Cosmologia: controvérsias históricas sobre o tamanho do universo

Quando vejo os teus céus, obra dos teus dedos, a lua e as estrelas que preparaste;

Que é o homem mortal para que te lembres dele? E o filho do homem, para que o visites?

Salmo 8:3, 4

Na coluna anterior conversamos sobre constelações e como elas aparentam no céu. Por milhares de anos tudo o que o ser humano observou foi pontinhos luminosos em um local muito distante que tinha coloração azulada, durante o dia, e a noite sem nenhuma cor aparente (a não ser nos fenômenos de auroras boreais). E por muitos séculos diversos modelos cosmológicos estiveram engendrados na mentalidade humana com intuito de entender as origens físicas e o local onde moramos. Claro, tudo isso bem amarrado ao contexto histórico em que os desenvolvimentos eram feitos: ação de deuses (em mitologias) e ação de Deus pela ciência. A coluna de hoje vai na linha sobre o tamanho do universo. Talvez você precise revisar alguma coisa sobre distâncias e tamanhos: aqui tem um texto curso sobre isso.

Nem sempre tivemos essa ideia de universo com trilhões de galáxias e, cada uma, com bilhões ou trilhões de estrelas. Essa concepção é muito recente e tem apenas 100 anos. Isso, em termos de conhecimento científico, é muito novo, mesmo que todos os dados e análises sejam a maior quantidade que já armazenamos. A concepção, talvez a mais simples e intuitiva, é de que a Terra é plana e tudo gira ao redor dela: na série sobre esse assunto explorei um pouquinho da questão histórica e “moderna”. Mas, se puxarmos os próprios astrônomos gregos (vide livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva, pág. 2 que está nas sugestões de leitura), vários já trabalhavam com a ideia de uma Terra esférica (Pitágoras, Filolaus, Eudóxio, Aristóteles, Aristarco, Hiparco e Ptolomeu), inclusive com medida da circunferência / raio com boa precisão (Eratóstenes).

Além desses detalhes geográficos, o céu era um grande imponente que abrigava as estrelas fixas, os planetas (estrelas errantes) perto de nós e nada mais. O sistema solar funcionava dentro de um regime geocêntrico. Aristarco começou a mudar essa concepção bem antes dos trabalhos geocêntricos de Ptolomeu que basearam toda a cosmologia por 14 séculos (do séc. II ao séc. XVI). Depois, vem Copérnico e Kepler e remanejaram a cosmologia para o heliocentrismo, permanecendo assim até o início do séc. XX. Claro, a história aqui é só por pontos: tem muitos outros detalhes.

Para se ter noção desse universo heliocêntrico diversas observações foram feitas. Podemos fixar uma data de início em 1610 quando Galileu Galilei apontou um instrumento ótico para observar o céu. Tempos anteriores ele teve conhecimento a um equipamento ótico náutico holandês (luneta) e, com sua maleabilidade construtiva, montou seu próprio instrumento que tinha um aumento de 30x (30 vezes): podemos chamar de telescópio refrator. Com esse objeto ele pode observar a Lua e suas crateras, Júpiter e 4 luas (chamadas de galileanas: Io, Ganímedes, Europa e Calisto), manchas solares e diversos outros objetos como estrelas e aglomerados de estrelas.

Telescópio refrator Sky Watcher 90×900 mm (particular). Galileublzb tinha um parecido com o tubo central, mas bem menor. Esse, tem ampliação de 180x.

No início do séc. XX a história sobre o tamanho do universo se mistura com a descrição da nossa galáxia, Via Láctea. É que até esse momento não temos conhecimento de outras galáxias que comporiam o universo: nosso universo, nesse momento, é o chamamos de sistema solar (no centro; heliocentrismo ainda é prevalecente) e ao redor há diversas nebulosas (regiões com estrelas, gás e poeira: depois veríamos que são as galáxias) e estrelas. Os objetos mais distantes (estrelas e nebulosas) deram origem, lá no séc. XVIII, a diversas discussões sobre o tamanho do universo. Aliás, já se tinha discussão de que várias dessas nebulosas estariam “fora” do nosso universo (Via Láctea).

Aglomerado globular M13. Cada pontinho é uma estrela.
Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap100527.html

Essa discussão se acirrou muito nos anos iniciais do séc. XX com Harlow Shapley e F. Curtis. O ponto chave era sobre aglomerados globulares (conjuntos de milhares a milhões de estrelas, com formato arredondado) que estariam fora do sistema solar (ou fora do nosso universo que conhecíamos), além de outras nebulosas. Inclusive, tempos depois, várias nebulosas catalogadas décadas antes, eram galáxias; Kant até tinha chamado de “universos-ilha” esse conceito, adotado até por Hubble e suas observações no final dos anos 1920. Em boa parte, correto: considerando a Via Láctea como universo, o que está fora dela são outros universos, isolados e ilhados. Toda essa discussão e controvérsia foi resolvida, de forma mais direta, por Hubble e Humanson.

Curtis (esquerda) e Shapley (direita) na grande controvérsia do início do séc. XX. No centro, uma foto, negativo, com várias nebulosas onde diversas são galáxias.
Fonte: https://www.seti.org/universes-greatest-expansion

Antes de vermos um pouco mais a solução, um conceito muito importante: redshift / blueshift. Na coluna sobre ele eletromagnetismo detalhei, um pouco, como vemos os objetos invisíveis, ou seja, emissões de luz (radiação) em comprimentos de onda que nossos olhos não captam e interpretam como imagens: ondas de rádio, infravermelho, raios X etc. Também mencionei que todo átomo tem uma emissão / absorção muito específica de radiação: o espectro eletromagnético de cada elemento químico é o seu RG, único e intransferível.

Agora, amarre esse conceito de espectro eletromagnético com o efeito Doppler, que estudamos em ondulatória na escola: ouça o barulho de uma sirene se aproximando / afastando de você. A frequência será modificada: quando se aproxima, o som fica agudo, quando se afasta o som fica grave. Essa diferença sonora também ocorre com a luz: quando um objeto, emitindo luz (radiação) se afasta / aproxima, seu espectro se desloca para o vermelho (redshift) / azul (blueshift). Em outras palavras: olhando apenas para a luz espectral de uma estrela / galáxia, podemos saber se esse objeto está se afastando (redshift) ou se aproximando (blueshift) de nós.

Ondas sonoras (como ondas em água) aumentam a frequência (agudo) quando se aproximam diminuem a frequência (grave) quando se afastam.
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-efeito-doppler.htm

A história do tamanho do universo, com esse pico nas discussões entre Kapteyn, Shapley, Curtis, DeSitter e finalizando em Hubble ainda terá muitos desdobramentos. Vou encerrar por aqui o assunto, em Hubble, pois ele já é ponto inicial de outro tema extremamente importante para a cosmologia e para o modelo de Big Bang: lei de Hubble-Lemaître.

Einstein, Hubble (centro) e Adams no Observatório Mount Wilson, 1931.
Fonte: https://digital.archives.caltech.edu/islandora/object/image%3A2013

Em resumo, com redshift, efeito Doppler aplicado a luz e observações astronômicas cada vez mais precisas, construímos um conhecimento sobre o universo muito apurado: ele é um grande espaço com trilhões de galáxias, sendo cada uma composta por bilhões a trilhões de estrelas, uma infinidade de planetas e buracos negros, além de gás e poeira. Tudo isso foi criado por Deus através de processos físicos cosmológicos: alguns conhecemos, outros não.

No princípio criou Deus o céu e a terra.

Gênesis 1:1

Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • Um interessante texto (em inglês e não técnico) sobre o tamanho do universo: https://www.space.com/24073-how-big-is-the-universe.html;
  • Um bom texto sobre espectroscopia (análise de luz): https://lief.if.ufrgs.br/pub/cref/n29_Muller/aula2/aula2g.pdf;
  • Um bom site da UFABC sobre cosmologia: https://propg.ufabc.edu.br/mnpef-sites/materia-escura/;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado;
  • Prof. Alexandre Zabot, da UFSC, tem um curso gratuito de astrofísica geral excelente. Recomendo fortemente. Você assiste as aulas no YouTube, tem acesso ao material (slides, sites e alguns textos). Para todas as informações, links das aulas e materiais: https://astrofisica.ufsc.br/astrofisica-geral/.
Galáxia de Andrômeda fotografada por Hubble em 1923 no Observatório Mount Wilson
Fonte: https://www.seti.org/universes-greatest-expansion
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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