Até onde sabemos, a velocidade da luz é a coisa mais rápida que existe e pode ser determinada experimentalmente como uma constante no Universo: não importa onde, quando ou em que direção a luz viaja no vácuo, ela sempre se move a uma taxa de 299.792.458 metros por segundo ou aproximadamente 300 mil quilômetros a cada segundo.
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Ao viajar livre no espaço por um intervalo de um ano (grandeza que define a distância de 1 ano-luz), ela percorre cerca de 9 trilhões de quilômetros, cerca de 2/3 do diâmetro total estimado para o Sistema Solar. Como o Universo surgiu há cerca de 13,8 bilhões de anos, então, os objetos mais distantes que podemos ver no espaço estão a 13,8 bilhões de anos-luz de distância, correto?
O Hubble Ultra Deep Field está há aproximadamente 13 bilhões de anos no passado.Fonte: NASA/Hubble
Errado. Isso não só não é verdade, como o ponto mais distante que podemos ver é três vezes maior: cerca de 46,1 bilhões de anos-luz. Como é possível ver tão longe? Para responder a esta pergunta, precisamos recorrer à física!
Vamos começar imaginando um Universo onde os objetos mais distantes que podemos ver estão realmente a 13,8 bilhões de anos-luz de distância. Para que este seja o caso, nós temos que assumir um Universo com três características básicas: primeiro, que os objetos permaneçam iguais e a uma distância fixa um do outro ao longo do tempo; segundo, onde a estrutura do espaço permaneceu estática e não se expandiu nem contraiu ao longo do tempo; e, por fim, temos que imaginar um Universo onde a luz se propagou através dele sempre em linha reta entre dois pontos quaisquer, nunca sendo desviada ou afetada pelos efeitos da matéria, energia e curvatura espacial.
Embora costumemos pensar o espaço-tempo como uma malha tridimensional, ele se deforma e distorce conforme a presença de matéria e energia.Fonte: Getty Images
Para um Universo que seja uma grade tridimensional (com eixos x, y e z) onde o espaço é fixo e imutável, isso seria realmente possível, isto é, os objetos emitiriam luz no passado distante, essa luz viajaria através do Universo até chegar aos nossos olhos no mesmo número de “anos” depois que o número de “anos-luz” que ela percorreu.
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Contudo, todas essas três suposições estão incorretas. Os objetos não permanecem a uma distância constante e fixa uns dos outros, mas são livres para se moverem pelo espaço que ocupam. Os efeitos gravitacionais mútuos de todos os objetos massivos e contendo energia no Universo fazem com que eles se movam e acelerem, aglomerando massas em estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias, enquanto outras regiões ficam desprovidas de matéria.
Espaço-tempo segundo a Relatividade Geral.Fonte: Getty Images
Além disso, a estrutura do espaço também não é constante.
Esta foi a grande contribuição da Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein, ao afirmar que nem o espaço, nem o tempo eram estáticos ou fixos, mas formavam um tecido conhecido como espaço-tempo, cujas propriedades dependiam da matéria e da energia presentes no Universo.
No final da década de 20 do século passado, os astrônomos Edwin Hubble e Georges Lemaître descobriram de forma independente que o Universo estava em expansão, ou seja, a estrutura do espaço-tempo em si não permanece constante ao longo do tempo, mas se expande, separando galáxias distantes uma das outras cada vez mais.
Representação esquemática da história cósmica.Fonte: NASA
Esse fato tem enormes implicações para as nossas observações: quando observamos um objeto distante, não vemos apenas a luz que ele emitiu (nem apenas a luz afetada pela velocidade relativa entre o objeto e a Terra) mas, em vez disso, vemos como o Universo em expansão afetou essa luz a partir dos efeitos cumulativos da expansão do espaço que ocorreu em todos os pontos ao longo da sua viagem.
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Com base no conjunto de observações astronômicas e na combinação de resultados, os cientistas conseguem determinar do que o Universo é feito e em que proporções. Hoje, as melhores estimativas são de que vivemos em um Cosmos composto por: 0,01% de radiação na forma de fótons, 0,1% de neutrinos, 4,9% de matéria normal (feita de prótons, nêutrons e elétrons), 27% de matéria escura e 68% de energia escura.
A partir disto é possível extrair um valor único para o tamanho do Universo observável e do quão longe podemos enxergar: 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções.
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