Estrutura e Evolução do Universo

 

Quando observamos o Universo, verifica-se que as galáxias distantes estão se afastando umas das outras e ocorre que uma explicação para isso é que o Universo está em expansão. Isso levou a pensar que ele teve um começo! Para se saber quando foi este começo devemos vencer o desafio de medir seu tamanho, idade e forma.

Por tamanho entende-se a maior distância que podemos estudar; a idade é contada em relação ao instante zero e a forma está ligada à geometria do Universo, que é definida pela quantidade de matéria existente, visível ou não.

A Cosmologia tenta traçar um perfil da evolução do Universo de seu início denso e quente, quando o Universo era composto de uma mistura de gás e radiação em equilíbrio térmico, para o estado extremamente complexo e diversificado que vemos hoje, com galáxias, estrelas e planetas concentrados em certas partes do céu e regiões vazias em outras.

As estruturas parecem ter sido formadas a partir de pequenos desvios do equilíbrio no Universo jovem e a força da gravidade fez com que regiões mais densas (com mais matéria) se expandissem mais lentamente e se aglutinassem para formar as galáxias. Ainda assim pouco se sabe sobre esse processo de evolução.

O destino do Universo será determinado pela sua densidade média, que está, por sua vez, ligado à geometria e à taxa de expansão. Se a densidade for baixa, o Universo seguirá eternamente no processo de expansão em que se encontra atualmente. Entretanto, se a densidade for maior do que certo valor crítico (da ordem de 10-29 g.cm-3), a força da gravidade poderá ser capaz de frear e mesmo reverter esse processo de expansão, fazendo com que o Universo se contraia e, eventualmente, termine sua ―vida‖ numa grande contração (O Big Crunch). Finalmente, nesta época sabemos que existem fortes evidências de que o Universo é composto de algo desconhecido, na verdade, cerca de 97% da composição do Universo é desconhecida.

Dividimos essa parte desconhecida entre matéria e energia escuras: os termos serão explicados mais a frente. Como 97% da composição do Universo é constituída de matéria e energia escuras, para conhecer seu destino – e o nosso também – é necessário determinar o que são esses componentes e como eles influenciam na dinâmica do Universo. 

A VELOCIDADE DE RECESSÃO DAS GALÁXIAS

O que é, exatamente, a velocidade de recessão das galáxias? Em 1923, o astrônomo Edwin Hubble começou um estudo de estrelas Cefeidas em ―nebulosas espirais‖, incluindo a nossa vizinha Andrômeda (a galáxia M31), visível a olho nu, para este trabalho ele utilizou o telescópio Hooker, na época o maior do Mundo com um espelho de 2,5 m de diâmetro, instalado no Monte Wilson, Califórnia.

Usando a relação período-luminosidade para as Cefeidas, ele calculou a distância que elas se encontravam da Terra, obtendo um primeiro valor de 800.000 anos-luz para Andrômeda e valores semelhantes para outros objetos, observações e registros mais acurados aumentaram esta distancia para quase  2.000.000 milhões de anos-luz. Os resultados mostraram que estes sistemas eram enormes conjuntos de estrelas e, definitivamente, encontravam-se fora da nossa Galáxia, finalizando um debate que não havia sido resolvido, até esta época chamado de ―o grande debate‖, sobre a natureza das nebulosas. Estes sistemas passaram a ser também chamados de universos-ilha e posteriormente de galáxias e os conceito de ―distância extragaláctica‖ e astronomia extragaláctica foram criados. Mas a mais importante descoberta de Hubble, juntamente com seu colaborador Milton Humason foi que as galáxias distantes se afastavam de nós e umas das outras. Seu resultado baseou-se na descoberta de uma relação linear entre a distância D das galáxias até nós (determinada pela relação período- luminosidade, por exemplo) e a velocidade v (determinada pela determinação do redshift das linhas espectrais observadas, lembrem do desvio para o vermelho), escrita da forma D = Ho.v. A constante Ho é a chamada constante de Hubble. 

Essas observações mostraram uma ―recessão‖ sistemática e isotrópica, e foram confirmadas até distâncias extremamente grandes. A Figura abaixo apresenta um diagrama com as primeiras observações feitas por Hubble e a extrapolação usando medidas de objetos mais distantes. Hubble foi forçado a fazer sua descoberta passo a passo, utilizando Cefeidas, variáveis RR Lyrae e estrelas supergigantes para ir calibrando as distâncias até o aglomerado de Perseu.

Qualquer observador numa galáxia distante (num Universo em expansão) e que obedece a Lei de Hubble perceberá exatamente esse mesmo fenômeno. Isso significa que é o próprio espaço que está se expandindo e um observador em qualquer parte dele visse a mesma expansão, em qualquer direção que olhasse.

Em homenagem a Edwin Hubble, a NASA colocou seu nome em um telescópio espacial que foi lançado em abril de 1990. Entre os vários resultados espetaculares que o Telescópio Espacial Hubble obteve, no momento é interessante o ―Hubble Cepheid Key Project‖. A Figura abaixo é uma versão da Figura anterior, baseada somente em dados coletados pelo Telescópio Hubble, feita usando medidas de variáveis Cefeídas para determinar as distâncias. A inclinação da curva nos dá o valor da constante de Hubble e a figura mostra que o melhor ajuste às observações é dado pelo valor 70 km/s.Mpc. Com o Telescópio Hubble podemos, assim como Edwin Hubble, estudar Cefeidas, só que localizadas a distâncias 30 vezes maiores que as medidas na época de Hubble.