Por que o diâmetro do Universo observável não é compatível com a sua idade?

Sabendo que a luz tem um limite de velocidade, como é possível o Universo poder ter 93 bilhões de anos-luz de diâmetro, se sua idade é de apenas 13,8 bilhões de anos?

Tudo o que existe hoje teve início no Big Bang.  Mais fundamentalmente, o Universo que temos hoje só pode surgir devido às propriedades do espaço-tempo e das leis da física. Embora o Universo esteja se expandindo, a quantidade total de Universo que podemos observar também está aumentando. NASA/GSFC.

Como é possível o Universo ter um tamanho maior que sua idade, visto que nada pode ultrapassar a velocidade da luz e o limite de distância que a luz pôde percorrer é justamente o próprio instante que ela foi emitida após o Big Bang? 

Tentarei responder aqui essa confusão cosmológica de uma maneira didática.

O que é o Universo observável 

O Universo observável é uma esfera de 93 bilhões de anos-luz de diâmetro ou 46,5 bilhões de anos-luz de raio (considerando a Via-Láctea como o observador central), e compreende toda a matéria/luz que pode ser observada da Terra desde quando foi emitida desde a época da recombinação, 380.000 anos após o Big Bang. 

Vale ressaltar que o Universo observável não considera a capacidade tecnológica humana de detectar objetos além de 13,8 bilhões de anos-luz que é o limite físico causado pela própria finitude da velocidade da luz. 

"Uma visão simulada de todo o universo observável", com aproximadamente 93 bilhões de anos-luz (ou 28,5 bilhões de parsecs) de diâmetro. A escala é tal que os grãos finos representam coleções de um grande número de superaglomerados. O Superaglomerado de Virgem – lar da Via Láctea – está marcado no centro, mas é pequeno demais para ser visto na imagem. Créditos: Felipe Sérvulo/Mistérios do Universo.

Para mensurarmos o tamanho atual do Universo observável, precisamos entender como a luz funciona. 

 A velocidade da luz é uma das propriedades mais importantes e fundamentais do nosso universo. É usado para medir distâncias, para comunicações interplanetárias e em vários cálculos matemáticos. 

Os corpos celestes como o Sol, por exemplo, emite um espectro de luz, uma espécie de código de barras que nos dá informações da composição química do corpo celeste. Mas, quando objetos estão se movendo junto com a emissão da onda de luz, ocorre o chamado Efeito Doppler, descoberto pelo físico Christian Doppler. 

Em termos simples, quando uma galáxia está se movendo na nossa direção, a onda de luz será comprimida, desviando as raias para a parte azul do espectro de luz. Já quando a galáxia está se movendo para longe de nós, a onda será esticada, desviando as raias para a parte vermelha do espectro. Esse "desvio para o vermelho" ou redshift é observado em todas as galáxias muito distantes no Universo. 

À medida que o universo se expande, ele estica os comprimentos de onda da luz junto com ele, um processo chamado redshift. Quanto mais distante um objeto estiver, mais a luz dele se estendeu no momento em que chega até nós. Creditos: NASA/JPL-Caltech//R. Hurt (Caltech-IPAC)

Foi desta forma que Edwin Hubble descobriu que nosso universo está se expandindo, e não era estacionário, como pensavam, por exemplo, Isaac Newton e Albert Einstein. 

Descobriu-se, depois, que quanto mais distante a galáxia estiver, mais rápida ela ser moverá. Elas estão se movendo tão rápido que ultrapassam facilmente  a velocidade da luz.

 

Mas, como isso é possível, já que nada pode ultrapassar a velocidade da luz? E por que então o Universo tem 93 bilhões de anos-luz e não 13,8 bilhões de anos-luz, em outras palavras, por que o tamanho do Universo não é compatível com a sua idade?

Tamanho do Universo Observável

A resposta está em um evento que ocorreu logo após o Big Bang, chamado Inflação Cósmica, quando o Universo provavelmente sofreu uma expansão abrupta e o próprio espaço-tempo se dilatou. Esse período ocorreu um milionésimo de quintilionésimo de quintilionésimo de segundo após o Big Bang).

Infográfico mostrando alguns eventos que marcaram a história do Universo. No período chamado Inflação Cósmica, o Universo se expandiu mais rápido que a velocidade da luz. Esta expansão é a explicação para o problema da incompatibilidade entre o tamanho e a idade do Universo. 

Esta expansão inflou o Universo como um balão, e é por esse motivo que as distâncias não são compatíveis, pois devemos considerar um Universo que não é estático, mas sim um Universo que está em expansão acelerada. Ou seja, uma galáxia que emitiu luz para a Terra há 13 bilhões de anos, não está hoje na mesma posição que ela estava quando emitiu sua luz, e sim em uma distância muito maior, pois o espaço entre nós e a galáxia se expandiu, e provavelmente essa galáxia está em um raio de 46 bilhões de anos-luz. Ou seja, não são as galáxias que estão se movendo, mas sim o espaço entre elas que aumentou de tamanho.

O Universo observável pode ter 46 bilhões de anos-luz em todas as direções do nosso ponto de vista (como mostrado no círculo em amarelo). Há também um Universo inobservável além desse. Crédito da imagem: usuários da Wikimedia Commons Frédéric MICHEL e Azcolvin429, anotação de E. Siegel.

Essa distância "corrigida" é chamada, na Cosmologia, de "distância comóvel", ou seja, é uma distância que leva em conta a expansão do Universo que ocorreu enquanto a luz viajou na nossa direção.

Se uma civilização emitir hoje um sinal de rádio nessa mesma galáxia citada no exemplo, ele não vai mais demorar 13 bilhões de anos, mas sim 46 bilhões de anos para nos alcançar.

Quanto ao limite da velocidade da luz, de fato, nada pode ultrapassar a velocidade da luz, mas a regra vale para a matéria conhecida, mas não impões limites ao próprio tecido do espaço-tempo. O espaço pode esticar mais rápido que a luz sem conflitar com os limites da física.

Com um Universo em expansão, a luz que é emita de galáxias distantes vai cruzar uma distância muito maior até chegar a nós, pois o próprio espaço entre as galáxias está "esticando" desde a época que a luz foi emitida. 

Como é calculado o valor do raio do Universo observável?

Nas aulas de Física, na escola, aprendemos que, se quisermos calcular a distância percorrida, basta multiplicarmos a velocidade pelo tempo. Para o caso do Universo, não é tão simples. Ao invés disso, temos que considerar também a taxa de expansão de Hubble, ou seja, a velocidade com que o espaço-tempo está se expandindo, bem como o seu fator de escala, que considera também a expansão acelerada causada pela presença da energia escura. 

Na cosmologia, fator de escala a(t) determina a distância comóvel entre dois observadores que estão se movendo com o tempo e que corrigem as distâncias que são observadas hoje, considerando o Universo em expansão. 

Atualmente, considerando a expansão, os parâmetros cosmológicos como a energia escura, entre outras variáveis, o volume do Universo tem um fato de escala 3 vezes maior do que um universo estático, isso faz com que o raio do universo observável ou o horizonte cosmológico seja de 14.000 megaparsecs ou 46 bilhões de anos-luz.

Esse cálculo pode ser encontrado neste artigo.

Quanto do Universo observável conseguiremos ver um dia?

Você pode pensar que, se esperássemos por um período longo, conseguiríamos ver uma distância arbitrariamente distante e que não haveria limite para quanto do Universo se tornaria visível. Ou seja, daqui a algum tempo, veríamos a luz de todas as galáxias que um dia foram formadas. 

Mas aí entra outra descoberta recente: a energia escura. 

Em 1998, através da observação do redshift de supernovas do tipo Ia, cosmólogos descobriram que a expansão do Universo estava se expandindo cada vez mais rapidamente devido à presença de uma substância misteriosa que preenche cerca de 70% do cosmos. Essa substância recebeu o nome de "energia escura", e é atualmente um dos maiores mistérios do Universo. Dados mostram que essa expansão acelerada iniciou 5 bilhões de anos atrás quando a energia escura começou a dominar o Universo. 

Com base na atual taxa de expansão do Universo, na quantidade de energia escura e nos parâmetros cosmológicos atuais, podemos calcular o chamado limite futuro de visibilidade: a distância máxima que nunca vamos ser capazes de observar.  Neste momento, em um Universo de 13,8 bilhões de anos, nosso limite de visibilidade atual é de 46 bilhões de anos-luz.  Nosso limite futuro visibilidade é aproximadamente 33% maior: 61 bilhões de anos-luz.

Isto significa que há galáxias no Universo cuja luz nunca poderá nos alcançar. Atualmente, é calculado que existem 2 trilhões de galáxias no Universo observável, e 2,7 trilhões de galáxias que sua luz ainda não nos alcançou e talvez nunca nos alcance. 

Esta parte do Universo é chamada de Universo inobservável. A fronteira entre o universo observável e o inobservável é chamada de Horizonte de Partículas ou Horizonte cosmológico, semelhante ao nosso conceito de horizonte aqui na Terra: há um limite onde não podemos observar mais objetos além do horizonte, mesmo sabendo que há mais coisas além desse. Estima-se que o tamanho seja de 23 trilhões de anos-luz de diâmetro e um volume 15 milhões de vezes maior que o volume que podemos observar. 

Segundo o astrofísico Ethan Siegel, apenas as galáxias dentro de aproximadamente 14,5 bilhões de anos-luz, ou um quarto do raio no futuro limite de visibilidade, podem ser alcançadas hoje, o que equivale a apenas cerca de 66 bilhões de galáxias. Esse limite é chamado de "Esfera de Hubble". 

As porções observáveis (amarela, contendo 2 trilhões de galáxias) e alcançável (em lilás, contendo 66 bilhões de galáxias) do Universo. Além do círculo amarelo está um ainda maior (imaginário) contendo 4,7 trilhões de galáxias, a porção máxima do Universo que será acessível a nós em um futuro distante. E. SIEGEL, BASEADO NO TRABALHO DOS USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL.

"Isso é apenas 1,4% do número total de galáxias que se tornarão visíveis para nós. Em outras palavras, no futuro, teremos um total de 4,7 trilhões de galáxias para ver", disse Siegel. "A maioria delas só aparecerá para nós como eram no passado muito distante. De todas essas galáxias que veremos um dia, 4,634 trilhões delas já são inalcançáveis ​​para sempre, mesmo na velocidade da luz.

A incompatibilidade entre a idade do Universo o seu tamanho faz parte hoje de uma das grandes indagações de entusiastas da cosmologia e é totalmente compreensível pois, estimar a grandeza de algo tão grandioso e dinâmico como o Universo, é uma tarefa contraintuitiva. 

Com o passar das eras, à medida que compreenderemos mais o Cosmos, mais indagações e mistérios irão surgir.