno de um ponto central. Enquanto isso, você volta da barraca de cachorro quente com um lanche em cada uma das mãos, esperando o tempo de voltas no carrossel acabar.

(Imagem: Reprodução/Sloan Digital Sky Survey)

À medida que você se aproxima, o cavalo em que seu filho está montado se aproxima de você, mas em um determinado ponto ele parece virar à esquerda e depois se afastará de você. No entanto, o carrossel em si, está parado e você continua caminhando em direção a ele. É mais ou menos isso o que acontece com as distâncias individuais das galáxias no universo. Sabemos que seus aglomerados estão se afastando, mas algumas galáxias, à medida que se movimentam por lá, podem se aproximar de nós.

É por isso que se os astrônomos considerarem apenas o redshift para medir distâncias e mapear o universo, eles obtêm um efeito chamado Finger of God (dedo de Deus, em inglês, abreviado para FOG). O nome é sugestivo e explica o fenômeno: ao olhar os mapas de grande escala da distribuição de galáxias em torno da nossa posição no espaço, a figura parece formar estruturas semelhantes a dedos apontando para nós. Em todas as direções do céu que você olha, aglomerados de galáxias apontam para a Terra.

Isso pode causar sérias confusões, como criacionistas que tentam usar isso como um argumento para um universo geocêntrico absoluto. Mas o efeito FOG é apenas o resultado da dinâmica das galáxias dentro de seus aglomerados. Por isso, os astrônomos precisam ficar bem atentos ao medir distâncias. Embora o redshift seja uma medida muito precisa e, de fato, revelem a distância em grande escala, é preciso realmente medir a distância de uma galáxia individual para não obter um FOG ao desenhar um mapa.

Medir essas distâncias “reais” acaba se tornando um trabalho bem mais difícil para os pesquisadores, mas claro, é um esforço que vale à pena. A recompensa pode ser novos passos rumo à melhor compreensão de como a teia cósmica realmente se parece, além de mapas cada vez mais precisos que nos permitem conhecer de fato os grandes aglomerados galácticos universo afora.

Fonte: Starts  With a Bang

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