Expansão constante do Unirverso.Parte 1

por **Trinity** Sex maio 27, 2016 8:46 pm

O século XX foi extremamente rico em descobertas tanto na física, de uma forma geral, como na cosmologia. Foi neste século que descobriu-se a existência de galáxias e que elas constituem os tijolos das grande estruturas no Universo. Também neste século descobriu-se que o Universo está em expansão e essa grande descoberta é o tema principal destas notas.
O ano de 1998 pode tornar-se um marco na história da cosmologia. A descoberta nesse ano de que o Universo está em expansão acelerada, se confirmada, é de importância comparável à descoberta na década de 60, da existência de uma radiação cósmica de fundo (veja a seção 6). Certamente ela traz um impacto profundo na nossa compreensão do cosmos, abre novas perspectivas para a teoria de campos, para a física de partículas elementares e como toda grande descoberta lança novos desafios. A aceleração da expansão do Universo, suas evidências observacionais e possíveis causas são assuntos que também trataremos aqui.

No século XX tivemos grandes astrônomos mas sem dúvida Edwin Powell Hubble destacou-se entre eles. Hubble é considerado o maior astrônomo desde Copérnico: realizou descobertas tão importantes que imortalizariam qualquer cientista que tivesse descoberto ao menos uma delas. Ele deu uma contribuição fundamental à descoberta de galáxias, criou um sistema simples de classificação de galáxias aceito até hoje e finalmente mostrou que o Universo está em expansão.
Hubble nasceu em novembro de 1889 em uma família de classe média no estado de Missouri nos Estados Unidos. Aos 10 anos de idade, estimulado pelo seu avô materno, surgiu seu interesse pela astronomia. Entretanto a trajetória seguida, até se tornar um astrônomo consagrado está longe de ser linear. Em 1906, aos 17 anos entrou para a Universidade de Chicago onde realizou seus estudos universitários. Entre 1910 e 1913 estudou ciências jurídicas na Universidade de Oxford na Inglaterra, e aos 25 anos de idade retorna à Universidade de Chicago onde defendeu tese de doutorado em astronomia. Após a defesa de tese ele alistou-se como major na força expedicionária americana e seguiu para a França onde comandou um batalhão na primeira guerra mundial. Em 1919 voltou aos Estados Unidos e foi então contratado para trabalhar no Observatório do Monte Wilson. Foi nesse observatório que realizou suas grandes descobertas.

2 Como Hubble descobriu galáxias

Uma das grandes questões da astronomia no início do século XX era saber a natureza das nebulosas espirais. Alguns astrônomos argumentavam serem elas um sistema de estrelas que nos circundam, enquanto outros defendiam a tese de que as nebulosas espirais eram sistemas semelhantes à nossa própria galáxia e situadas bem mais distantes que as estrelas usuais. A existência de nebulosas já era conhecida há centenas de anos.
Em abril de 1920 ocorreu um debate entre dois grandes astrônomos da época, Herbert Curtis e Harlow Shapley, que entrou para a história da cosmologia. Uma das questões do debate era a natureza das nebulosas espirais. Curtis dizia:

``A evidência hoje aponta fortemente para a conclusão de que as espirais são galáxias individuais, ou universos ilhas, comparáveis em dimensão e número de componentes individuais à nossa própria galáxia.''

Enquanto que Shapley defendia um outro ponto de vista:

``Me parece que a evidência é oposta a que as espirais são galáxias de estrêlas comparáveis à nossa própria galáxia. Até o presente não há razão para modificarmos a hipótese tentativa de que as espirais são simplesmente objetos nebulosos.''

A disputa não foi resolvida então. O que faltava? Dados precisos sobre a nossa distância até as nebulosas.
Em 1923 Hubble inicia, em Monte Wilson, uma série de observações de Andrômeda, a mais famosa das nebulosas espirais. No início de outubro ele observa em Andrômeda duas novas e uma estrêla variável bem tênue. Esta última foi uma grande descoberta. Após uma sequência de observações Hubble pode concluir que a estrêla variável era uma estrêla do tipo Cefeida. Mas porque isso era tão importante?

Em 1912, Henrietta Leavitt, uma astrônoma do Harvard College Observatory, mostrou a existência de uma correlação entre a luminosidade absoluta 2de estrelas variáveis cefeidas e o período de oscilação da intensidade da luz vinda dessas estrelas. A correlação é no sentido de que quanto maior o período entre dois máximos (variando de alguns dias até algumas semanas), maior a luminosidade absoluta. Observando-se o período de variação de uma estrela cefeida, os resultados de Leavitt permitem inferir sua luminosidade absoluta. Assim, como a intensidade da luz cai com o inverso do quadrado da distância, podemos determinar a distância de uma estrela cefeida medindo sua luminosidade aparente3 e estimando sua luminosidade absoluta através da observação do período.
Usando a técnica desenvolvida por Leavitt, Hubble pode determinar a distância à Andrômeda. Em fevereiro de 1924 Hubble escreveu uma carta a Shapley em que dizia:

`` Você se interessará em ouvir que encontrei uma variável Cefeida na nebulosa de Andrômeda (M31). ... Em anexo segue uma cópia da curva de luz que, mesmo grosseira, mostra de forma inquestionável as características de uma Cefeida. ... Usando o valor de Seares ... a distância obtida possui um valor acima de 300 000 parsecs."

Já se conhecia, naquela época, que o raio da nossa galáxia era bem menor que o valor acima (o raio da galáxia é da ordem de 15 000 parsecs). Portanto a conclusão era inescapável. A nebulosa Andrômeda é uma galáxia espiral semelhante a nossa Via Láctea e que, sabemos hoje, encontra-se a uma distância aproximada de 2,9 milhões de anos luz.

3 A Lei de Hubble

É um fato comum a todas as grandes descobertas científicas de que estas só ocorrem após serem precedidas por pequenos e importantes passos. A descoberta da lei que governa a expansão do Universo feita por Hubble não fugiu a essa regra. Contar um pouco dessa história é o objetivo desta seção.

Em 1901, Vesto M. Slipher, um jovem astrônomo, então com 25 anos, foi contratado para trabalhar no Observatório Lowell no Arizona (EUA). Durante mais de 10 anos Slipher analisou o espectro da luz vinda de estrêlas e nebulosas.6Em 1912 ele percebeu que as linhas espectrais de Andrômeda estavam no lugar errado: elas estavam deslocados para o azul, isto é, para a região do espectro de menores comprimentos de onda.
Medindo o deslocamento espectral ele conseguiu determinar a velocidade de Andrômeda em relação à Terra. Isso foi possível devido ao fenômeno denominado efeito Doppler, nome dado em homenagem à Christian Doppler, cientista austríaco que em 1842 o descobriu. No caso de uma onda que propaga-se em um meio material (uma onda sonora por exemplo), esse efeito manifesta-se em uma mudança na frequência observda sempre que o detector ou a fonte movem-se em relação ao meio. Observamos que o som vindo da sirene de uma ambulância torna-se mais agudo (maior frequência) quando esta aproxima-se de nós e mais grave quando ela se afasta. O efeito ocorre não apenas com ondas sonoras mas com ondas eletromagnéticas (como a luz vinda de uma galáxia) também. A distância entre duas cristas de uma onda (comprimento de onda) medida por um observador, é menor (deslocamento para o azul - som agudo) quando a fonte emissora aproxima-se do observador do que quando a fonte está parada. Quando a fonte afasta-se do observador o comprimento de onda medido por ele é maior (deslocamento para o vermelho - som grave). Para a radiação eletromagnética temos:

z = lobservado - lemitido
lemitido = ve
c , (1)
onde c é a velocidade da luz, lobservado é o comprimento de onda observado, lemitido é o comprimento de onda no referencial da fonte, ve é a velocidade da fonte (em relação ao observador) e z é o deslocamento para o vermelho. Velocidades positivas indicam afastamento da fonte em relação ao observador e correspondem a z positivo. A fórmula vale para velocidades bem menores que a da luz.

A velocidade de Andrômeda estimada por Slipher foi da ordem de 300 km/s. Em 1915 ele já tinha 40 medidas de espectro de nebulosas com 15 velocidades radiais estimadas, número que sobe para 25 em 1917. Contrariamente ao observado para Andrômeda, a grande maioria apresentava velocidades positivas. Por exemplo, das 41 nebulosas com redshift medido em 1923, apenas 5 (incluindo Andrômeda) aproximavam-se da Terra. A velocidade das nebulosas era considerada muito alta, em média mais de 20 vezes as velocidades típicas encontradas para estrêlas. Os valores obtidos estavam compreendidos entre 200 e 1100 km/s.
Enquanto a cosmologia observacional começava a desenvolver-se nos Estados Unidos, na Europa progressos teóricos fundamentais estavam sendo feitos. Em 1917 Albert Einstein já havia desenvolvido sua teoria para o campo gravitacional, a relatividade geral, e construído o primeiro modelo cosmológico relativístico. O modelo de Einstein, além de ser espacialmente homogêneo, tinha a propriedade de ser estático. Naquela época os cientistas acreditavam ser esta uma característica do Universo. Como a gravitação é atrativa, para obter um Universo estático, Einstein foi obrigado a modificar as suas equações originais do campo gravitacional introduzindo um termo repulsivo, a chamada constante cosmológica (L). Einstein acreditava que seu modelo possuía as seguintes virtudes:
1) ele podia relacionar a massa do Universo com a constante cosmológica, o que estava em acordo com um princípio que lhe era muito caro, o princípio de Mach7; 2) ele acreditava ser este o único modelo com essas características; 3) ele mostrou ser possível construir um modelo cosmológico consistente com a relatividade geral.

Em 1917, o astrônomo holandes Willem de Sitter também publica três trabalhos em que aplica a relatividade geral à cosmologia. Mostra que é possível obter-se novas soluções da relatividade geral., com constante cosmológica, estáticas8, porém vazias (sem matéria), o que de certa forma entra em conflito com as virtudes atribuídas por Einstein ao seu modelo. De Sitter sugere ainda que a velocidade de afastamento de objetos aleatoriamente espalhados em seu Universo aumentaria com a distância.Esta propriedade era então conhecida como ``efeito de Sitter''. Portanto, já em 1917 é possível notar-se a semente do que viria a ser mostrado observacionalmente por Hubble mais de uma década depois.