Como os astrônomos estimaram o número de galáxias no universo?

Crédito da imagem: ESA/Hubble & NASA, F. Pacaud, D. Coe

Galáxias são vastas coleções de estrelas que povoam nosso universo. Mas quantas galáxias existem? Contá-las parece uma tarefa impossível. Números absolutos são um problema, uma vez que a contagem chega aos bilhões, leva um tempo para fazer a adição. Outro problema é a limitação de nossos instrumentos. Para obter a melhor visão, um telescópio precisa ter uma grande abertura (o diâmetro do espelho principal ou lente) e estar localizado acima da atmosfera para evitar distorção do ar da Terra.

Talvez o exemplo mais ressonante desse fato seja o Hubble eXtreme Deep Field (XDF), uma imagem feita combinando 10 anos de fotografias do Telescópio Espacial Hubble. O telescópio observou um pequeno pedaço do céu em visitas repetidas por um total de 50 dias, de acordo com a NASA. Se você mantivesse o polegar no comprimento do braço para cobrir a lua, a área XDF seria do tamanho da cabeça de um alfinete. Ao coletar luz fraca ao longo de muitas horas de observação, o XDF revelou milhares de galáxias, tanto próximas quanto muito distantes, tornando-se a imagem mais profunda do universo já obtida naquela época. Então, se esse único pequeno ponto contém milhares, imagine quantas galáxias mais poderiam ser encontradas em outros pontos.

Embora as estimativas entre diferentes especialistas variem, um intervalo aceitável é entre 100 bilhões e 200 bilhões de galáxias, disse Mario Livio, astrofísico do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland. Espera -se que o Telescópio Espacial James Webb revele ainda mais informações sobre as primeiras galáxias do universo, de acordo com o The Astrophysical Journal.

INDO FUNDO

O Telescópio Espacial Hubble tem sido usado para estudar galáxias e seus números. Crédito da imagem: Getty Images

De acordo com Livio, o Telescópio Espacial Hubble tem sido bem-sucedido na contagem e estimativa de galáxias. O telescópio, lançado em 1990, teve inicialmente uma distorção em seu espelho principal que foi corrigida durante uma visita do ônibus espacial em 1993. O Hubble também passou por várias atualizações e visitas de serviço até a missão final do ônibus espacial em maio de 2009.

Em 1995, os astrônomos apontaram o telescópio para o que parecia ser uma região vazia da Ursa Maior e coletaram em 10 dias de observações. O resultado foi uma estimativa de 3.000 galáxias fracas em um único quadro, chegando até a magnitude 30, de acordo com a Weber State University. (Para comparação, a Estrela do Norte ou Polaris está em cerca de 2ª magnitude.) Essa composição de imagem foi chamada de Campo Profundo do Hubble e foi a mais distante que alguém olhou para o universo na época. 

À medida que o telescópio Hubble recebia atualizações em seus instrumentos, os astrônomos repetiram o experimento duas vezes. Em 2003 e 2004, os cientistas criaram o Hubble Ultra Deep Field, que em uma exposição de um milhão de segundos revelou cerca de 10.000 galáxias em um pequeno ponto na constelação de Fornax.

Em 2012, novamente usando instrumentos atualizados, os cientistas usaram o telescópio para observar uma parte do Campo Ultra Profundo. Mesmo neste campo de visão mais estreito, os astrônomos foram capazes de detectar cerca de 5.500 galáxias. Os pesquisadores apelidaram isso de eXtreme Deep Field.

Ao todo, o Hubble revelou cerca de 100 bilhões de galáxias no universo, mas esse número provavelmente aumentará para cerca de 200 bilhões à medida que a tecnologia dos telescópios no espaço melhorar, disse Livio.

CONTANDO ESTRELAS

O Telescópio Espacial Hubble capturou esta imagem das estrelas na galáxia NGC 5023. Crédito da imagem: ESA/NASA

Qualquer que seja o instrumento usado, o método para estimar o número de galáxias é o mesmo. Você pega a porção do céu fotografada pelo telescópio (neste caso, o Hubble). Então, usando a proporção da região do céu para todo o universo, você pode determinar o número de galáxias no universo.

"Isso está assumindo que não há grande variação cósmica, que o universo é homogêneo", disse Livio. "Temos boas razões para suspeitar que seja esse o caso. Esse é o princípio cosmológico."

O princípio remonta à teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Einstein disse que a gravidade é uma distorção do espaço e do tempo. Com esse entendimento em mãos, vários cientistas (incluindo Einstein) tentaram entender como a gravidade afetava todo o universo.

“A suposição mais simples de se fazer é que, se você visualizasse o conteúdo do universo com uma visão suficientemente ruim, ele pareceria aproximadamente o mesmo em todos os lugares e em todas as direções”, afirmou a NASA. "Ou seja, a matéria no universo é homogênea e isotrópica quando calculada em escalas muito grandes. Isso é chamado de princípio cosmológico."

Um exemplo do princípio cosmológico em ação é o fundo cósmico de micro-ondas (CMB), radiação que é um remanescente dos estágios iniciais do universo após o Big Bang. Usando instrumentos como o Wilkinson Microwave Anisotropy Probe da NASA, os astrônomos descobriram que o CMB é praticamente idêntico onde quer que se olhe.

O NÚMERO DE GALÁXIAS MUDARIA?

À medida que o universo se expande, as galáxias se afastam da Terra. Crédito da imagem: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

As medições da expansão do universo, através da observação de galáxias se afastando de nós, mostram que ele tem cerca de 13,82 bilhões de anos. À medida que o universo fica mais velho e maior, no entanto, as galáxias vão se afastando cada vez mais da Terra. Isso as tornará mais difíceis de ver em telescópios.

O universo está se expandindo mais rápido que a velocidade da luz (o que não viola o limite de velocidade de Einstein porque a expansão é do próprio universo, e não de objetos viajando pelo universo). Além disso, o universo está acelerando em sua expansão.

É aqui que entra em jogo o conceito de "universo observável", o universo que podemos ver. Em 1 trilhão a 2 trilhões de anos, disse Livio, isso significa que haverá galáxias que estão além do que podemos ver da Terra.

"Só podemos ver a luz de galáxias cuja luz teve tempo suficiente para chegar até nós", disse Livio. "Isso não significa que isso é tudo que existe no universo. Daí a definição do universo observável".

As galáxias também mudam com o tempo. A Via Láctea está em rota de colisão com a vizinha Galáxia de Andrômeda, e ambas se fundirão em cerca de 4 bilhões de anos. Mais tarde, outras galáxias em nosso Grupo Local, as galáxias mais próximas de nós, eventualmente se combinarão. Os moradores dessa futura galáxia teriam um universo muito mais escuro para observar, disse Livio.

“As civilizações começaram então, elas não teriam evidências de que havia um universo com 100 bilhões de galáxias”, disse ele. "Eles não veriam a expansão. Eles provavelmente não seriam capazes de dizer que houve um Big Bang."

E OS OUTROS UNIVERSOS?

Os cientistas especulam que nosso universo não seja o único. Crédito da imagem: Getty Images

À medida que o universo primitivo se inflava, existem algumas teorias que dizem que diferentes “bolsões” se separaram e formaram universos diferentes. Esses lugares diferentes podem estar se expandindo em taxas diferentes, incluir outros tipos de matéria e ter leis físicas diferentes do nosso próprio universo.

Livio apontou que poderia haver galáxias nesses outros universos, se existirem, mas não temos como saber com certeza agora. Assim, o número de galáxias pode até ser superior a 200 bilhões, considerando outros universos.

Em nosso próprio cosmos, disse Livio, os astrônomos serão mais capazes de refinar o número com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb (para o qual seu instituto gerenciará as operações da missão e a ciência). O Hubble é capaz de observar galáxias que se formaram cerca de 450 milhões de anos após o Big Bang. Usando o telescópio James Webb, os astrônomos antecipam que podem olhar até 200 milhões de anos após o Big Bang.

"Os números não vão mudar muito", acrescentou Livio, apontando que as primeiras galáxias provavelmente se formaram não muito antes disso. "Então, um número como 200 bilhões [galáxias] é provavelmente para o nosso universo observável."

CONTRIBUIÇÕES DO WEBB

Embora seja interessante contar o número de galáxias em nosso universo, os astrônomos estão mais interessados em como as galáxias revelam como o universo foi formado. Segundo a NASA, as galáxias são uma representação de como a matéria do universo foi organizado, pelo menos, em larga escala. (Os cientistas também estão interessados em tipos de partículas e mecânica quântica, no lado pequeno do espectro.) Como o Webb pode olhar para os primórdios do universo, suas informações ajudarão os cientistas a entender melhor as estruturas das galáxias ao nosso redor hoje.

O Telescópio Espacial James Webb foi lançado em 25 de dezembro de 2021. Crédito da imagem: Getty Images

"Ao estudar algumas das galáxias mais antigas e compará-las com as galáxias de hoje, podemos entender seu crescimento e evolução. O Webb também permitirá que os cientistas coletem dados sobre os tipos de estrelas que existiam nessas galáxias muito antigas", NASA disse sobre a missão de Webb. 

"Observações de acompanhamento usando espectroscopia de centenas ou milhares de galáxias ajudarão os pesquisadores a entender como os elementos mais pesados que o hidrogênio se formaram e se acumularam à medida que a formação das galáxias prosseguiu ao longo dos tempos. Esses estudos também revelarão detalhes sobre a fusão de galáxias e esclarecerão o processo da própria formação de galáxias."

De acordo com a NASA, aqui estão algumas das principais perguntas que o Webb responderá sobre galáxias:

• Como as galáxias são formadas?
• O que lhes dá suas formas?
• Como os elementos químicos são distribuídos pelas galáxias?
• Como os buracos negros centrais nas galáxias influenciam suas galáxias hospedeiras?
• O que acontece quando galáxias pequenas e grandes colidem ou se unem?

Os cientistas também estão interessados no papel que a matéria escura desempenha na montagem das galáxias. Enquanto parte do universo é visível em formas como galáxias ou estrelas, a matéria escura é o que compõe a maior parte do universo, cerca de 80% dele. Embora a matéria escura seja invisível em comprimentos de onda de luz ou através de emissões de energia, estudos de galáxias que datam da década de 1950 indicavam que havia muito mais massa presente nelas do que era visível a olho nu.

"Modelos de computador que os cientistas fizeram para entender a formação de galáxias indicam que as galáxias são criadas quando a matéria escura se funde e se aglomera", disse a NASA. 

"Ela [matéria escura] pode ser pensada como o andaime do universo. A matéria visível que vemos se acumula nesse andaime na forma de estrelas e galáxias. A forma como a matéria escura 'agrupa' é que pequenos objetos se formam primeiro, e são atraídos para formar outros maiores."

Os poderosos espelhos do Webb permitirão aos cientistas observar a formação de galáxias, incluindo o papel da matéria escura, de perto. Embora esta investigação não responda diretamente quantas galáxias existem no universo, ela ajuda os cientistas a entender melhor os processos por trás das galáxias que vemos, o que, por sua vez, informa melhor os modelos sobre as populações galácticas.

RECURSOS ADICIONAIS

Você pode ver milhares de galáxias, tiradas em uma fotografia, nesta imagem tirada pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA. Para ler mais sobre os diferentes tipos de galáxias, visite o site Hubble da NASA.

BIBLIOGRAFIA

• "Oásis no escuro: galáxias como sondas do Cosmos". Astrofísica e Astronomia Comuns (2007). http://sciencejedi.com/professional/talks/ynp_galaxies.pdf
• "Contagens de número de galáxias - V. Contagens ultraprofundas: os campos profundos de Herschel e Hubble". Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, Volume 323, Edição 4 (2001). https://academic.oup.com/mnras/article/323/4/795/1102609?login=true
• "Encontrando galáxias de alto redshift com JWST". The Astrophysical Journal (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac2a2f/meta

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Referência: 

HOWELL, Elizabeth; HARVEY, Ailsa. How many galaxies are there? Space, 01, fev. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/25303-how-many-galaxies-are-in-the-universe.html>. Acesso em: 02, fev. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.