ARLA/CLUSTER: O Universo está em expansão… ou não?

[João Costa > CT1FBF]

Universo em expansão… ou não? por *Domingos Soares
<http://www.fisica.ufmg.br/~dsoares/>*

*20 de setembro de 2017*


Resumo

O Modelo Padrão da Cosmologia é caracterizado por uma singular propriedade:
o universo está se expandindo. Mostrarei que esta não é necessariamente uma
característica do universo real, ou em outras palavras, que a expansão do
universo real não foi definitivamente estabelecida.

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1. IntroduçãoQuando um astrônomo obtém um espectro da radiação emitida por
uma estrela, uma galáxia ou outro objeto celeste qualquer, ele observará
que a posição das linhas espectrais características dos elementos químicos
presentes no objeto observado não “caem� nas posições esperadas. O espectro
estará afetado por um fenômeno físico denominado *efeito Doppler*, nome
dado em homenagem ao físico austríaco Christian Andreas Doppler (1803-1853)
que o descobriu.

O desvio, ou deslocamento, Doppler é um efeito que ocorre quando uma fonte
de radiação e o observador se movem um em relação ao outro. O comprimento
de onda observado será diferente do comprimento de onda da radiação —
sonora ou eletromagnética — emitida.

O caso que nos interessa é o de uma fonte de radiação eletromagnética — uma
estrela ou uma galáxia — que se move com velocidade v, aproximando-se ou
afastando-se do observador. Neste caso, se a fonte emite uma radiação cujo
comprimento de onda medido em laboratório, i.e., com v=0, é λₒ, então o
observador detectará um comprimento de onda λ. Se a fonte estiver se
afastando (v>0), λ será *maior* do que λₒ, ou seja, λₒ estará desviado, ou
deslocado, na direção do vermelho, no caso de um espectro visível. Em caso
contrário (v<0, fonte se aproximando), λₒ será observado com um comprimento
de onda menor, portanto, desviado na direção do azul. O desvio espectral
relativo (λ - λₒ)/λₒ é dado por:

*Δλ/λₒ = v/c,*

onde Δλ = λ - λₒ, v é a velocidade da fonte e c é a velocidade da luz no
vácuo (v≪c). Em geral, especialmente em cosmologia, representa-se o desvio
Doppler relativo Δλ/λₒ pela letra z. O efeito Doppler pode ser então
escrito simplesmente como z = v/c, ou

*v = zc.*

Nas primeiras décadas do século XX as técnicas observacionais permitiram o
registro dos espectros de inúmeras galáxias. A maioria delas apresentava um
espectro com desvio para o vermelho. A figura abaixo mostra uma coleção
delas selecionadas por Edwin Hubble (1889-1953).



Desvios para o vermelho e distâncias para as galáxias mais
brilhantes de aglomerados. As setas brancas na parte central dos espectros
indicam os desvios para o vermelho das linhas de absorção H (396,8 nm) e
K (393,4 nm) do elemento atômico cálcio. (Observatório Palomar, Estados
Unidos, 1983).


A interpretação simplória destas observações é a de que o universo,
representado pelas galáxias, está se expandindo, pois a maioria das
galáxias apresenta um desvio para o vermelho (ver Soares 2014a para mais
detalhes).

Mas, por que isto pode não ser verdadeiro? Por que o desvio para o vermelho
de uma galáxia pode não indicar expansão? Porque, na verdade, o desvio para
o vermelho apresentado no espectro das galáxias *não é inteiramente devido
ao efeito Doppler*, como mostro na próxima seção.
2. Qualificando os desvios espectraisO desvio espectral apresentado na
radiação emitida por uma galáxia, ou outro objeto qualquer, tem pelo menos
três contribuições (mais detalhes em Soares 2012). As contribuições
possíveis, especificamente para o desvio para o vermelho z, são as
seguintes.


   • *desvio para o vermelho cosmológico:* presumivelmente causado, nas
   cosmologias relativistas, pela expansão do espaço cósmico, como
   estabelecido no Modelo Padrão da Cosmologia (MPC). Existem modelos
   relativistas em contração, e neste caso o desvio será para o azul; isto
   pode ocorrer, por exemplo, no modelo de Friedmann fechado.


   • *desvio para o vermelho Doppler:* causado pelos movimentos intrínsecos
   das galáxias. Ele pode ser um desvio para o azul também. Aqui, devem ser
   considerados os movimentos tanto do emissor da radiação quanto do detector
   (o observador). Os movimentos do observador também devem ser removidos para
   se chegar ao desvio Doppler intrínseco das galáxias.


   • *desvio para o vermelho gravitacional:* efeito relativista descoberto
   por Einstein, o qual ocorre quando a luz percorre um campo gravitacional
   variável, ou, na linguagem da Teoria da Relatividade Geral, um espaço-tempo
   curvo. Este é, em geral, o menor dos três. Ele pode ser um desvio para o
   azul também. A radiação sofre um desvio para o vermelho ao deixar a galáxia
   emissora e um desvio para o azul ao penetrar na Via Láctea e atingir o
   observador na Terra. Estes desvios são, em geral, desprezíveis frente aos
   outros dois.

Constitui uma tarefa complexa a separação dos três efeitos na luz
observada, e considerações a respeito dos detalhes físicos do problema
devem ser criteriosamente utilizadas. Para o universo local, a contaminação
pelos outros desvios é mais severa pois o desvio cosmológico é pequeno
(para o caso do MPC, ver a seção *Expansão do universo local* de Soares
2012).

De acordo com o MPC, o desvio para o vermelho cosmológico é interpretado
como sendo devido à expansão do espaço. Surge daí a ideia do universo em
expansão. Então, esta *é uma característica do MPC* e não do universo real.
Alternativamente o desvio cosmológico pode ser causado por um novo fenômeno
da natureza.

Se o MPC não for válido, como parece ser o caso dado as exigências de
matérias bariônica e não bariônica e energia escuras (ou seja,
desconhecidas, não detectadas) para a sua validação (ver Soares 2015), o z
cosmológico pode ser devido a outros mecanismos físicos como, por exemplo,
aqueles preconizados pelo *paradigma da luz cansada* (Soares 2014b).
3. ConclusãoO universo em expansão é uma combinação de uma teoria — o MPC —
e um conjunto de observações astronômicas — os desvios para o vermelho. A
expansão não é comprovada de forma *apenas* experimental. Um exemplo pode
esclarecer esta afirmação.

Considere o radar Doppler usado pela polícia de trânsito. O aparelho emite
uma onda eletromagnética na faixa de micro-ondas em direção a um carro que
se movimenta à distância. A onda ricocheteia no carro e volta ao aparelho
com uma frequência modificada pelo efeito Doppler, devido ao movimento do
carro. O aparelho então fornece a velocidade do carro. A obtenção desta
velocidade é o resultado, também, da combinação de teoria — efeito Doppler
— e observação — a detecção da onda refletida no carro. Só que aqui este
resultado pode ser conferido pela observação independente da velocidade do
carro. Em outras palavras, pode se realizar um experimento controlado, onde
se sabe a velocidade do carro e esta pode ser confrontada diretamente com a
velocidade obtida pelo radar. Sabemos então que o radar realmente mede a
velocidade inicialmente desconhecida de um carro e que esta medição é
confiável.

Semelhantemente, no caso das galáxias precisamos ter um método, um teste
independente para se confirmar a expansão. De fato, tais testes existem. O
mais usado é o *teste ou efeito de Tolman*, criado pelo físico-matemático e
cosmólogo estadunidense Richard Tolman (1881-1948), que foi, a propósito,
grande amigo e colaborador científico de Edwin Hubble.

Um objeto qualquer que ocupa uma área extensa no céu, como uma galáxia, é
caracterizado por uma grandeza denominada *brilho superficial*. Ela é dada
pela razão entre o fluxo luminoso emitido pelo objeto e a sua área aparente
no plano do céu. Estas duas propriedades podem ser medidas sem o
conhecimento da distância até o objeto. O teste de Tolman faz uma predição
específica para os modelos relativistas do MPC: os brilhos superficiais das
galáxias devem diminuir com (1 + z)4 (seção 2 de Soares 2006).

A aplicação do teste de Tolman tem sido até a atualidade inconclusiva: *não
se pode afirmar se o universo está ou não em expansão*. Rocha (2009)
discute o efeito de Tolman, no contexto geral das controvérsias existentes
no MPC, e Soares (2006) discute um caso específico de aplicação do teste de
Tolman.
ReferênciasG.R. Rocha, *Controvérsias Científicas – O caso do modelo padrão
da cosmologia* (Caderno de Física da UEFS v. 7, 65
<http://www.fisica.ufmg.br/~dsoares/ensino/GustavoCosmo-controversias-2009.pdf>,
2009).

D. Soares, *Sandage versus Hubble on the reality of the expanding universe*
 (www.fisica.ufmg.br/~dsoares/svsh/svsh.htm, 2006).

D. Soares, *Universo relativista: expansão no espaço ou do espaço?* (
www.fisica.ufmg.br/~dsoares/expn/expn.htm, 2012).

D. Soares, *UGE, Universo da Gominha Esticada* (Revista Brasileira de
Ensino de Física, v. 36, n. 4, 4301
<http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/364301.pdf>, 2014a)

D. Soares, *O paradigma da luz cansada* (
www.fisica.ufmg.br/~dsoares/ensino/luzcans/luzcans.htm, 2014b).

D. Soares, *Joel Primack e a imagética da escuridão *(
www.fisica.ufmg.br/~dsoares/wish/primack-img.htm, 2015).
-------------- próxima parte ----------
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