uma mudança insignificante nos padrões de luz (fundo, sólido) em comparação com o que era esperado se a relatividade Galileu fosse verdadeira (fundo, pontilhado). A velocidade da luz era a mesma, independentemente da direcção em que o interferómetro estava orientado, inclusive com, perpendicularmente a, ou contra o movimento da Terra através do espaço. Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson e E. Morley (1887)

Isto ensinou-nos algo incrivelmente importante: a velocidade da luz é independente de qualquer movimento relativo através do espaço. Não importa quem se é, onde se está, quão rapidamente ou em que direcção se viaja através do Universo, observar-se-ão sempre todas as ondas de luz a viajar através do espaço com esse mesmo limite de velocidade universal: a velocidade da luz no vácuo. Se você e a fonte se afastarem um do outro, o comprimento de onda da luz é deslocado para o vermelho; se se aproximarem um do outro, o comprimento de onda é deslocado para o azul. Mas a velocidade da própria luz nunca muda através do vácuo do espaço.

Esta ideia foi revolucionária quando Einstein a propôs, com muitos físicos profissionais (injustamente) a resistirem durante décadas. No entanto, a oposição não a tornou menos verdadeira. Mas o grande prémio ainda permaneceu: incorporar a gravitação na equação.

a teoria da relatividade tem sido executada, sujeitando a ideia a algumas das mais rigorosas restrições alguma vez obtidas pela humanidade. A presença de matéria e energia no espaço diz ao espaço-tempo como curvar, e que o espaço-tempo curvo diz à matéria e energia como se mover. Colaboração científica LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT

Antes de Einstein, a gravitação era um fenómeno Newtoniano. De acordo com Newton, o espaço e o tempo eram entidades absolutas e não relativas. A força gravitacional de atracção entre quaisquer duas massas tinha de se propagar infinitamente rápido, em vez de ser limitada pela velocidade da luz.

A maior revolução que Einstein trouxe à física foi o derrube deste quadro da gravitação. Claro, podia-se usar a gravidade newtoniana como uma aproximação muito boa para quase todas as condições, mas em situações em que a matéria ou a energia passassem perto de uma grande massa, Newton não lhe daria as respostas correctas.

A órbita de Mercúrio mais precessada do que Newton previu. A passagem de luz perto do Sol durante um eclipse dobrado por uma quantidade maior do que Newton poderia explicar.

mostrou, conclusivamente, que a Teoria Geral da Relatividade descreveu a curvatura da luz das estrelas em torno de objectos maciços, derrubando o quadro de Newtonian. Esta foi a primeira confirmação observacional da Relatividade Geral de Einstein, e parece estar alinhada com a visualização do ‘quadro de baixo do espaço’. The Illustrated London News, 1919

Como as evidências mostraram claramente, a Relatividade Geral de Einstein – onde a massa e a energia curvaram o espaço e esse espaço curvo determinou o movimento da massa e da energia – tinha suplantado a gravidade newtoniana. Esta nova conceptualização da gravitação e do próprio tecido do espaço e do tempo trouxe consigo outra revelação: o facto de que o tecido do Universo, se estivesse cheio de quantidades aproximadamente iguais de matéria e energia em todo o lado, não podia ser estático e imutável.

Em vez disso, como as observações já nos anos 20 começaram a mostrar definitivamente, havia uma relação sistemática entre a distância de um objecto em relação a nós e a quantidade que a sua luz era observada para redshift. Claro, as galáxias movimentam-se no espaço em relação umas às outras, mas apenas a velocidades até alguns milhares de km/s. No entanto, quando vemos os redshifts reais de galáxias distantes, correspondem a velocidades de recessão muito, muito superiores a esses valores.

objectos distantes de todos, vistos a partir do seu tipo Ia supernovae. Os dados favorecem fortemente um Universo em expansão. Note-se como o eixo y inclui velocidades que excedem a velocidade da luz, mas isto não conta a história completa sobre o que se passa de facto com o Universo em expansão. Ned Wright, com base nos últimos dados de Betoule et al.

A razão pela qual estamos a ver estes redshifts cósmicos escalarem com a distância, como os cientistas rapidamente se aperceberam, é porque o tecido do próprio Universo está em expansão. Tal como as passas num pão fermentado de massa de pão de passas, todas as galáxias do Universo vêem as outras galáxias a afastarem-se delas, com as passas mais distantes (ou galáxias) a parecerem afastar-se a velocidades mais rápidas.

Mas porque é que isto?

Não é porque as passas estão a mover-se em relação à massa em que estão embutidas, nem é porque as galáxias individuais estão a mover-se através do tecido do espaço. Pelo contrário, deve-se ao facto de a própria massa – tal como o próprio tecido do espaço – estar a expandir-se, e as passas (ou galáxias) estarem apenas a circular.

Universo, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes estiverem duas passas uma da outra, maior será o redshift observado à medida que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada nas observações, e tem sido consistente com o que tem sido conhecido desde os anos 20. NASA / WMAP Science Team

Meanwhile, because these objects are galaxies, they are filled with light-emitting stars. Eles emitem luz continuamente desde o momento em que se ligam pela primeira vez, mas só podemos observá-los desde o momento em que a luz chega aos nossos olhos pela primeira vez depois de viajarmos através do Universo.

Não o Universo Newtoniano, atenção: o em expansão, o Einsteiniano.

Isto significa que existem galáxias lá fora cuja luz só agora chega aqui à Terra pela primeira vez, depois de viajarmos através do Universo durante mais de 13 mil milhões de anos. As primeiras estrelas e galáxias formaram-se apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, e nós descobrimos galáxias desde quando o Universo era apenas 3% da sua idade actual. E no entanto, essa luz foi tão severamente deslocada para o vermelho pelo Universo em expansão que a luz era ultravioleta quando foi emitida, mas já está muito dentro do infravermelho na altura em que a podemos observar.

redshifts e como as distâncias entre objectos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Note-se que os objectos começam mais próximos do que a quantidade de tempo que leva a luz a viajar entre eles, os redshifts da luz devido à expansão do espaço, e as duas galáxias acabam muito mais afastadas do que o caminho de viagem da luz tomado pelo fotão trocado entre eles. Rob Knop

Se perguntássemos, da nossa perspectiva, o que isto significa para a velocidade desta galáxia distante que só agora estamos a observar, concluiríamos que esta galáxia está a afastar-se muito mais de nós do que a velocidade da luz. Mas na realidade, não só esta galáxia não se move através do Universo a uma velocidade relativisticamente impossível, como também dificilmente se move de todo! Em vez de velocidades superiores a 299.792 km/s (a velocidade da luz no vácuo), estas galáxias estão apenas a mover-se através do espaço a ~2% da velocidade da luz ou menos.

Mas o espaço em si está a expandir-se, e isso é responsável pela esmagadora maioria do redshift que vemos. E o espaço não se expande a uma velocidade; expande-se a uma velocidade por unidade de distância: um tipo de velocidade muito diferente. Quando se vê números como 67 km/s/Mpc ou 73 km/s/Mpc (os dois valores mais comuns que os cosmólogos medem), estes são velocidades (km/s) por unidade de distância (Mpc, ou cerca de 3,3 milhões de anos-luz).

A restrição de que “nada se pode mover mais depressa do que a luz” só se aplica ao movimento dos objectos através do espaço. O ritmo a que o espaço em si se expande – esta velocidade por unidade de distância – não tem limites físicos no seu limite superior.

com a quantidade que podemos alcançar (magenta). O limite do Universo visível é de 46,1 mil milhões de anos-luz, pois esse é o limite da distância a que um objecto que emitia luz e que só hoje nos alcançaria depois de se expandir para longe de nós durante 13,8 mil milhões de anos. Contudo, para além de cerca de 18 mil milhões de anos-luz, nunca poderemos aceder a uma galáxia, mesmo que viajássemos na sua direcção à velocidade da luz. E. Siegel, com base no trabalho dos utilizadores do Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL

Pode parecer estranho considerar tudo o que isto implica. Porque temos energia escura, a taxa de expansão nunca cairá para zero; permanecerá num valor positivo e finito. Isto significa que, embora apenas 13,8 mil milhões de anos tenham passado desde o Big Bang, podemos observar luz de objectos que já estão a 46,1 mil milhões de anos-luz de distância. E significa que para além de uma fracção dessa distância – cerca de 18 mil milhões de anos-luz – nenhum objecto lançado hoje da Terra poderia alguma vez alcançá-la.

Mas nenhum objecto se está realmente a mover através do Universo mais rapidamente do que a velocidade da luz. O Universo está em expansão, mas a expansão não tem uma velocidade; tem uma velocidade por unidade de distância, que é equivalente a uma frequência, ou a um tempo inverso. Um dos factos mais surpreendentes sobre o Universo é que se fizer as conversões e tomar o inverso da taxa de expansão, pode calcular o “tempo” que se obtém.

A resposta? Aproximadamente 13,8 mil milhões de anos: a idade do Universo. Não há uma razão fundamental para esse facto; é apenas uma fascinante coincidência cósmica.

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