Edição Especial: A Escala do Universo

1 de outubro de 2021 by Silvana Fraga

Medir, contar, quantificar as coisas é uma prática antiga, assim como os nomes dados a essas unidades de medida. Já se usou, pés, polegadas, o peso do rei, dedal et cetera. Com o passar do tempo, a necessidade de uniformizar a terminologia se tornou urgente, principalmente para o comércio entre países com sistemas de medidas diferentes, o que causava perdas e confusão.

Na ciência, é extremamente importante fazermos medidas universais, de forma que todos falem a “mesma língua”. Não só isso, já citamos várias medidas de tamanhos bastante diferentes. Falamos de acontecimentos que ocorreram centenas de milhões de anos atrás, de um telescópio situado a 547 km da terra, dando voltas com velocidade de 28 mil km/h (ou seria 28 Mm/h?). Se esses números já parecem grandes, lembrem-se que falamos da massa da Terra, com aproximadamente $\fn_phv 5,8\times 10^{24}$ kg. Quando vamos para a escala espacial, o tamanho das coisas, a duração dos eventos e a distância entre eles torna-se gigantesca e fica complicado utilizarmos medidas terrenas para descrevê-las.

Figura 1. Cartilha sobre novas definições das unidades do SI produzida pela Sociedade Brasileira de Metrologia. Créditos: Luciana e Sá Alves e Gelson Rocha — Sociedade Brasileira de Metrologia, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

É necessário entender as unidades básicas de medida para podermos expandir para a Escala do Universo. Ao longo da história, houveram vários momentos em que grupos se juntaram para regulamentar as unidades de medida. Mais recentemente, em 1960, foi criado o Sistema Internacional de Unidades (SI), utilizado até hoje, e que vem sendo revisado pela comunidade científica, tendo sua última alteração em 2019.

O Sistema Internacional de Unidades (SI) define 7 unidades básicas. Todas as unidades podem ser definidas ou medidas a partir de 7 Constantes Físicas definidas, e portanto, exatas. Atualmente, as 7 unidades básicas, apresentadas na figura N, e as grandezas que elas representam são: o segundo (s) para tempo, o metro (m) para comprimento, o quilograma (kg) para massa, a candela (cd) para intensidade luminosa, o mol (mol) para quantidade de substância, o kelvin (K) para temperatura e o ampere (A) para corrente elétrica.

Grande parte das unidades de medida que utilizamos para representar grandezas são unidades derivadas, ou seja, podem ser expressas por uma combinação das unidades fundamentais na forma de multiplicação ou divisão. As unidades derivadas são muitas (infinitas) e suas combinações também, por isso citaremos apenas algumas delas:

velocidade, representada em metro por segundo (m/s);
força, representada em newton (N), equivalente a kg.m/s²
energia, representada em Joule (J), equivalente a N.m=kg.m²/s²
potência, representada em Watt (W), equivalente a J/s=N.m/s=kg.m²/s³
área, descrita em metro quadrado (m²)
volume, descrito em metro cúbico (m³)

Mas como fazemos quando temos que descrever algo muito grande ou pequeno?

Para representar algo muito pequeno, como o tamanho de um átomo, ou muito grande, como a capacidade de armazenamento do seu celular, utilizamos os prefixos do SI. Estes representam a multiplicação da unidade de medida em questão por potências de 10, como um milhar (k, de quilo, 10³), um milhão (M, de mega, 10^6). Da mesma forma temos prefixos para a divisão por potências de 10, como o milésimo (m, de mili, 10^-3) ou o milionésimo (u, de micro, 10^-6).

Estes prefixos estendem muito as nossas escalas de unidade e por vezes podemos esquecer o que elas significam. Na computação temos o byte (B), que descreve a unidade de informação digital, já estamos acostumados com celulares com capacidade de armazenamento de até terabytes (TB), um episódio de uma série que vemos em streaming tem da ordem de gigabytes (GB) e músicas que compartilhamos com amigos ocupam algo na escala de megabytes (MB), mas nem sempre foi assim. O computador de voo da missão Apollo 11, que pousou na Lua em 1969, possuía 4kB de memória RAM, menos de um milionésimo do que o computador moderno (4 a 16 GB).

Quais unidades de medidas usamos para dimensionar o Espaço Sideral?

Quando pensamos em tamanho de planetas ou estrelas, já não é nada prático falar em metros, imagine quando estamos falando do universo. Seriam tantos zeros ou prefixos tão imponentes que não conseguimos ter noção do que significam. Por simplicidade, trataremos toda esta seção com valores aproximados.

O raio da Terra, que pode ser considerada esférica, é de aproximadamente 6,3 Mm (6300 km, ou 6300000 m, essa representação será utilizada só desta vez, para esclarecimento). Se isso não é o suficiente para você perder a noção de escala, o raio de Júpiter, o maior planeta do nosso Sistema Solar, é de quase 70 Mm (ou 70 mil quilômetros), mais de 10 vezes o tamanho da Terra; enquanto o raio do Sol mede aproximadamente 700 Mm, ou seja 10 vezes o tamanho de Júpiter, e o Sol não é uma estrela tão grande assim. Por esse motivo, quando os astrônomos trabalham descrevendo as estrelas, a unidade de medida mais comumente utilizada é o Raio Solar.

Figura 2. Representação artística ilustrando o Sol e os planetas do Sistema Solar. Nesta imagem, o tamanho dos planetas está em escala, mas a distância entre eles não. A distância seria muito maior. Créditos: WP, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Mas para descrever as distâncias no espaço?

Como sabemos, a maior parte do espaço é vazia, então as distâncias entre os corpos são muito maiores do que eles mesmos. A distância entre a Terra e o Sol é de 150 MILHÕES de quilômetros (150 Gm), mais de duzentas vezes o raio do Sol. Esta medida, a distância média entre a Terra e o Sol, é chamada Unidade Astronômica (au), e é utilizada para descrever distâncias dentro da escala do Sistema Solar. Existem algumas formas de definir o tamanho do nosso Sistema, uma delas é considerando a distância do objeto observável mais distante ainda dentro do Sistema Solar, o planeta anão Sedna; este se encontra, no seu ponto de órbita mais distante do Sol, a 940 ua desse e, portanto, definindo o Sistema Solar com um raio de 140 Tm.

Lembre-se, do que o tera (T) significa: um TRILHÃO. Para dar uma noção do absurdo da escala, pense em encher um HD de 1 TB com GIFs de 250 KB. A quantidade de GIFs necessárias para enchê-lo é parecida com a quantidade de planetas Terra que seriam alinhados para atravessar o Sistema Solar de ponta a ponta.

Sei que o texto já está longo, mas ainda nem saímos do Sistema Solar. Pensando em uma viagem espacial, a estrela mais próxima que conhecemos, Proxima Centauri, encontra-se a 270 kau, ou 40 Pm (40 QUADRILHÕES). Neste sentido, começa a ficar complexo trabalhar com a Unidade Astronômica, e começamos a trabalhar com o Ano-Luz (ly, do inglês light year), que representa a distância percorrida pela luz em um ano no vácuo. Como a velocidade da luz é constante, temos que 1 ly é igual a 9,5 Pm, e a distância de Proxima Centauri pode ser descrita como 4,2 ly.

Nossa galáxia, a Via Láctea, é formada por 100 a 400 bilhões de estrelas distribuídas no formato de um disco espiral, ou seja, há muitas distâncias interestelares dentro dela. O tamanho dela é, portanto, ordens de grandeza maior do que o Ano-Luz. Seu raio é estimado em 90 kly, ou 90 mil anos-luz. A diferença de escala é enorme. Se o Sistema Solar fosse do tamanho de uma moeda, a Via Láctea seria do tamanho do Brasil, e estamos falando apenas de uma galáxia.

Mas e a escala do Universo?

Ele é formado por todo o espaço e tempo que conhecemos, contendo muitos planetas, estrelas, galáxias e outras formas de matéria e energia. De acordo com a teoria cosmológica mais aceita, a do Big Bang, o Universo estaria expandindo a 13,6 bilhões de anos. Seu tamanho é desconhecido, mas estimativas indicam que ele teria, no mínimo, um raio de 11,5 trilhões de anos-luz (11,5 Tly).

É importante lembrar: o que observamos ao olhar para muito longe, é o que aconteceu naquele lugar há muito tempo. O que chamamos de Universo Observável, ou seja, todo o espaço de onde a luz emitida estaria chegando à Terra hoje, levando em conta que estas fontes de luz continuam se movendo enquanto a luz vem ao nosso encontro, tem o seu raio estimado em 46 Gly, e segue expandindo aceleradamente. Essa é a escala do Universo que vemos.

Silvana Fraga e Gabriel Perrone / Equipe AMLEF 2021

Curiosidade: Como medimos distâncias tão grandes?

Figura 3. Ilustração do efeito de paralaxe.

Uma das formas como medimos distâncias fora do sistema solar é através de um efeito chamado paralaxe. Este efeito ocorre quando olhamos um objeto razoavelmente próximo contra um fundo distante a partir de dois pontos diferentes. Para perceber este efeito, estique seu braço e levante seu dedo indicador; observando‑o com um dos olhos fechados, memorize a sua posição no plano de fundo, e depois olhe‑o apenas com o outro olho; há um deslocamento na nossa percepção da posição do dedo relativa ao plano de fundo que observamos.

Agora, se você considerar que olhamos para uma estrela próxima (em relação às estrelas mais distantes) em dois momentos do ano, com intervalo de 6 meses, estaremos em dois extremos da nossa órbita do Sol. Assim, cada observação do objeto é como se fosse a observação do nosso dedo com os olhos diferentes. A nossa percepção da posição da estrela observada relativa a estrelas mais distantes muda, e a partir dessa medida podemos saber a distância dessa estrela ao nosso Sistema Solar. Essa forma de medida deu origem ao parsec (pc), a distância do objeto para que o ângulo de paralaxe seja de um segundo de arco (1’’), que é equivalente a 3,6 ly. Esta unidade também é utilizada como medida de distâncias interestelares ou maiores, mas para medir distâncias muito maiores é necessário utilizar outras técnicas muito mais complexas.

Museu dos Laboratórios de Ensino de Física - Em Transição