Capítulo 4: As galáxias estão se afastando

Noite 31: Capturando uma nave de carga

No trigésimo primeiro dia da sua estadia, Noor capturou uma nave espacial com um braço robótico. A nave de carga tinha sido lançada dois dias antes e passara esse tempo reduzindo devagar a distância até a estação, acionando seus pequenos motores repetidas vezes sob a atenção cuidadosa das equipes em solo. À tarde, já estava perto o bastante para ser vista pelas janelas: um cilindro branco com largos painéis solares, movendo-se quase exatamente tão depressa quanto a estação, de modo que parecia pendurado, parado, no céu negro acima da Terra brilhante.

Noor se sentou no posto de robótica, uma mesinha com telas e dois controles manuais, um para cada mão. Tomás se sentou ao lado dela, lendo a lista de verificação em voz alta. A nave de carga parou a cerca de dez metros e ficou esperando. Em solo, as equipes confirmaram que estava tudo pronto. Então Noor moveu o longo braço para a frente, bem devagar. Uma mão controlava a direção, a outra o giro da ponta do braço. Na tela, ela via a imagem de uma câmera na ponta do braço, com um pequeno encaixe na nave de carga ficando cada vez maior.

O trabalho exigia mãos calmas e respiração tranquila. Tanto a estação quanto a nave de carga viajavam a cerca de 28.000 quilômetros por hora em volta da Terra, mas, uma em relação à outra, estavam quase paradas, como dois carros andando lado a lado numa rodovia. Quando o encaixe ficou no centro da tela, Noor apertou o gatilho. A ponta do braço se fechou em volta do encaixe com uma pegada suave e firme. “Captura”, disse ela. Em solo, alguém começou a aplaudir.

O resto do dia foi dedicado a conectar a nave de carga à estação e a verificar se a escotilha podia ser aberta com segurança. Quando ela finalmente se abriu, a primeira coisa que Noor notou foi o cheiro. Cheirava a plástico novo, a embalagem e, de leve, a maçã. Em algum lugar entre os sacos de equipamento, peças de reposição, roupas e comida, as equipes em solo tinham guardado uma caixinha de frutas frescas. Naquela noite, a tripulação dividiu maçãs perto da janela grande, segurando-as com cuidado para que nenhuma gota de suco escapasse.

Mais cedo, olhando a nave de carga pela janela, Noor tinha pensado em como é difícil saber se um objeto distante está vindo na sua direção ou se afastando. De perto, a câmera do braço robótico facilitava tudo. Mas como alguém poderia saber como uma galáxia está se movendo, se ela está a milhões de anos-luz e parece uma mancha parada numa fotografia? Essa era a história desta noite, e ela começava com um arco-íris.

A luz tem impressões digitais

Quando a luz do Sol atravessa um prisma de vidro, ou gotas de chuva, ela se abre numa faixa de cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta. Essa faixa se chama espectro. Cada cor nela é luz com um comprimento de onda um pouco diferente, o que quer dizer que as suas ondas estão espaçadas a distâncias um pouco diferentes. A luz vermelha tem ondas mais longas. A luz azul e a violeta têm ondas mais curtas. O espectro é simplesmente a luz organizada pelo comprimento das suas ondas, como uma pilha de cartas separadas por tamanho.

No século XIX, os cientistas descobriram que, ao abrir a luz com cuidado usando um bom instrumento, o espectro não era liso. Ele era atravessado por linhas escuras e finas, como os espaços de um código de barras. Logo aprenderam o que as linhas significavam. Cada tipo de átomo, como o hidrogênio, o sódio ou o ferro, absorve e emite luz apenas em certos comprimentos de onda exatos. Quando a luz atravessa um gás, os átomos desse gás retiram os seus comprimentos de onda próprios e deixam linhas escuras exatamente nesses lugares.

Talvez você já tenha visto um exemplo simples dessas impressões digitais sem saber. Alguns postes de luz mais antigos brilham com uma luz amarelo-alaranjada intensa. Eles são cheios de um gás que contém sódio, e os átomos de sódio, quando são levados a brilhar, emitem luz principalmente num comprimento de onda amarelo específico. Se você olhasse a luz de um poste desses através de um bom prisma, quase não veria arco-íris nenhum, só uma linha amarela brilhante. Cada tipo de átomo tem o seu próprio conjunto de linhas assim, tão pessoal quanto uma assinatura. Um gás quente as mostra como linhas brilhantes, e um gás mais frio diante de uma fonte brilhante as mostra como linhas escuras nos mesmos lugares.

Foi uma descoberta maravilhosa, porque queria dizer que a luz carrega impressões digitais. Olhando o padrão de linhas na luz de uma estrela, os astrônomos conseguiam dizer que tipos de átomos estavam presentes nela, sem nunca ir até lá. O padrão do hidrogênio é sempre o mesmo, venha a luz de uma lâmpada num laboratório ou de uma estrela do outro lado da galáxia. Os astrônomos aprenderam a reconhecer esses padrões com a mesma facilidade com que você reconhece a letra de um amigo.

Mas os astrônomos logo notaram outra coisa. Na luz de algumas estrelas e nebulosas, os padrões de linhas conhecidos estavam todos lá, mas não exatamente nos lugares certos. O padrão inteiro estava um pouco deslocado, ou para a ponta vermelha do espectro, ou para a ponta azul. A impressão digital era a mesma, mas tinha escorregado ao longo da faixa de cores. Esse pequeno deslocamento acabou trazendo uma mensagem enorme.

Uma sirene que passa

Você já ouviu algo parecido com esse deslocamento muitas vezes, com som em vez de luz. Pense numa ambulância passando por você na rua com a sirene ligada. Quando ela vem na sua direção, a sirene soa mais aguda. Quando passa e se afasta, o som de repente fica mais grave. A sirene em si não mudou. O motorista não mexeu em nenhum botão. O que muda é o espaçamento das ondas sonoras quando chegam aos seus ouvidos.

Quando a ambulância se move na sua direção, cada nova onda sonora começa um pouco mais perto de você do que a anterior, e por isso as ondas chegam amontoadas. Ondas amontoadas soam mais agudas. Quando a ambulância se afasta, cada nova onda começa um pouco mais longe, e as ondas chegam esticadas. Ondas esticadas soam mais graves. Quanto mais depressa a ambulância anda, maior a mudança. Um ouvido treinado, ou um bom instrumento, conseguiria até dizer a velocidade dela só pela mudança no tom.

A luz se comporta de um jeito parecido. Quando uma fonte de luz se move na nossa direção, as ondas dela chegam um pouco amontoadas, e a luz se desloca levemente para a ponta azul do espectro. Quando uma fonte se afasta de nós, as ondas chegam esticadas, e a luz se desloca para a ponta vermelha. O deslocamento para o vermelho se chama desvio para o vermelho. Quanto maior o desvio para o vermelho, mais depressa a fonte está se afastando. As linhas escuras do espectro permitem medir isso com precisão, porque os astrônomos sabem exatamente onde cada linha deveria estar quando a fonte não está se movendo.

No caso das galáxias, como veremos daqui a pouco, o esticamento da luz vem principalmente do esticamento do próprio espaço, e não só de galáxias correndo pelo espaço como ambulâncias. Mas a sirene é um bom jeito de começar. O ponto importante é simples: olhando o quanto a impressão digital escorregou, os astrônomos conseguem dizer se uma galáxia distante está vindo na nossa direção ou se afastando e, mais ou menos, com que velocidade.

Esses deslocamentos costumam ser minúsculos. Para as estrelas da nossa própria galáxia, que se movem a velocidades de dezenas de quilômetros por segundo em relação ao Sol, as linhas andam só uma distância muito pequena ao longo do espectro, e medi-las exige bons instrumentos e muito cuidado. Os astrônomos usam o mesmo método para encontrar planetas em volta de outras estrelas, medindo o pequeno vaivém que a atração de um planeta provoca na sua estrela. Para galáxias distantes, como Slipher estava prestes a descobrir, os deslocamentos podem ser bem maiores.

As pessoas que perceberam

A primeira pessoa a medir os movimentos das nebulosas espirais foi Vesto Slipher, que começou esse trabalho em 1912 num observatório com um bom telescópio e uma atitude muito paciente. A luz de uma nebulosa espiral é fraca, e abri-la num espectro a deixa ainda mais fraca. Às vezes Slipher precisava manter uma única chapa fotográfica exposta durante várias noites, somando a luz fraca pouco a pouco, para obter um espectro aproveitável.

A primeira medição dele, da nebulosa de Andrômeda, mostrou um desvio para o azul: Andrômeda está vindo na nossa direção. Mas, à medida que media mais e mais nebulosas espirais ao longo da década de 1910, ele descobriu que a maioria delas mostrava desvios para o vermelho, e algumas se afastavam a centenas de quilômetros por segundo. Isso era muito estranho. Se as nebulosas espirais eram pequenas nuvens dentro da nossa galáxia, por que a maioria delas estava se afastando às pressas? Naquela época, ninguém sabia ainda que elas eram galáxias separadas, e ninguém tinha uma boa explicação.

Enquanto isso, a teoria necessária para explicá-las já estava à espera. Em 1915, Albert Einstein tinha publicado a sua teoria da relatividade geral, uma nova descrição da gravidade em que o espaço e o tempo podem se curvar e se esticar. Em 1917, ele a aplicou ao universo como um todo. Como quase todo mundo na época, ele acreditava que o universo era parado, sem crescer nem encolher. As equações dele não davam naturalmente um universo parado, então ele acrescentou um termo extra a elas para mantê-lo imóvel.

Outros olharam para as mesmas equações e viram algo diferente. Em 1922, um matemático e físico chamado Alexander Friedmann mostrou que as equações permitiam um universo que cresce ou encolhe com o tempo. Em 1927, um padre que ensinava física, Georges Lemaître, chegou ao mesmo tipo de solução por conta própria. Ele foi além: relacionou essa solução com os desvios para o vermelho medidos nas galáxias e sugeriu que o universo está se expandindo. O artigo dele saiu numa revista que poucos astrônomos liam e, no começo, recebeu pouca atenção.

Então, em 1929, Edwin Hubble, que já tinha mostrado que as nebulosas espirais eram galáxias, comparou as distâncias delas com os seus desvios para o vermelho. Encontrou um padrão claro. Quanto mais distante está uma galáxia, mais depressa ela se afasta de nós. Uma galáxia duas vezes mais distante se afasta cerca de duas vezes mais depressa. Hoje, os astrônomos costumam chamar essa regra de lei de Hubble-Lemaître, para reconhecer os dois homens. Depois que a expansão do universo foi aceita, Einstein abandonou o termo extra que tinha acrescentado para manter o universo parado.

Os números de Hubble não eram perfeitos. Como as distâncias que ele usou eram pequenas demais, o valor dele para a velocidade da expansão saiu várias vezes grande demais, e foram necessárias décadas de trabalho de muitos astrônomos para corrigi-lo. Mas o padrão em si, mais distância e mais velocidade juntas, foi confirmado repetidas vezes com instrumentos melhores. Isso é comum na ciência. A primeira medição mostra que algo existe, e medições posteriores, muitas vezes feitas por outras pessoas, mostram exatamente quanto. Numa noite mais adiante, veremos que o termo extra de Einstein voltou muitos anos depois, num papel novo e surpreendente.

Pão crescendo no forno

O que significa as galáxias mais distantes se afastarem mais depressa? A imagem mais simples é uma que os padeiros conhecem bem. Imagine uma bola de massa de pão com uvas-passas misturadas por toda parte. Enquanto a massa cresce num lugar quente, cada parte dela incha. Cada passa se afasta de todas as outras. Nenhuma passa está empurrando as outras. Elas estão simplesmente sendo levadas para longe umas das outras pela massa entre elas, à medida que a massa cresce.

Agora escolha uma passa qualquer e imagine que você está de pé em cima dela. Enquanto a massa cresce, as passas perto de você se afastam devagar, porque há só um pouco de massa entre você e elas. As passas longe de você se afastam muito mais depressa, porque há muita massa entre vocês, e toda ela está inchando ao mesmo tempo. Esse é exatamente o padrão que Hubble encontrou. E não importa qual passa você escolha. De cada passa, todas as outras parecem se afastar, e as mais distantes mais depressa.

No universo, a massa é o próprio espaço. As galáxias, ou melhor, os grupos de galáxias, são as passas. Elas não estão voando pelo espaço para longe de um ponto central. Em vez disso, o espaço entre elas está se esticando, e por isso as distâncias entre elas aumentam. E, enquanto a luz viaja por um espaço que se estica, as ondas dela também se esticam. Esse é o principal motivo pelo qual a luz das galáxias distantes chega com um desvio para o vermelho. Quanto mais tempo a luz viajou pelo espaço que se estica, mais as suas ondas foram puxadas em direção ao vermelho.

Toda imagem tem os seus limites, e a do pão também. Uma bola de massa tem uma borda e um centro, e fica dentro de um forno maior. Até onde sabemos, o universo não tem borda nem centro, e não está se expandindo para dentro de nada que fique do lado de fora. Por isso, a imagem das passas serve melhor para uma única ideia: tudo se afastando de tudo, com as coisas mais distantes se afastando mais depressa. Para essa ideia, ela funciona lindamente.

Há mais uma coisa que o pão pode mostrar. Se você pudesse acompanhar a massa crescendo a partir de uma passa, poderia medir a velocidade com que as suas vizinhas se afastam e a que distância elas estão. Com esses dois números, poderia calcular há quanto tempo todas as passas estavam espremidas numa bola pequena e apertada, antes de a massa começar a crescer. Os astrônomos fizeram exatamente isso com as galáxias. A velocidade da expansão e as distâncias das galáxias, juntas, dão uma idade aproximada para o universo. O valor moderno cuidadoso, que usa também muitas outras pistas, é de cerca de 13,8 bilhões de anos.

Essa descoberta mudou por completo a pergunta sobre o começo. Se as galáxias estão se afastando agora, então ontem elas estavam um pouco mais próximas, no ano passado mais próximas ainda e, há muito tempo, muito mais próximas. Um universo que cresce é um universo com uma história. Pela primeira vez, a pergunta “Como tudo começou?” não era só uma pergunta para histórias e para a filosofia. Tinha se tornado uma pergunta que podia ser estudada com telescópios e medições.

Uma mensagem para Sami

Depois das maçãs, Noor escreveu para o irmão. “Hoje capturei uma nave de carga com um braço robótico. A história desta noite: a luz das galáxias distantes chega esticada para o vermelho, como uma sirene que fica mais grave quando a ambulância se afasta. Quanto mais distante a galáxia, mais esticada a luz. O próprio espaço está se esticando, como um pão com passas crescendo. Aliás, tinha fruta fresca na carga. Pensei em você.”

A resposta de Sami chegou depois do turno. “Ouço sirenes toda noite”, escreveu ele. “Nunca mais vou ouvi-las do mesmo jeito.” Acrescentou que uma das pessoas para quem ele fazia entregas, uma padeira idosa que começava a trabalhar às quatro da manhã, tinha dado risada quando ele contou sobre o pão com passas. Ela dissera que fazia modelos do universo havia quarenta anos sem saber.

Noor riu quando leu a mensagem e a leu em voz alta para Tomás e Ade no café da manhã. Tomás disse que as melhores explicações sempre pareciam vir de pessoas que trabalham com as mãos. Ade disse que queria a opinião da padeira sobre a história da noite seguinte, que era sobre passar o filme inteiro do universo de trás para a frente.

Talvez esta noite, se ouvir um carro ou um trem passando, você possa prestar atenção à mudança no som quando ele deixa de vir e começa a ir embora. É uma coisinha do dia a dia. Mas a mesma ideia, aplicada com grande cuidado à luz das galáxias distantes, mostrou que vivemos num universo que cresce e que ele deve ter sido, um dia, muito diferente.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que, se todas as galáxias estão se afastando de nós, então devemos estar no centro do universo. Daqui, certamente parece ser assim. Mas lembre-se das passas. De cada passa na massa que cresce, todas as outras passas parecem se afastar. Uma astrônoma que vivesse numa galáxia a bilhões de anos-luz de nós veria exatamente a mesma coisa: todas as galáxias distantes se afastando dela, as mais distantes mais depressa. Não existe um centro especial. Cada lugar se vê como o meio, e nenhum deles é.

Outra crença comum é que as galáxias estão voando pelo espaço para longe de um ponto, como pedaços de uma explosão. Essa imagem é muito natural, mas não é a melhor descrição. As galáxias de fato se movem um pouco pelo espaço, puxadas pelas vizinhas. Mas o principal motivo pelo qual as distâncias aumentam é que o próprio espaço está se esticando entre elas. É também por isso que não existe um ponto no espaço onde a expansão começou. O esticamento está acontecendo em toda parte ao mesmo tempo, e é assim desde o começo.

Algumas pessoas se perguntam se tudo está se expandindo, inclusive a Terra, a estação e o próprio corpo delas. Se o espaço está se esticando, nós também estamos? A resposta é não. O esticamento só importa nas enormes distâncias vazias entre grupos de galáxias. Dentro de um átomo, de uma pessoa, de um planeta, de um sistema solar ou de uma galáxia, as forças que mantêm as coisas unidas são muito mais fortes do que o esticamento suave do espaço, e por isso essas coisas mantêm o seu tamanho. O seu corpo, a mesa da sua cozinha e o braço robótico de Noor não estão crescendo. E nem toda galáxia se afasta de nós. A nossa vizinha próxima, Andrômeda, está vindo na nossa direção, puxada pela gravidade, exatamente como Slipher descobriu na sua primeiríssima medição. A expansão é um padrão do universo na maior das escalas, não uma regra para cada objeto dentro dele. Na próxima noite, vamos seguir esse padrão de volta no tempo e ver aonde ele nos leva.