Há 100 anos, ciência descobriu que universo ia além da Via Láctea

No domingo, 23 de novembro de 1924, há 100 anos, os leitores que folheavam a página seis do New York Times encontraram um artigo intrigante, em meio a vários anúncios grandes de casacos de pele. A manchete dizia: Descoberto que nebulosas espirais são sistemas estelares: “Dr. Hubbell (sic) confirma a visão de que elas são ‘Universos-ilha’, semelhantes ao nosso”.

O astrônomo americano no centro do artigo, Dr. Edwin Powell Hubble, provavelmente ficou confuso com o erro de grafia de seu nome. Mas a história detalhava uma descoberta inovadora: Hubble havia descoberto que duas nebulosas em forma de espiral, objetos compostos de gás e estrelas, que antes se pensava residirem em nossa galáxia Via Láctea, estavam localizadas fora dela.

Esses objetos eram, na verdade, as galáxias Andrômeda e Messier 33, as grandes galáxias mais próximas da nossa Via Láctea. Hoje, estima-se que vários trilhões de galáxias preenchem o Universo, com base em observações de dezenas de milhões de galáxias.

Quatro anos antes do anúncio do Hubble, um evento chamado “O grande debate” ocorreu em Washington DC entre os astrônomos americanos Harlow Shapley e Heber Curtis. Shapley então havia demonstrado recentemente que a Via Láctea era maior do que a medição anterior. Shapley argumentou que ela poderia acomodar nebulosas espirais em seu interior. Curtis, por outro lado, defendia a existência de galáxias além da Via Láctea.

Em retrospecto, e ignorando certos detalhes, Curtis venceu o debate. No entanto, o método usado por Shapley para medir distâncias na Via Láctea foi fundamental para a descoberta de Hubble, e foi herdado do trabalho de uma astrônoma americana pioneira: Henrietta Swan Leavitt.

Medição de distâncias de estrelas

Em 1893, uma jovem Leavitt foi contratada como “computador” para analisar imagens de observações de telescópio no Harvard College Observatory, em Massachusetts. Leavitt estudou chapas fotográficas de observações telescópicas de outra galáxia, chamada de Pequena Nuvem de Magalhães, realizadas por pesquisadores do observatório.

Leavitt estava procurando por estrelas cujo brilho mudava com o tempo. De mais de mil estrelas variáveis (que mudam), ela identificou 25 que eram de um tipo conhecido como cefeidas, publicando os resultados em 1912.

O brilho das estrelas cefeidas muda com o tempo, de modo que elas parecem pulsar. Leavitt encontrou uma relação consistente: as cefeidas que pulsavam mais lentamente eram intrinsecamente mais brilhantes (mais luminosas) do que aquelas que pulsavam mais rapidamente. Isso foi chamado de “relação período-luminosidade”.

Outros astrônomos perceberam a importância do trabalho de Leavitt: a relação poderia ser usada para calcular nossas distâncias das estrelas. Enquanto era estudante na Universidade de Princeton, Shapley usou a relação período-luminosidade para estimar as distâncias de outras cefeidas na Via Láctea. Foi assim que Shapley chegou à sua então nova estimativa do tamanho da nossa galáxia.

Mas, para que os astrônomos pudessem ter certeza sobre as distâncias dentro da nossa galáxia, eles precisavam de uma maneira mais direta de medir as distâncias das cefeidas. O método de paralaxe estelar é outra forma de medir distâncias cósmicas, mas só funciona para estrelas próximas. À medida que a Terra orbita o Sol, uma estrela próxima parece se mover em relação às estrelas mais distantes no fundo. Esse movimento aparente é conhecido como paralaxe estelar. Por meio do ângulo dessa paralaxe, os astrônomos podem calcular a distância de uma estrela em relação à Terra.

O pesquisador dinamarquês Ejnar Hertzsprung usou a paralaxe estelar para obter as distâncias de um punhado de estrelas cefeidas próximas, ajudando a calibrar o trabalho de Leavitt.

O artigo do New York Times enfatizou os “grandes” telescópios do Mount Wilson Observatory perto de Los Angeles, onde o Hubble estava trabalhando. O tamanho de um telescópio é geralmente avaliado pelo diâmetro de seu espelho primário. Com um espelho de 100 polegadas (2,5 metros) de diâmetro para coletar a luz, o telescópio Hooker no Monte Wilson era o maior telescópio da época.

Os grandes telescópios não são apenas mais sensíveis à resolução de galáxias, mas também criam imagens mais nítidas. Edwin Hubble estava, portanto, bem posicionado para fazer sua descoberta. Quando Hubble comparou suas chapas fotográficas tiradas com o telescópio de 100 polegadas com aquelas tiradas em noites anteriores por outros astrônomos, ele ficou entusiasmado ao ver que uma estrela brilhante parecia mudar de brilho com o tempo, como esperado para uma cefeida.

Usando os cálculos de Leavitt, Hubble descobriu que a distância de sua cefeida excedia o tamanho que Shapley calculou para a Via Láctea. Nos meses seguintes, Hubble examinou outras nebulosas espirais enquanto procurava por mais cefeidas para medir distâncias. A notícia das observações de Hubble estava se espalhando entre os astrônomos. Em Harvard, Shapley recebeu uma carta de Hubble detalhando sua descoberta. Ele a entregou à colega astrônoma Cecilia Payne-Gaposchkin, comentando: “Aqui está a carta que destruiu meu universo”.

Expansão do Universo

Além de estimar a distância de uma galáxia, os telescópios também podem medir a velocidade com que uma galáxia se move em direção ou para longe da Terra. Para fazer isso, os astrônomos medem o espectro de uma galáxia: os diferentes comprimentos de onda da luz que vem dela. Eles também calculam um efeito conhecido como desvio Doppler e o aplicam a esse espectro.

O desvio Doppler ocorre tanto para a luz quanto para as ondas sonoras; ele é responsável pelo aumento do tom de uma sirene à medida que um veículo de emergência se aproxima e, em seguida, diminui quando ele passa por você e se afasta. Quando uma galáxia está se afastando da Terra, as características do espectro conhecidas como linhas de absorção têm comprimentos de onda mais longos do que teriam se não estivessem se movendo. Isso se deve ao desvio Doppler, e dizemos que essas galáxias foram “desviadas para o vermelho”.

A partir de 1904, o astrônomo americano Vesto Slipher usou a técnica Doppler com um telescópio de 24 polegadas no Lowell Observatory em Flagstaff, Arizona. Ele descobriu que as nebulosas estavam com desvio para o vermelho (se afastando) ou com desvio para o azul (viajando em nossa direção). Slipher descobriu que algumas nebulosas estavam se afastando da Terra a velocidades de até mil quilômetros por segundo.

Hubble combinou as medições de Slipher com suas estimativas de distância para cada galáxia e descobriu uma relação: quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela está se afastando de nós. Isso pode ser explicado pela expansão do Universo a partir de uma origem comum, que se tornaria conhecida de forma irônica como o “Big Bang”.

O anúncio feito há 100 anos consolidou o lugar de Hubble na história da astronomia. Mais tarde, seu nome seria usado para um dos instrumentos científicos mais poderosos já criados: o telescópio espacial Hubble. Parece incrível como, no decorrer de apenas cinco anos, nossa compreensão do Universo entrou em foco.

*Jeffrey Grube, Senior Lecturer in Physics Education, King’s College London