A Escala de Distância do Universo

Como o Universo está se expandindo, a questão da distância a uma galáxia muito distante é muito difícil de se responder. Tudo depende do seu ponto de vista.

Este é o problema de definir uma distância em um Universo em expansão: Duas galáxias estão próximas uma da outra quando o Universo possui apenas 1 bilhão de anos de idade. A primeira galáxia emite um pulso de luz. A segunda galáxia não recebe este pulso antes que o Universo tenha 14 bilhões de anos. Neste tempo, as galáxias estão separadas por 26 bilhões de anos-luz; o pulso de luz viajou durante 13 bilhões de anos; e a visão que as pessoas recebem na segunda galáxia é uma imagem da primeira quando tinha apenas 1 bilhão de anos de idade e estava apenas a 2 bilhões de anos-luz de distância.

Existem quatro diferentes escalas de distância comumente encontradas na cosmologia:

(1) Distância pela Luminosidade - D_L

Em um Universo se expandindo, galáxias distantes são muito mais escuras do que você normalmente esperaria porque os fótons de luz tornam-se esparsos e se espalham por uma vasta área. É por isso que são necessários enormes telescópios para ver as galáxias muito distantes. As galáxias mais distantes visíveis com o Telescópio Espacial Hubble são tão escuras que aparentam estar a uma distância de mais de 350 bilhões de anos-luz, embora elas estejam muito mais próximas.

A Distância pela Luminosidade não é uma escala de distância realista, mas é útil para determinar o quão escuras aparecem para nós as galáxias muito distantes.

(2) Distância pelo Diâmetro Angular - D_A

Em um Universo se expandindo, nós vemos as galáxias que estão quase nos limites do Universo visível quando elas eram muito jovens, há 14 bilhões de anos, porque essa luz levou 14 bilhões de anos para chegar até nós. Entretanto, estas galáxias não eram apenas jovens, mas naquela época também estavam muito mais próximas de nós.

As mais escuras galáxias visíveis com o Telescópio Espacial Hubble estavam a uns poucos bilhões de anos-luz de nós quando emitiram sua luz. Isso significa que galáxias muito distantes aparentam ser muito maiores do que nós esperaríamos normalmente se elas estivessem a uma distância de 2 ou 3 bilhões de anos-luz de nós (embora elas sejam também muito, muito escuras - veja Distância pela Luminosidade).

A Distância pelo Diâmetro Angular é uma boa indicação (especialmente em um Universo plano como o nosso) do quão próxima a galáxia estava quando emitiu a luz que nós vemos agora.

(3) Distância Comóvel - D_C

A Distância Comóvel é a escala de distância que se expande com o Universo. Ela nos diz onde as galáxias estão agora, mesmo que nossa visão do Universo distante seja de quando o mesmo era muito mais jovem e menor. Nesta escala, a borda do Universo visível está agora a aproximadamente 47 bilhões de anos-luz de nós, embora as galáxias mais distantes visíveis pelo Telescópio Espacial Hubble estejam agora a aproximadamente 32 bilhões de anos-luz de nós.

A Distância Comóvel é o oposto da Distância pelo Diâmetro Angular - ela nos diz onde as galáxias estão agora em vez de onde estavam quando emitiram a luz que nós vemos.

(4) Distância pelo Tempo de Viagem da Luz - D_T

A Distância pelo Tempo de Viagem da Luz representa o tempo necessário para a luz das galáxias distantes nos alcançar. Isto é o que significa quando se diz que o Universo visível tem um raio de 14 bilhões de anos-luz - é simplesmente uma indicação de que o Universo tem aproximadamente 14 bilhões de anos de idade e que a luz de fontes mais distantes não teve tempo para nos alcançar.

A Distância pelo Tempo de Viagem da Luz é tanto uma medida do tempo quanto uma medida da distância. É útil principalmente porque nos diz quão velha é a imagem da galáxia que nós estamos vendo.

Para pequenas distâncias (abaixo de 2 bilhões de anos-luz, aproximadamente), todas as quatro escalas de distância convergem e tornam-se a mesma, então é muito mais fácil definir distâncias a galáxias no Universo local ao nosso redor.

Abaixo - todas as quatro escalas de distância traçadas em relação ao desvio para o vermelho. O desvio para o vermelho é uma medida do alongamento da luz causada pela expansão do Universo - uma galáxia com um desvio para o vermelho grande estará a uma distância maior que uma galáxia com um desvio para o vermelho pequeno. As galáxias mais distantes visíveis com o Telescópio Espacial Hubble possuem desvio para o vermelho igual a 10, enquanto que as mais distantes protogaláxias no Universo estão, provavelmente, com desvio para o vermelho de quase 15. A borda do Universo visível possui desvio para o vermelho infinito. Um telescópio portátil típico, pelo contrário, não pode ver muito além do desvio para o vermelho 0,1 (aproximadamente 1,3 bilhões de anos-luz).

A Distância pela Luminosidade (DL) mostra porque as galáxias distantes são tão difíceis de serem vistas - uma galáxia muito jovem e distante com desvio para o vermelho igual a 15 parece estar a aproximadamente 560 bilhões de anos-luz de nós, embora a Distância pelo Diâmetro Angular (DA) nos diga que estava a aproximadamente 2,2 bilhões de anos-luz de nós quando emitiu a luz que vemos agora. A Distância pelo Tempo de Viagem da Luz (DT) diz-nos que a luz desta galáxia viajou por 13,6 bilhões de anos entre o tempo que a luz foi emitida e hoje. A Distância Comóvel (DC) diz-nos que esta mesma galáxia hoje, se nós pudéssemos vê-la, estaria a aproximadamente 35 bilhões de anos-luz de nós.

Se alguém quiser uma cópia do código de computador (escrito em C) que escrevi para calcular todas essas distâncias, está disponível aqui.