Galáxias – aquelas vastas colecções de estrelas que povoam o nosso universo – estão por todo o lado. Mas quantas galáxias existem no Universo? Contá-las parece ser uma tarefa impossível. Números inteiros é um problema – uma vez que a contagem chega aos bilhões, leva um tempo para fazer a adição. Outro problema é a limitação dos 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 distorções do ar da Terra.
Talvez o exemplo mais ressonante deste fato seja o Hubble eXtreme Deep Field (XDF), uma imagem feita pela combinação de 10 anos de fotografias do Telescópio Espacial Hubble. O telescópio viu um pequeno pedaço de céu em visitas repetidas por um total de 50 dias, de acordo com a NASA. Se você segurasse o polegar ao longo do braço para cobrir a lua, a área do XDF seria aproximadamente do tamanho da cabeça de um alfinete. Ao recolher luz fraca durante muitas horas de observação, o XDF revelou milhares de galáxias, tanto próximas como muito distantes, tornando-a a imagem mais profunda do universo jamais tirada naquele momento. Então, se esse pequeno ponto contém milhares, imagine quantas mais galáxias poderiam ser encontradas em outros pontos.
Embora as estimativas entre diferentes especialistas variem, uma faixa aceitável está entre 100 bilhões e 200 bilhões de galáxias, disse Mario Livio, um astrofísico do Instituto de Ciências Telescópicas Espaciais em Baltimore, Maryland. Quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado em 2020, espera-se que o observatório revele ainda mais informações sobre as primeiras galáxias no universo.
Ir a fundo
O melhor do conhecimento de Lívio, Hubble é o melhor instrumento disponível para a contagem e estimativa de galáxias. O telescópio, lançado em 1990, inicialmente tinha uma distorção em seu espelho principal que foi corrigida durante uma visita de vaivém em 1993. Hubble também passou por várias atualizações e visitas de serviço até a missão final do vaivém em maio de 2009.
Em 1995, astrônomos apontaram o telescópio para o que parecia ser uma região vazia da Ursa Maior, e coletaram observações no valor de 10 dias. O resultado foi uma estimativa de 3.000 galáxias fracas em um único quadro, indo até a 30ª magnitude. (Para comparação, a Estrela do Norte ou Polaris está aproximadamente na 2ª magnitude). Esta imagem composta foi chamada de Campo Profundo Hubble e era a mais distante que alguém tinha visto no universo na época.
Como o telescópio Hubble recebeu upgrades para seus instrumentos, os astrônomos repetiram a experiência 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 da constelação Fornax.
Em 2012, novamente usando instrumentos atualizados, os cientistas usaram o telescópio para olhar para uma porção do Ultra Deep Field. Mesmo neste campo de visão mais estreito, os astrônomos foram capazes de detectar cerca de 5.500 galáxias. Os pesquisadores chamaram isso de eXtreme Deep Field.
No total, Hubble revela uma estimativa de 100 bilhões de galáxias no universo, mas esse número provavelmente aumentará para cerca de 200 bilhões à medida que a tecnologia do telescópio no espaço melhorar, disse Lívio ao Space.com.
Contagem de estrelas
Qual quer que seja o instrumento utilizado, o método de estimar o número de galáxias é o mesmo. Você pega a porção de céu imitada pelo telescópio (neste caso, Hubble). Então – usando a proporção da lasca do céu para o universo inteiro – você pode determinar o número de galáxias no universo.
“Isto é assumindo que não há grande variação cósmica, que o universo é homogêneo”, disse Livio. “Temos boas razões para suspeitar que é 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 a fazer é que se você visse o conteúdo do universo com visão suficientemente pobre, ele pareceria aproximadamente o mesmo em todos os lugares e em todas as direções”, declarou a NASA. “Ou seja, a matéria no universo é homogênea e isotrópica, quando calculada em média em escalas muito grandes”. Isto é chamado de princípio cosmológico”
Um exemplo do princípio cosmológico em ação é o fundo cósmico de microondas, radiação que é um remanescente dos estágios iniciais do universo após o Big Bang. Usando instrumentos como a sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe da NASA, os astrônomos descobriram que a CMB é virtualmente idêntica para onde quer que se olhe.
O número de galáxias mudaria com o tempo?
As medições da expansão do universo – através da observação de galáxias correndo para longe de nós – mostram que ela tem cerca de 13,82 bilhões de anos de idade. No entanto, à medida que o Universo envelhece e cresce, as galáxias vão recuando cada vez mais para longe da Terra. Isto 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, ao invés de objetos viajando através do 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 Lívio, isto 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 nos alcançar”, disse Lívio. “Não significa que isso seja tudo o que existe no Universo. Portanto, a definição do universo observável”.”
Galáxias também mudam com o tempo. A Via Láctea está em rota de colisão com a vizinha Galáxia Andrómeda, e ambas irão fundir-se em cerca de 4 bilhões de anos. Mais tarde, outras galáxias do nosso Grupo Local – as galáxias mais próximas de nós – acabarão por se combinar. Residentes dessa futura galáxia teriam um universo muito mais escuro para observar, disse Lívio.
“Civilizações começaram então, não teriam nenhuma evidência 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 havia um Big Bang”.
E sobre outros universos?
Como o universo primitivo inflado, há algumas teorias que dizem que diferentes “bolsões” se partiram e formaram universos diferentes. Esses diferentes lugares poderiam estar se expandindo em diferentes taxas, incluir outros tipos de matéria, e ter leis físicas diferentes do nosso próprio universo.
Livio apontou que poderia haver galáxias nesses outros universos – se elas existem – mas não temos como saber com certeza agora. Então o número de galáxias poderia até ser maior que 200 bilhões, quando consideramos outros universos.
No nosso próprio cosmos, disse Livio, astrônomos serão mais capazes de refinar o número no lançamento do Telescópio Espacial James Webb (para o qual seu instituto irá gerenciar as operações da missão e da ciência). Hubble é capaz de se aproximar de galáxias que se formaram cerca de 450 milhões de anos após o Big Bang. Após o lançamento de James Webb em 2020, os astrônomos antecipam que eles podem olhar até 200 milhões de anos após o Big Bang.
“Os números não vão mudar muito”, acrescentou Livio, apontando as primeiras galáxias provavelmente formadas não muito antes disso. “Então um número como 200 bilhões é provavelmente para o nosso universo observável”
Contribuições do Webb
Embora seja interessante contar o número de galáxias no nosso universo, astrônomos estão mais interessados em como as galáxias revelam como o universo foi formado. De acordo com a NASA, galáxias são uma representação de como a matéria no Universo foi organizada – pelo menos, em grande escala. (Os cientistas também estão interessados em tipos de partículas e mecânica quântica, no lado pequeno do espectro). Como Webb pode olhar para os primeiros dias do Universo, suas informações ajudarão os cientistas a entender melhor as estruturas das galáxias ao nosso redor hoje.
“Estudando algumas das primeiras galáxias e comparando-as com as galáxias de hoje, podemos ser capazes de entender seu crescimento e evolução. Webb também permitirá aos cientistas reunir dados sobre os tipos de estrelas que existiam nessas galáxias muito antigas”, disse a NASA sobre a missão da Webb. “Observações de acompanhamento usando espectroscopia de centenas ou milhares de galáxias ajudarão os pesquisadores a entender como elementos mais pesados que o hidrogênio foram formados e construídos à medida que a formação da galáxia prosseguia através dos tempos. Estes estudos também revelarão detalhes sobre a fusão de galáxias e lançarão luz sobre o processo de formação de galáxias em si”
De acordo com a NASA, aqui estão algumas das perguntas chave que Webb responderá sobre galáxias:
- Como são formadas as galáxias?
- O que lhes dá suas formas?
- Como são distribuídos os elementos químicos através das galáxias?
- Como é que os buracos negros centrais nas galáxias influenciam as suas galáxias hospedeiras?
- O que acontece quando pequenas e grandes galáxias colidem ou se juntam?
Os cientistas também estão interessados no papel que a matéria negra desempenha na montagem de galáxias. Enquanto alguns do Universo são visíveis em formas como galáxias ou estrelas, a matéria escura é o que compõe a maior parte do Universo – cerca de 80 por cento dele. Enquanto a matéria escura é invisível em comprimentos de onda de luz ou através de emissões de energia, estudos de galáxias que datam dos anos 50 indicaram que havia muito mais massa presente nelas do que o que era visível a olho nu.
“Modelos de computador que os cientistas fizeram para entender a formação de galáxias indicam que galáxias são criadas quando a matéria escura se funde e se aglomera”, disse a NASA. “Pode ser pensado como o andaime do Universo”. A matéria visível que vemos se acumula dentro deste andaime sob a forma de estrelas e galáxias. A maneira como a matéria escura ‘tufos’ juntos é que pequenos objetos se formam primeiro, e são desenhados juntos para formar os maiores”
Os poderosos espelhos de Webb permitirão aos cientistas olhar a formação da galáxia – 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.