Desafio: meça o universo inteiro sem usar régua

Basta uma régua para medirmos objetos do nosso cotidiano. Porém, quando algo é pequeno demais, precisamos de equipamentos especiais, como microscópios eletrônicos e uma nova escala de medida, para calcularmos o comprimento de uma célula ou vírus, por exemplo. Mas e quando o objeto a ser medido é imensamente grande?

E atenção: grande aqui é algo muito maior do que o Taipei 101, terceiro prédio mais alto do mundo. Estamos falando de algo tão grande que chega a ser difícil de conceber até mesmo na imaginação. Estamos falando do tamanho e das distâncias do nosso universo. “Nosso” porque, possivelmente, há mais de um.

Infelizmente, não temos uma régua capaz de medir algo que esteja a anos-luz daqui, ou seja, está tão longe que, se viajássemos na velocidade da luz, levaríamos anos para chegar até o nosso objeto de estudo. Por isso, cientistas contornam essa dificuldade ao usar conceitos físicos e matemáticos bem consolidados.

Paralaxe: quão longe estão as estrelas?

Como explicado no vídeo acima, a paralaxe é uma das formas usadas por alguém que deseje medir a distância de um astro aqui da Terra. Para entender melhor o conceito por trás desse método, há um exemplo muito didático, apresentado no filme produzido pelo Observatório Real de Greenwitch.

Quando você viaja de carro, pode ver que as árvores e tudo o que está próximo à rodovia passa rapidamente por você, porém, o que está mais distante, como uma longínqua montanha na linha do horizonte, quase não se mexe.  Isso acontece por causa de um efeito conhecido como paralaxe e, felizmente, podemos fazer uso dele para estimar distâncias.

Com um pouco de trigonometria é possível estimar a distância de objetos (Fonte da imagem: Reprodução/Vimeo)

Imagine, então, que você queira descobrir a quantos metros uma árvore está do seu carro. Primeiro, é necessário tirar uma foto da árvore, com a montanha ao fundo. Depois, seguindo à frente pela rodovia, capturar outra imagem similar da mesma árvore e montanha, mas de uma posição diferente.

Depois, com a ajuda da matemática, mais especificamente da trigonometria, é possível calcular a diferença da posição aparente da árvore nas duas imagens e, com base nisso, encontrar a distância do fotógrafo até a árvore.

A mesma técnica pode ser usada para calcular a distância de nós até as estrelas mais próximas, com a diferença de que, em vez de andarmos por uma estrada para obter a segunda imagem, usamos o movimento da Terra em torno do Sol. Assim, seis meses depois, ao observar a mesma estrela, é possível perceber que ela “se moveu” em relação às estrelas mais distantes.

Velas-padrão: distância calculada pela luminosidade

Velas-padrão podem ajudar a calcular a distância de estrelas mais distantes (Fonte da imagem: Reprodução/Vimeo)

Mas como dissemos antes, há estrelas que, de tão distantes, não possuem diferentes posições aparentes. Nesse caso, a paralaxe não ajuda. Mas felizmente há outra forma de estimar essa distância e, para deixar tudo mais claro, vamos a outro exemplo didático.

Imagine que você está em um parque e vê um poste de luz. Pois bem, à medida que você se afasta, a luz começa a ficar mais fraca e, quando se aproxima, mais brilhante. O interessante é que, ao ter ciência da luminosidade da lâmpada — digamos, 40 W —, é possível estimar a distância do foco de luz até o observador.

Entretanto, há lâmpadas que podem parecer muito brilhantes quando estão longe e nem tão fortes assim quando estão mais próximas. Esses objetos com luminosidade conhecida são chamados de “velas-padrão” e apenas eles é que podem ser usados para estimar distâncias.

No universo, há diversos corpos que podem ser usados como velas-padrão. Um exemplo são as estrelas cefeídas, supergigantes amarelas que aumentam e diminuem seus brilhos em um período regular de tempo. Com base nessa luminosidade, é possível calcularmos a distância da Terra até elas e até mesmo da galáxia em que elas se encontram.

Desvio para o vermelho: medindo os confins do universo

Efeito Doppler pode ser percebido nas sirenes de carros de bombeiro (Fonte da imagem: Reprodução/Vimeo)

Apesar de prático, o método das velas-padrão também possui limitações. É possível, por exemplo, que o objeto a ter sua distância medida esteja sendo bloqueado por outro corpo celeste e seja impossível a observação de sua luminosidade. Além disso, pode ser que ainda não existam velas-padrão para a galáxia que dever ser medida. Nesses casos, um terceiro método pode ser empregado.

O Efeito Doppler deve ter ficado muito popular quando foi o motivo da fantasia usada por Sheldon em um episódio da primeira temporada de The Big Bang Theory.  Para quem não conhece, esse é o efeito responsável pela distorção que acontece com o som das sirenes de carros de bombeiro e polícia ao passar por alguém.

Isso acontece porque os topos da onda sonora emitida pelo veículo estão mais próximos na frente dele do que na parte de trás do carro e isso influi, diretamente, na frequência da sirene: quando o veículo está se aproximando, o som é mais agudo e, ao se distanciar, passa a ser mais grave.

O curioso é que esse efeito também atinge objetos luminosos em movimento, com a diferença de que as ondas mais curtas, em vez de agudas, se tornam azuis, enquanto que as mais longas, em vez de graves, se tornam vermelhas. Com base nesse desvio para o azul ou para o vermelho, é possível estudarmos o movimento de corpos celestes no espaço.

Quanto mais vermelhas, mais distantes

Algo semelhante ao Efeito Doppler acontece com a luz (Fonte da imagem: Reprodução/Vimeo)

Assim, ao observar galáxias que possuem velas-padrão, astrônomos descobriram que elas também possuem um desvio para o vermelho e que, quanto mais distante está uma galáxia, maior será esse desvio.

Hoje, sabemos que isso acontece porque o nosso universo está se expandindo, ou seja, por mais que aparentem estar paradas, essas galáxias estão se movimentando para cada vez mais longe de nós. Mas não é só por isso que percebemos esse desvio de vermelho.

A verdade é que o espaço entre essas galáxias e o nosso planeta está se esticando, assim como as ondas de luz que chegam até nós. Portanto, basta analisar o quão intenso é esse desvio para o vermelho para calcularmos a distância do corpo celeste até nós.

Curiosamente, todos esses métodos de medição estão relacionados. É só porque conhecemos o tamanho do nosso Sistema Solar e a distância da Terra até o Sol que podemos, por exemplo, medir a distância de estrelas via paralaxe.

E se conhecemos a distância de velas-padrão por meio da paralaxe, podemos usá-las para medir estrelas ainda mais distantes, comparando essas velas. E, finalmente, ao usar as velas-padrão para estudar o movimento de galáxias, podemos, então, calcular uma medida com base no desvio para o vermelho. Interessante, não?

Fonte: Royal Observatory Greenwich/Vimeo