This Is How Distant Galaxies Recede Away From Us At Faster-Than-Light Speeds

longe de nós e quanto mais a sua luz aparecer redshifted. Uma galáxia em movimento com o Universo em expansão estará ainda mais distante, hoje, do que o número de anos de luz (multiplicado pela velocidade da luz) que levou a luz emitida por ela para chegar até nós. Mas só podemos compreender redshifts e blueshifts se os atribuirmos a uma combinação de efeitos devidos tanto ao movimento (relativista especial) como ao tecido em expansão do espaço (relatividade geral). Larry McNish do RASC Calgary Center

Se você olhar para o Universo distante, você encontrará galáxias que estão a milhões, bilhões, ou mesmo dezenas de bilhões de anos-luz de distância. Em média, quanto mais distante uma galáxia estiver de você, mais rápido ela parecerá recuar para longe de você. Isto aparece quando você olha para as cores das estrelas presentes dentro da galáxia, assim como as linhas de emissão e absorção inerentes à própria galáxia: elas parecerão sistematicamente deslocadas em direção ao vermelho.

Eventualmente, você começará a ver galáxias que estão tão distantes que a luz delas será tão severamente deslocada para o vermelho que elas parecerão se aproximar, alcançar, e até mesmo exceder a velocidade da luz além de uma certa distância. O fato de que isto é o que realmente vemos pode fazer você questionar tudo que você pensava saber sobre relatividade, física e o Universo. No entanto, o que você vê é real; esses redshifts não são mentira. Aqui está o que faz essas galáxias distantes redshift tão severamente, e o que isso realmente significa para a velocidade da luz.

para passar sensivelmente de forma diferente para o viajante versus a pessoa que permanece em um quadro constante de referência. No entanto, você só pode comparar relógios (tempo) e réguas (distância) entre observadores localizados no mesmo evento (ou conjunto de coordenadas espaciais e temporais) no Universo; observadores separados por qualquer distância têm que contar também com as propriedades não-planas e não-estáticas do espaço-tempo. Twin Paradox, via http://www.twin-paradox.com/

A ideia de relatividade é algo que a maioria das pessoas pensa que compreende, mas é importante ter cuidado devido à facilidade com que a teoria de Einstein pode ser mal compreendida. Sim, é verdade que existe uma velocidade máxima para os objectos no Universo: a velocidade da luz no vácuo, c, ou 299.792.458 m/s. Apenas partículas com massa zero podem mover-se a essa velocidade; qualquer coisa que tenha uma massa real e positiva só se pode mover mais lentamente do que a velocidade da luz.

Mas quando estamos a falar de estarmos limitados pela velocidade da luz, estamos implicitamente a assumir que a maioria de nós não se apercebe: estamos a falar de um objecto a mover-se em relação a outro no mesmo evento no espaço-tempo, o que significa que estão no mesmo local espacial no mesmo momento no tempo. Se você tem dois objetos com coordenadas espaço-tempo diferentes um do outro, há outro fator que entra em jogo que não pode absolutamente ser ignorado.

e do Sol no nosso Sistema Solar, devem ser tidos em conta para quaisquer observações que uma nave espacial ou outro observatório faria. Os efeitos da Relatividade Geral, mesmo os mais subtis, não podem ser ignorados em aplicações que vão desde a exploração espacial aos satélites GPS até um sinal luminoso que passe perto do Sol. NASA/JPL-Caltech, para a missão Cassini

Além do movimento relativista especial, que ocorre em relação à coordenada espaço-tempo que você está atualmente ocupando, há também um efeito que só aparece quando você começa a pensar em termos de relatividade geral: a curvatura e evolução do próprio espaço-tempo.

Onde a relatividade especial só ocorre no espaço não curvo e estático, o Universo real tem matéria e energia nele. A presença de matéria/energia significa que os objectos no nosso espaço-tempo não podem ser estáticos e imutáveis, mas verão as suas posições espaciais evoluir com o tempo à medida que o próprio tecido do espaço-tempo evolui. Se você estiver nas proximidades de uma grande massa, como uma estrela ou um buraco negro, o espaço será curvado para que você experimente uma aceleração em direção a essa massa. Isto acontece mesmo na ausência de movimento em relação ao próprio tecido do espaço; o espaço está a comportar-se como um rio que corre ou um passadiço em movimento, arrastando todos os objectos juntamente com ele à medida que corre.

Schwarzschild buraco negro, o espaço flui como uma passarela em movimento ou uma cachoeira, dependendo de como você quer visualizá-lo. No horizonte do evento, mesmo que você corresse (ou nadasse) à velocidade da luz, não haveria superação do fluxo de tempo espacial, o que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, no entanto, outras forças (como o eletromagnetismo) podem freqüentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em infusão escape. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

Num Universo cheio de matéria de uma forma aproximadamente uniforme, particularmente nas maiores escalas, as mudanças que o espaço-tempo sofre aplicam-se nas escalas de todo o Universo observável. Especificamente, um Universo preenchido tanto homogeneamente (o mesmo em todos os locais) quanto isotrópicamente (o mesmo em todas as direções) não pode permanecer estático, mas deve se expandir ou se contrair.

Quando Alexander Friedmann derivou pela primeira vez as equações em 1922 que exigiam esta solução, pouca atenção foi dada a ela. Cinco anos depois, de forma completamente independente, Georges Lemaître encontrou a mesma solução, que ele mesmo enviou imediatamente a Einstein. Ao recebê-la, Einstein não encontrou nenhuma falha no trabalho, mas não pôde aceitar a sua conclusão, afirmando, famoso, “seus cálculos estão corretos, mas sua física é abominável”. Mas a sua física não era abominável; era a chave para desbloquear o Universo.

brilhando através das nuvens interestelares. As estrelas variáveis vêm em muitas variedades; uma delas, as variáveis Cepheid, pode ser medida tanto dentro da nossa própria galáxia como em galáxias a até 50-60 milhões de anos-luz de distância. Isto permite-nos extrapolar distâncias da nossa própria galáxia para distâncias muito mais distantes no Universo. Outras classes de estrelas individuais, como uma estrela na ponta do AGB ou uma variável RR Lyrae, podem ser usadas em vez de Cefeitos, produzindo resultados semelhantes e o mesmo enigma cósmico sobre a taxa de expansão. NASA, ESA, e a Equipe Hubble Heritage

Direita por volta da mesma época – nos anos 1910 e 1920 – os astrônomos tinham acabado de ganhar a capacidade técnica para fazer duas medições chave sobre objetos fracos e distantes.

1. Usando a técnica da espectroscopia, onde a luz de um objeto pode ser dividida em seus comprimentos de onda individuais, os astrônomos poderiam identificar a assinatura de fogo certo de átomos específicos: linhas de absorção e emissão que ocorrem em comprimentos de onda específicos. Com base no deslocamento sistemático dessas linhas espectrais, seja em direção ao vermelho ou ao azul pelo mesmo fator geral, os astrônomos poderiam medir o redshift total (ou blueshift) de um objeto distante, como uma galáxia.
2. Identificando propriedades específicas de um objeto distante que lhe informam sobre suas propriedades intrínsecas, como o brilho intrínseco de uma estrela ou o tamanho real de uma galáxia, bem como o brilho aparente ou diâmetro angular aparente, os astrônomos poderiam então inferir a distância a esse objeto.

os objectos que observamos mostram as assinaturas espectrais de absorção ou emissão de átomos, iões ou moléculas particulares, mas com um deslocamento sistemático em direcção à extremidade vermelha ou azul do espectro da luz. Quando combinado com as medidas de distância de Hubble, estes dados deram origem à ideia inicial do Universo em expansão: quanto mais distante uma galáxia está, maior é a sua luz deslocada para o vermelho. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

A combinação dos dois conjuntos de observações, o que os cientistas começaram a fazer no final dos anos 1920s, um padrão claro emergiu: quanto mais distante a distância de uma galáxia era medida para ser, maior era a medida do seu deslocamento para o vermelho. Esta era apenas uma tendência geral, já que galáxias individuais pareciam ter redshifts e blueshifts adicionais sobrepostos a esta tendência geral, mas a tendência geral permaneceu clara.

Especificamente, os redshifts e blueshifts “extras” que aparecem são sempre independentes da distância, e correspondem a velocidades que variam de dezenas a centenas a alguns milhares de quilômetros por segundo, mas não mais rápidas. No entanto, quando você olha para galáxias que são o dobro da distância de uma galáxia mais próxima, o redshift médio é o dobro do das galáxias mais próximas. A 10 vezes a distância, o redshift é 10 vezes maior. E esta tendência continua até onde estamos dispostos a olhar, de milhões a dezenas de milhões a centenas de milhões a bilhões de anos-luz de distância.

expansão do Universo, seguido por observações subseqüentemente mais detalhadas, mas também incertas. O gráfico de Hubble mostra claramente a relação redshift-distance com dados superiores aos seus antecessores e concorrentes; os equivalentes modernos vão muito mais longe. Note que as velocidades peculiares permanecem sempre presentes, mesmo a grandes distâncias. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Como você pode ver, a tendência é que esta relação – entre o redshift medido e a distância – continua para distâncias extraordinárias. A relação redshift-distance, conhecida há gerações como lei de Hubble (recentemente revista para a lei Hubble-Lemaître) mas descoberta independentemente tanto por Lemaître como por Howard Robertson antes de Hubble a ter publicado, tem sido uma das relações empíricas mais robustas alguma vez descobertas em astronomia.

A interpretação padrão desta tendência, incluindo os redshifts e blueshifts extra que são inerentes a cada objecto individual, é que existem duas partes para os redshifts e/ou blueshifts de cada objecto.

1. O componente que é devido à expansão geral do Universo, a relação redshift-distance, é responsável pela maioria dos redshifts, particularmente a grandes distâncias.
2. A componente que se deve ao movimento de cada galáxia individual através do espaço, que é responsável pelas perturbações “extras” no topo da linha de tendência principal, deve-se ao movimento relativista especial relativo ao tecido em expansão do espaço.

regiões sub-densas (azul/preto) do Universo próximo a nós. As linhas e flechas ilustram a direção de fluxos de velocidade peculiares, que são os empurrões gravitacionais e puxados nas galáxias que nos rodeiam. No entanto, todos estes movimentos estão embutidos no tecido do espaço em expansão, pelo que um redshift ou blueshift medido/observado é a combinação da expansão do espaço e o movimento de um objecto distante, observado. Cosmografia do Universo Local – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Os movimentos relativistas especiais são fáceis de entender: eles causam um deslocamento no comprimento de onda da luz da mesma forma que um caminhão de sorvete em movimento causa um deslocamento no comprimento de onda do som que chega ao seu ouvido. A carrinha de gelados que se dirige para si terá as suas ondas sonoras a chegar até si de uma forma comprimida, mais aguda, análoga a uma mudança de blueshift para a luz. Quando se afasta de si, há mais espaço entre cada crista de onda, e por isso soa mais baixo, análogo a um redshift.

Mas a expansão do espaço desempenha um papel mais importante, particularmente em escalas maiores. Se você imaginar o tecido do espaço como uma bola de massa, com passas ao longo dele (representando estruturas gravitacionalmente ligadas como galáxias), então qualquer passa vai ver as passas próximas como recuando lentamente de uma forma omnidirecional. Mas quanto mais distante uma passa está, mais rápido ela parece recuar, mesmo que as passas não estejam se movendo em relação à massa. A massa está se expandindo como o tecido do espaço está se expandindo, e tudo que podemos fazer é ver o redshift total.

Universo, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes estiverem duas passas uma da outra, maior será o redshift observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada nas observações, e tem sido consistente com o que tem sido conhecido desde a década de 1920. NASA / WMAP Science Team

Se você medir o valor da taxa de expansão, você verá que ela pode ser expressa em termos de uma velocidade por unidade de distância. Por exemplo, da escada de distância cósmica, derivamos um valor de H0, a taxa de expansão, que é 73 km/s/Mpc. (Onde um Mpc é cerca de 3,26 milhões de anos-luz.) Usando o fundo cósmico de microondas ou as características da estrutura de grande escala produz um valor semelhante, mas ligeiramente inferior: 67 km/s/Mpc.

De qualquer forma, há uma distância crítica onde a aparente velocidade de recessão de uma galáxia excederá a velocidade da luz: cerca de uma distância de 13 a 15 bilhões de anos-luz. Além disso, as galáxias parecem recuar mais rápido que a luz, mas isto não se deve a um movimento superluminal real, mas sim ao fato de que o espaço em si está se expandindo, o que faz com que a luz de objetos distantes se desvie para o vermelho. Quando examinamos os detalhes sofisticados desta relação, podemos inequivocamente concluir que a explicação do “movimento” não corresponde aos dados.

explicação para redshift/distâncias (linha pontilhada) e as previsões da Relatividade Geral (sólida) para distâncias no Universo em expansão. Definitivamente, apenas as previsões da Relatividade Geral correspondem ao que observamos. Wikimedia Commons usuário Redshiftimprove

O Universo realmente está se expandindo, e a razão pela qual vemos a luz de objetos distantes como tão severamente redshift é devido ao tecido em expansão do espaço, não devido ao movimento das galáxias através do espaço. Na verdade, galáxias individuais movem-se tipicamente através do espaço a velocidades relativamente lentas: entre 0,05% e 1,0% da velocidade da luz, não mais.

Mas você não tem que olhar para distâncias muito grandes – 100 milhões de anos-luz é totalmente suficiente – antes que os efeitos do Universo em expansão se tornem inegáveis. As galáxias mais distantes visíveis para nós já estão localizadas a mais de 30 bilhões de anos-luz de distância, pois o Universo continua a expandir-se e a esticar essa luz ultra-distante antes de chegar aos nossos olhos. Ao passarmos da era de Hubble para a era de James Webb, esperamos empurrar essa fronteira ainda mais para trás. Entretanto, não importa quão longe nos tornemos capazes de ver, a maioria das galáxias do Universo estará para sempre além do nosso alcance.

porções do Universo, que são o que são graças à expansão do espaço e dos componentes de energia do Universo. 97% das galáxias dentro do nosso Universo observável estão contidas fora do círculo magenta; elas são inalcançáveis por nós hoje, mesmo em princípio, embora possamos sempre vê-las no seu passado, devido às propriedades da luz e do espaço-tempo. E. Siegel, baseado no trabalho dos usuários do Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL

Todas as galáxias no Universo além de uma certa distância parecem recuar de nós a velocidades mais rápidas que a luz. Mesmo se emitirmos um fotão hoje, à velocidade da luz, ele nunca alcançará nenhuma galáxia além dessa distância específica. Isso significa que quaisquer eventos que ocorram hoje nessas galáxias não serão jamais observáveis por nós. Entretanto, não é porque as galáxias em si se movem mais rápido que a luz, mas sim porque o próprio tecido do espaço está se expandindo.

Nos 7 minutos que você levou para ler este artigo, o Universo se expandiu o suficiente para que outras 15.000.000 de estrelas tenham cruzado esse limite crítico de distância, tornando-se para sempre inalcançáveis. Elas só parecem mover-se mais rápido que a luz se insistirmos numa explicação relativista puramente especial do redshift, um caminho tolo a tomar numa época em que a relatividade geral está bem confirmada. Mas leva a uma conclusão ainda mais desconfortável: dos 2 trilhões de galáxias contidas dentro do nosso Universo observável, apenas 3% delas são atualmente alcançáveis, mesmo à velocidade da luz.

Se nos preocupamos em explorar a máxima quantidade possível de Universo, não podemos nos dar ao luxo de atrasar. A cada momento que passa, outra chance de encontrar a vida inteligente para sempre está além do nosso alcance.

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