Em 1912, o astrôonomo americano Vesto Melvin Slipher (1875-1969), do Observatório Lowell, descobriu que as linhas espectrais da galáxia Andrômeda (M31) mostravam um enorme deslocamento para o azul, indicando que essa galáxia estava se aproximando do Sol, a uma velocidade de 300 km/s. Slipher iniciou, então, um trabalho sistemático que levou duas décadas, demonstrando que, das 41 gal´xias que ele estudou, a maioria apresentava deslocamento espectral para o vermelho (redshift), indicando que essas galáxias estavam se afastando de nós.
As implicaçõoes mais importantes do trabalho de Slipher ficaram mais claras durante os anos 20, quando Edwin Hubble conseguiu estimar as distâncias de Andrômeda e outras galáxias, observando o brilho aparente e os períodos de pulsa&ccedi&ã de estrelas Cefeidas nessas galáxias. Hubble e seu colaborador, Milton Humason, fotografaram os espectros de várias galáxias, usando o telescópio de 2,50 m de Monte Wilson. Quando compararam as distâncias das galáxias com as suas velocidades de afastamento, determinadas a partir dos seus redshifts, Hubble e Humason verificaram que as galáxias mais distantes estavam se afastando com velocidades maiores. Plotando os dados em um gráfico de velocidade em função da distância, Hubble encontrou que os pontos se distribuiam ao longo de uma linha reta.
Em 1929, Hubble publicou sua descoberta, que ficou conhecida como Lei de Hubble, e que pode ser representada pela expressão
v = velocidade de recessãao da galáxia;, medida pelo seu redshift
d = distância da galáxia.
H0= constante de Hubble;
A lei de Hubble significa que o universo está se expandindo, e a constante de Hubble H0 representa a taxa com a qual o universo está se expandindo. Como as velocidades das galáxias são medidas em km/s e as suas distâncias em megaparsecs (Mpc), a unidade da constante de Hubble é (km/s)/Mpc.
H0 = = 71 km/s/Mpc
significa que a velocidade de recessão das galáxias aumenta 71 km/s a cada megaparsec de distância, ou seja:
O afastamento das galáxias com velocidades proporcionais à distância pode ser comparado com o que acontece com um como um bolo de passas no forno ...
Em um bolo de passas em crescimento, todas as passas se afastam umas das outras, mas as passas não se movem dentro do bolo, os espaços entre elas que aumentam.
Da mesma forma, a expansão do universo não é uma expansão das galáxias no espaço, mas uma expansão do próprio espaço.
Crédito: The expanding universe
A animação apresenta a expansão do universo em 100 milhões de anos, como vista de nossa galáxia (circulada em vermelho) a qual, sendo nosso ponto de referência, permanece parada no centro enquanto todas as demais galáxias visiveis se afastam da nossa. O tempo é mostrado no canto superior esquerdo (onde "My" significa "milhões de anos").
As distâncias de nossa galáxia até duas galáxias vizinhas (uma circulada em azul e a outra circulada em verde), medidas em anos-luz (abreviado como "ly"), são mostradas no início e no final da animação. Nota-se que essas distâncias dobram no tempo da animação, e o mesmo acontece para as distâncias até todas as outras galáxias mostradas.
Para cada galáxia, a velocidade média com que ela se afasta de nossa galáxia é a variação da distância dividida pelo tempo. As velocidades de afastamento das galáxias verde e azul são:
vverde = (2 milhões de anos-luz - 1 milhão de anos-luz)/ 100 milhões de anos = 0,01 anos-luz/ano = 3000 km/s.
vazul = (4 milhões de anos-luz - 2 milhão de anos-luz)/ 100 milhões de anos = 0,02 anos-luz/ano = 6000 km/s.
Isso ilustra uma consequência direta da expansão cósmica: a velocidade de recessão é diretamente proporcional à distância: se a distância dobra, dobra a velocidade. Isso é o que a lei de Hubble mostrou: quanto mais distante está uma galáxia, mais rápido ela se afasta. A lei de Hubble é uma consequência da expansão do universo.
Uma coisa que a animação não mostra, mas que deve ser observado, é que não interessa qual galáxia seja escolhida como "nossa" (como referência), a animação seria exatamente a mesma, com todas as galáxias se afastando da galáxia de referência com velocidades proporcionais a suas distâncias. A expansão não tem centro, todas as distâncias aumentam pelo mesmo fator, e qualquer observador, em qualquer galáxia, vê a mesma expansão.
Nós não estamos no centro da expansão, pois a expansão não tem centro; qualquer observador, em qualquer qualquer lugar do umiverso, veria as demais galáxias se afastando. É importante lembrar que o universo não tem borda e o o universo não tem centro.
A expansão do universo constitui um dos pilares da cosmologia moderna.
Sugestão de texto para ler: A expansão do Universo e suas consequências cosmológicas.
Qual é a idade do universo? A matéria total do universo gera atração gravitacional, em que objetos atraem outros objetos (inclusive a luz, pela relatividade geral). Se a energia escura fosse nula, a atração gravitacional deveria diminuir a expansão, o que implicaria que no passado a expansão teria sido mais rápida. Neste caso, a idade do Universo pode ser calculada, no limite superior, assumindo que a quantidade de matéria é pequena e que, portanto, não teria reduzido a velocidade de expansão significativamente.
Podemos então estimar a idade máxima do universo, to, calculando o tempo que as galáxias distantes, movendo-se à mesma velocidade de hoje, levaram para chegar aonde estão, assumindo energia escura nula.
Como a lei de Hubble, que relaciona a velocidade de recessão das galáxias, v, com as distâncias a elas, d, é dada por
e a definição física de velocidade é
v=d/t = 1/t x d
Comparando as duas equações acima vemos que H0 tem a dimensão de 1/t.
Podemos então definir
onde t0 é o tempo passado desde a época em que as galáxias estavam todas juntas até a época atual. Podemos também pensar que é o tempo que as galáxias, teriam levado para chegar às distâncias que estão hoje se tivessem se movido o tempo todo com a velocidade que têm hoje. Em outras palavras, t0 é a idade do universo para uma taxa de expansão constante (H0). Portanto, medindo a constante de Hubble podemos estimar a idade do universo.
O valor mais atual da constante de Hubble é H0 = 71 km/s/Mpc
A idade do universo correspondente é:
t0 = 1/(71km/s / Mpc)
Como 1 Mpc = 3,09 x 1019 km e 1 ano = 3,15 x 107 s
logo t0 = 1/H = 1/(71km/s / Mpc) = 1/( 71 km/s / (3,09 x 1019 x 3,15 x x 107 s))
Temos portanto to = 1/H = 13,7 bilhões de anos
Levando-se em conta uma possível desaceleração causada pela atração gravitacional, a idade seria um pouco menor do que esse valor, pois se a expansão foi mais rápida no início, o universo teria chegado ao estado atual em menos tempo. Se, pelo contrário, o universo estiver acelerando pela presença deenergia escura, ele estava se expandindo mais lentamente no passado e,portanto, levou mais tempo para chegar ao estado atual. Ou seja, nesse caso sua idade é maior do que H0-1.