Astronomia e Física 4 de maio de 2022, 12:14 04/05/2022

Como medimos as distâncias até outras galáxias

Autores

Jovens revisores

Resumo

A medição das distâncias até outras galáxias é uma parte importante de nossa capacidade de entender como o universo funciona.
Os astrônomos podem usar as chamadas flutuações de luminosidade superficial (FLS), bem como a cor de uma galáxia, para calcular a que distância ela está da Terra. Muitas galáxias medidas dessa maneira estão a milhões de anos-luz daqui.

O espaço é grande

Em seu livro Guia do Mochileiro da Galáxia[1], Douglas Adams diz: “O espaço é grande. O espaço é realmente grande! Você não acreditaria como ele é vasto, imenso, espantoso!”.

E Douglas não está brincando! Faça de conta que você está numa rodovia da Alemanha, numa Ferrari, correndo a 300 km/h. Se não precisasse parar, poderia dar a volta à Terra em cerca de 133h, ou cinco dias e meio. Agora imagine que sua Ferrari pudesse de repente voar até o Sol. Para chegar lá, teria de gastar um tempo 4.000 vezes maior do que para dar a volta à Terra! Ou seja, mais ou menos 22.000 dias dentro da Ferrari! A estrela que está mais próxima de nós, com exceção do Sol, chama-se Alfa Centauro. Chegar até lá seria como fazer uma viagem até o Sol quase 300.000 vezes! A galáxia mais próxima, Andrômeda, está 600.000 vezes mais distante do que Alfa Centauro! As galáxias mais longínquas que medi estão 100 vezes mais distantes do que Andrômeda – e, para chegar ao fim do universo visível, você teria de ir 150 vezes mais longe! Seja como for, se você quiser chegar ao fim do universo visível, ou a qualquer região distante do espaço, seria preciso muito, muito tempo.

O espaço é medido em parsecs

Como o universo é muito grande, a maioria dos astrônomos não gosta de medir as distâncias em milhas ou quilômetros. Eles preferem usar uma unidade de medida chamada parsec. Lembra-se de Alfa Centauro, a estrela mais próxima? Está a 1.347 parsecs ou 41.560.000.000.000 (41.560 trilhões) de quilômetros da Terra. Gosto das parsecs porque, para mim, são mais fáceis de usar e entender em comparação com a quantidade de zeros que existem quando usamos quilômetros.

Galáxias rarefeitas

Tudo bem que o espaço seja tão grande, ou pelo menos é o que penso. Mas como sabemos qual é o seu tamanho? Há várias maneiras de medir objetos no espaço, mas eu costumo medir distâncias de galáxias usando um método especial chamado “flutuações de luminosidade superficial” (FLS). Para entender como funciona, olhe bem para a tela do celular ou do computador onde está lendo este texto agora. Se a tela estiver bem perto de seus olhos, você conseguirá ver nela os pixels, as luzes minúsculas que formam a imagem à sua frente. Agora, afaste-se até não conseguir mais enxergar os pixels.

Você enxerga pixels em sua tela, quando olha de perto, porque ela os possui em grande quantidade. Do mesmo modo, as galáxias são feitas de um punhado de estrelas que estão bem juntas. Não, uma galáxia não é uma tela de celular, mas se comporta da mesma maneira. Quando as galáxias estão perto, vemos as estrelas separadas, devido à sua organização. Mas, assim como no caso da tela, quando estão distantes as estrelas se agrupam, e as galáxias parecem ser uniformes, da mesma forma que os pixels se agrupam quando você afasta seu rosto. Na Figura 1, você pode perceber como uma galáxia mais próxima parece mais rarefeita do que uma distante. Quando os astrônomos conhecem o tamanho dos aglomerados, pela maneira como as estrelas se organizam numa galáxia, eles conseguem determinar quantas estrelas essa galáxia possui.

Figura 1. A imagem à esquerda é a galáxia M32, bem perto de Andrômeda; está a 0,77 megaparsec (Mpc) ou 770.000 parsecs de distância. A galáxia à direita é a NGC 7768; está a 120 Mpc ou 120.000.000 parsecs de distância. A M32 parece bem mais rarefeita que a NGC 7768 porque está mais perto de nós. Ambas as imagens vêm do observatório Gemini

Como medimos os aglomerados

Para medir o tamanho dos “aglomerados” de uma galáxia distante, precisamos remover da imagem a parte principal da galáxia e focalizar os aglomerados. Para tanto, o computador cria a imagem de uma galáxia bem uniforme, parecida com aquela cuja imagem obtivemos. Pegamos então a imagem da galáxia uniforme que foi gerada pelo computador e a subtraímos da imagem original, deixando apenas os aglomerados mostrados na Figura 2. Com apenas os aglomerados em nossa imagem, precisamos determinar algo chamado “potência espectral”. A potência espectral nos diz quantos aglomerados grandes uma galáxia tem, em comparação com seus aglomerados pequenos. Se a potência espectral revelar que existem inúmeros aglomerados bem nítidos na imagem, isso talvez signifique que a galáxia está mais perto de nós. Se a galáxia estiver mais longe, a potência espectral somente mostrará uma imagem com aglomerados menos detalhados, menos definidos. Se você souber a cor dessa galáxia e quantas estrelas ela tem, poderá calcular a quantidade de luz que deverá ver se estiver a certa distância.

Figura 2. Galáxia NGC 0524 à esquerda. Depois que o computador remover da imagem a parte principal da galáxia, somente os aglomerados permanecerão (à direita). O tamanho dos aglomerados da galáxia depende da distância que ela está de nós e de sua temperatura. A imagem dessa galáxia foi obtida pelo telescópio espacial Hubble.

Galáxias coloridas

Imagine-se, com seus amigos, em volta de uma fogueira, assando alguns deliciosos marshmallows. Já se perguntou por que algumas partes do fogo são vermelhas, outras alaranjadas, outras amarelas e outras brancas? Isso acontece porque as partes mais frias do fogo parecem vermelhas, as um pouco mais quentes alaranjadas, as bem mais quentes amarelas e as superquentes brancas. Se você pudesse atiçar o fogo suficientemente, ele começaria a parecer azul (mas você acabaria com uma bela queimadura). O mesmo ocorre com as galáxias. Assim como ocorre com o fogo, quando elas contêm estrelas mais frias, parecem vermelhas. Quando contêm estrelas mais quentes, parecem azuladas. Quando sabemos a cor de uma galáxia, sabemos também até que ponto suas estrelas são quentes. A partir da cor da galáxia, constatamos quanta luz suas estrelas estão criando. E quando sabemos a quantidade de luz que cada estrela projeta, se conhecermos também quantas estrelas a galáxia possui, poderemos calcular quão luminosa ela deverá ser a determinada distância.

Juntos, a cor e os aglomerados podem fornecer a distância

Imagine-se perto de uma fogueira. Ali, você sentirá seu calor e poderá até ter luz suficiente para ler um livro. Mas, agora, imagine que vai se afastando da fogueira. Logo sentirá frio e não terá mais luz suficiente para ler, conforme se vê na Figura 3. O fogo também parecerá ter uma cor só e não muitas. Isso não ocorre porque as chamas estão se extinguindo, ou porque possuem agora uma cor só, e sim porque você se distanciou do fogo. Se você comparar com cuidado a aparência que o fogo tem quando você está perto dele e quando você está distante, conseguirá calcular o quanto se afastou. Assim como no caso da fogueira, quanto mais longe as galáxias estiverem, enxergaremos menos de sua luz e de seus detalhes.

Figura 3. Temos aqui duas fogueiras. Na foto da esquerda4, ela está perto o suficiente para você ver diversas cores. Se você estivesse tão perto dela assim, sentiria calor e poderia até assar alguns marshmallows! Na foto da direita, o fogo ainda é visível, mas indistinto, pois está longe. Parece então ter uma cor só e você não poderia sentir seu calor.

A densidade de uma galáxia depende tanto de sua distância quanto de sua cor, por isso esses dois tipos de dados são necessários. A cor de uma galáxia nos diz quanto calor e quanta luz suas estrelas produzem. Quando sabemos até que ponto as estrelas são quentes e o tamanho dos aglomerados da galáxia, podemos calcular quantas estrelas existem nela e quanta luz ela está criando. A partir daí, os astrônomos podem finalmente avaliar a distância entre aquela galáxia e a Terra, pois sabem quão luminosa a galáxia deve ser a certa distância daqui, assim como você pode avaliar o quanto se distanciou ao comparar a luz emanada da fogueira.

Por que as distâncias são importantes?

Há inúmeras razões para medirmos as distâncias das galáxias, embora isso possa significar um enorme trabalho. Se não soubermos a que distância a galáxia está, não poderemos calcular seu tamanho, o tamanho do buraco negro que ela abriga ou quanta matéria existe ali, etc. É muito difícil testar outras teorias intrigantes dos cientistas, como a da matéria escura, da energia escura e outros mistérios do universo, quando não sabemos a que distância as coisas estão! Se não soubermos medir distâncias no espaço, não conseguiremos descobrir como o universo realmente é.

Já me perguntaram: “Por que é importante saber como o universo funciona?” É importante saber como o universo funciona porque, graças a esse conhecimento, podemos criar e fazer coisas impressionantes. Há mais de trezentos anos, Sir Isaac Newton descobriu por que os planetas orbitam o Sol. Essa foi uma grande descoberta; mas, o que a maioria das pessoas não imagina, é que ao fazê-la ele também desenvolveu o cálculo. O cálculo é um recurso de matemática que nos ajuda a inventar coisas como satélites, computadores, telefones, internet e instrumentos médicos que salvam vidas! Mesmo os alimentos que você come e as roupas que veste existem porque os cientistas fizeram importantes descobertas sobre o funcionamento do universo.

Então, compreender distâncias no espaço é importante porque essa informação nos ajuda a entender melhor como o universo funciona. Mas por que é importante usar as flutuações de luminosidade superficial? Se você se lembrar de como o espaço é grande e de como as coisas estão muito, muito distantes, perceberá que é de fato bem difícil medir as distâncias de galáxias longínquas. Sabemos a que distância algumas estão, mas, de um modo geral, as que conhecemos estão muito perto da Terra. Se quisermos medir a distância de uma galáxia longínqua, compararemos sua cor e densidade com as de galáxias mais próximas e, com base nesses dados, calcularemos a distância. Assim, as flutuações de luminosidade superficial nos fornecerão a distância de uma galáxia que, de outro modo, não conseguiríamos medir.

E depois?

Como exige muito trabalho, o método das flutuações só foi usado em algumas galáxias. Haverá muitos telescópios novos no futuro, que tirarão milhares de fotografias, bem mais do que as que temos hoje. Estou trabalhando em programas de computador que tornarão mais fácil analisar essas fotografias e medir distâncias de quantas galáxias for possível!

Glossário

Alfa Centauro: A estrela mais próxima de nosso sistema solar. Está a 1,37 parsec ou 41.530 trilhões de quilômetros da Terra.

Galáxia: Um ajuntamento de estrelas, às vezes contendo trilhões delas, que se reúnem e orbitam em torno umas das outras.

Galáxia Andrômeda: Uma das galáxias mais próximas da nossa, que é a Via Láctea.

Parsec: Modo pelo qual os astrônomos descrevem distâncias no espaço. Um parsec equivale a 30.860 trilhões de quilômetros.

Flutuações de luminosidade superficial (FLS): A maneira como uma luz concentrada aparece na imagem de uma galáxia de acordo com a distância, que é determinada graças a essa medição.

Pixel: Luz minúscula que constitui uma parte única de uma tela. A tela de TV é feita de muitos pixels juntos.

Potência espectral: Fornece informação sobre o tamanho de todos os aglomerados vistos na imagem de uma galáxia.

Cor de galáxia: A cor de uma galáxia nos informa quão quentes são suas estrelas.

Cálculo: O recurso matemático imensamente útil que Isaac Newton inventou e usou em astronomia.

Referência

[1] Adams, D., 2011. Guia do Mochileiro das Galáxias. São Paulo: Editora Arqueiro.

Citação

Davis, J. (2019) “Measuring Distances to Galaxies”. Front. Young Minds. 7:142. DOI: 10.3389/frym.2019.00142

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