O Telescópio Espacial James Webb consegue ver galáxias além do horizonte do universo?
Desde que começou a enviar dados de volta à Terra em 2022, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) impactou muito a astronomia, e uma de suas realizações mais revolucionárias é a observação de algumas das galáxias mais distantes já vistas. No entanto, como a luz não viaja instantaneamente — mas se move a cerca de 300 milhões de metros (985 milhões de pés) por segundo no vácuo — não vemos essas galáxias como elas são hoje, mas como eram bilhões de anos atrás.
Além disso, estima-se que o nosso universo seja 13,8 bilhões de anos. Então, devemos assumir que a galáxia mais distante que poderíamos esperar ver não está a mais de 13,8 bilhões de anos-luz de distância. (Um ano-luz é a distância que a luz viaja em um ano). Esse ponto deve ser uma espécie de “horizonte cosmológico” — além do qual nenhum telescópio deve ser capaz de ver. E, como nada pode viajar pelo espaço mais rápido do que c, isso significa que não deve haver nenhuma maneira de uma galáxia a mais de 13,8 bilhões de anos-luz de distância, e ficar mais distante o tempo todo pode afetar Terra. Certo?
Errado. Se ao menos o universo fosse tão simples.
“Um horizonte cosmológico é uma distância máxima da qual se pode recuperar informações”, disse Jake Helton, astrônomo da Universidade do Arizona que também faz parte da equipe do JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), ao Space.com.
“Existem alguns horizontes cosmológicos diferentes”, continuou Helton, “que têm definições diferentes e dependem de várias quantidades cosmológicas. O mais relevante aqui é o horizonte cosmológico, que é a distância máxima da qual a luz poderia ter viajado até nós no era da universidadevocêerse. Isso define o limite do cosmos observável.”
Em março de 2024, cientistas do JADES revelaram que o poderoso telescópio havia avistado JADES-GS-z14-0, a galáxia mais distante e primitiva que a humanidade já viu. O paradoxo, no entanto, é que JADES-GS-z14-0 está localizada a cerca de 33,8 bilhões de anos-luz de distância.
Como podemos ver a luz de um objeto tão distante que o universo não é velho o suficiente para ter permitido que ele nos alcançasse? A posição de JADES-GS-z14-0 a 33,8 bilhões de anos-luz de distância não significa que o vemos como ele era há 33,8 bilhões de anos, algo que certamente desafiaria a estimativa da idade do universo?
Não é bem assim. Novamente, isso é evidência de que o universo tem uma maneira de virar conclusões sensatas e lógicas de cabeça para baixo.
“Como uma galáxia distante como JADES-GS-z14-0 pode ser observada, já que está a mais de 13,8 bilhões de anos-luz de nós e sua luz aparentemente levaria mais tempo do que a idade do universo para nos alcançar?” Helton perguntou retoricamente. “A resposta é a expansão do universo.”
Vendo uma galáxia mais velha que o próprio tempo
Se o universo simplesmente ficasse parado, então a luz de uma galáxia a 33,8 bilhões de anos-luz de distância levaria 33,8 bilhões de anos para chegar até nós, e pronto. Mas, no início dos anos 1900, Edwin Hubble descobriu que galáxias distantes pareciam estar se afastando umas das outras, e quanto mais distantes elas estavam, mais rápido elas estavam indo. Em outras palavras, o universo não é estático; ele está se expandindo.
Isso se complicou ainda mais em 1998, quando o século XX chegou ao fim, quando duas equipes separadas de astrônomos observaram que, não apenas o universo está se expandindo, mas que a expansão também está se acelerando. A força responsável é um mistério, mas recebeu o nome provisório de “energia escura.”
Há dois períodos principais e distintos de expansão ao longo dos 13,8 bilhões de anos de história do universo. O primeiro é um período inicial de rápida inflação cósmica que agora é comumente chamado de “Big Bang.”
Esta época inflacionária viu o volume do cosmos aumentar por um fator de 10^26 (10 seguido por 25 zeros). Isso é equivalente à sua unha passar de um crescimento de 1 nanômetro por segundo para um crescimento repentino de 10,6 anos-luz (62 trilhões de milhas) de comprimento. Nesta época, o universo era dominado pela energia, e este período é conhecido como a época dominada pela energia.
Isto foi seguido por uma época dominada pela matéria, começando 47.000 anos após o Big Bang. Eventualmente, a expansão universal permitiu que o cosmos esfriasse o suficiente para permitir prótons para formar a partir de quarks e glúonse então os prótons se ligam aos elétrons para formar o primeiro átomos de hidrogênio, que formou as primeiras estrelas e galáxias. Durante esse período, a expansão do universo impulsionada pelo Big Bang desacelerou até quase parar.
A época dominada pela matéria chegou a um fim surpreendente quando o universo tinha pouco menos de 10 bilhões de anos. Nessa época, o universo de repente começou a se expandir rapidamente mais uma vez. Além disso, essa expansão ficou cada vez mais rápida e continua a acelerar até hoje. Este terceiro período significativo do universo é chamado de época dominada pela energia escura. É a época em que estamos atualmente.
Graças a esses períodos de expansão do universo, a luz do JADES-GS-z14-0 só viajou para o JWST e a Terra por 13,5 bilhões de anos, apesar de sua fonte estar agora muito mais distante do que 13,5 bilhões de anos-luz de distância. Isso significa que o JWST vê o JADES-GS-z14-0 como ele era 300 milhões de anos após o Big Bang. Sem a expansão do universo, o JADES-GS-z14-0 ainda estaria a cerca de 13,5 bilhões de anos-luz de distância, embora ainda tivesse experimentado movimentos locais menores que poderiam tê-lo movido para mais perto ou mais longe de galáxias próximas. Mas tal movimento galáctico não teria sido nem de longe o tipo causado pela expansão do universo.
De acordo com Helton, o horizonte cosmológico, ou o “Horizonte de Fótons”, é uma esfera com um limite em torno de 46,1 bilhões de anos-luz de distância, um número ditado pela expansão do universo. Este é o horizonte real além do qual não deveríamos ser capazes de “ver” uma galáxia. A galáxia JADES-GS-z14-0 está de fato dentro desse horizonte.
Para evitar confusão, os astrônomos usam duas escalas de medição de distância: uma distância co-móvel que elimina a expansão do universo como um fator e uma distância própria que a inclui. Isso significa que a distância co-móvel de JADES-GS-z14-0 é de 13,5 bilhões de anos-luz, enquanto sua distância própria é de 33,8 bilhões de anos-luz.
JADES-GS-z14-0 e outras galáxias distantes e antigas nem sempre serão visíveis.
Uma época de sorte para ter o Telescópio Espacial James Webb
O fato de que o JWST pode ver JADES-GS-z14-0 significa que ele já foi “causalmente conectado” à Terra e ao nosso universo local. Em outras palavras, era possível que um sinal de JADES-GS-z14-0 nos alcançasse no via Lácteaportanto, uma “causa” nesta galáxia que existia no início dos tempos poderia ter um “efeito” em nossa galáxia nesta época moderna do cosmos.
“Qualquer galáxia observável deve estar dentro do horizonte de partículas e deve ter sido causalmente conectada a nós em algum ponto da história do universo”, disse Helton.
No entanto, esse não é mais o caso. Galáxias como JADES-GS-z14-0 e as outras galáxias descobertas por JADES estão agora tão distantes e são afastadas de nós tão rapidamente, graças à energia escura, que nenhum sinal delas enviado hoje poderia nos alcançar. Isso ocorre porque o horizonte de fótons se afasta de nós na velocidade da luz, mas para objetos realmente distantes, o espaço entre via Láctea e essas galáxias estão se expandindo mais rápido que a velocidade da luz. Isso pode parecer implausível, pois Albert Einstein’a teoria de relatividade especial define a velocidade da luz como um limite universal de velocidade. No entanto, essa é uma regra para objetos com massa se movendo pelo espaço, não uma regra para o próprio tecido do espaço.
Em cerca de 2 trilhões de anos após a Terra e a humanidade desaparecerem, a expansão do universo significa que qualquer espécie inteligente que nos substituir na Via Láctea (se alguma vez o fizer) não será capaz de ver nenhuma galáxia que exista além do nosso grupo local — que tem um diâmetro de cerca de 10 milhões de anos-luz.
É um pensamento preocupante, e significa que a humanidade vive em um ponto único na história do universo em que as galáxias mais distantes ainda estão dentro de nossa visão. Somos capazes de saber mais sobre o universo e suas origens do que qualquer vida inteligente que possa nos seguir. Astrônomos, incluindo Helton, pretendem usar o JWST para explorar totalmente esse privilégio cósmico.
“Trabalhar com o JWST e a JADES Collaboration tem sido incrível”, disse Helton. “Escrever artigos sobre ciência com o JWST, como o meu recente sobre o JADES-GS-z14-0, tem sido a experiência mais gratificante e emocionante da minha carreira de pesquisa.”
Postado originalmente em Espaço.com.
