Telescópio do Observatório de Mount Wilson
Antes do século XX, a maioria dos observatórios astronômicos estavam localizados próximos a Universidades e, portanto, seus telescópios ficavam situados em altitudes bem baixas. Somente a partir de 1900 é que foi fortalecida a idéia de que esses equipamentos deveriam ficar situados no alto de montanhas. Um dos pioneiros nisso foi o astrônomo norte-americano George Ellery Hale que reconheceu as vantagens dos sítios astronômicos em altas altitudes e já no ano 1903 decidiu construir um novo observatório de pesquisa no topo do monte Wilson, Estados Unidos.
Com o auxílio financeiro do magnata norte-americano Andrew Carnegie, em 1909 entrou em funcionamento no Mount Wilson Observatory, um telescópio refletor cujo espelho tinha 60 polegadas de diâmetro. Esse telescópio se destacou na pesquisa astronômica da época mas Hale queria mais. Ao mesmo tempo em que o telescópio refletor de 60 polegadas estava sendo construído, Hale já tinha obtido financiamento para a construção de um muito maior. Com os recursos oferecidos pelo magnata norte-americano John D. Hooker, Hale encomendou na França a fabricação do vidro que, ao ser polido, seria o espelho de 100 polegadas de um novo, e bem maior, telescópio refletor. No dia 7 de dezembro de 1908, o mesmo dia em que o espelho de 60 polegadas foi colocado em segurança no telescópio menor, o vidro fundido para o espelho do telescópio de 100 polegadas chegou em Pasadena, Estados Unidos. Vários anos de muito trabalho ainda passariam antes que o telescópio de 100 polegadas estivesse pronto para operação. Isso só aconteceu em novembro de 1917, quando o telescópio foi testado e mostrou ter excelente qualidade.
Mas, em que esse assunto interessa a quem quer estudar cosmologia? Ocorre que o telescópio refletor de 100 polegadas, batizado com o nome de "telescópio Hooker" em homenagem ao seu financiador, mostrou ser fundamental para o conhecimento do Universo. Seu espelho podia coletar 2 1/2 vezes mais luz do que era coletada pelo telescópio de 60 polegadas do mesmo Observatório. Além disso, o telescópio Hooker podia ver um volume de espaço quatro vezes maior do que o seu parceiro menor. A descoberta de que o universo estava em expansão ocorreria a partir de observações feitas nesse instrumento.
Após servir como combatente das tropas norte-americanas na Primeira Guerra Mundial, o astrônomo norte-americano Edwin Powell Hubble retornou aos Estados Unidos e foi trabalhar no Mount Wilson Observatory que dispunha de um novíssimo telescópio refletor de 100 polegadas, o mais poderoso telescópio existente no mundo naquela época. Com esse equipamento Hubble começou a obter fotografias de "nebulosas" e a estudar as estrelas "resolvidas" nessas imagens.
Em 1923 Hubble, usando tanto o telescópio de 60 como o de 100 polegadas do Mount Wilson Observatory, detectou a existência de estrelas variáveis em uma "nebulosa" irregular (a galáxia NGC 6822). Isso fez com que ele iniciasse uma caçada por mais estrelas variáveis em "nebulosas" e investigasse seus períodos. Afinal, estrelas variáveis eram usadas como indicadores de distâncias. Abaixo vemos a "nebulosa espiral" (atualmente "galáxia" NGC 6822) o primeiro desses objetos a revelar a presença de estrelas variáveis. Essa é uma galáxia anã vizinha à nossa e dista 1,5 milhões de anos. Ainda em 1923, Hubble foi capaz de "resolver" as regiões mais externas de duas "nebulosas espirais vizinhas à nossa, que hoje conhecemos como as galáxias espirais M31 e M33. Abaixo mostramos primeiro a galáxia M31 (Andrômeda) e a seguir a galáxia M33.
Hubble percebeu que muitas das estrelas visíveis nessas galáxias mostravam curvas de luz características de variáveis Cefeídas: 22 delas na "nebulosa" M33 e 12 na "nebulosa espiral" M31, também conhecida como "nebulosa Andrômeda".
A imagem abaixo mostra as páginas 156 e 157 do livro de anotações de observações de Edwin Hubble. Nele está documentada a descoberta da primeira estrela variável Cefeída na "nebulosa" espiral M31. Inicialmente Hubble suspeitou que havia encontrado uma "Nova", uma estrela que rapidamente aumenta sua luminosidade que, em seguida, vai lentamente declinando. Ao lado das anotações referentes à placa de número 331, Hubble anotou "Nova suspeita". Ao lado das anotações da placa 335 Hubble escreveu "confirmo "nova" suspeita". Logo Hubble percebeu que ele havia encontrado não uma "nova" mas sim uma estrela variável tipo Cefeída.
A imagem ao lado mostra a marcação feita por Hubble de "Novas" que ele encontrou em uma placa fotográfica da "nebulosa" Andrômeda. Essa placa foi obtida em uma exposição de 9 horas ao longo de duas noites em setembro de 1920 usando o telescópio refletor de 100 polegadas do Mount Wilson Observatory. A mancha escura ao centro é a região central da "nebulosa" espiral M31. Na parte superior da imagem vemos que, em uma delas, o "N" está riscado e em seu lugar está escrito "VAR", assinalando que esta é uma estrela variável, mais tarde reconhecida como uma estrela variável Cefeída.
Cauteloso com o resultado encontrado, somente no início de 1924 é que Hubble o revelou em uma carta escrita a Harlow Shapley onde anunciava a descoberta de duas primeiras estrelas variáveis encontradas na "nebulosa" M31. Abaixo vemos a curva de luminosidade da primeira estrela variável Cefeída descoberta por Edwin Hubble na "nebulosa" espiral M31 (hoje conhecida como galáxia Andrômeda). Usando essa curva Hubble pode determinar que essa "nebulosa" estava (segundo seus cálculos) a uma distância superior a 300000 parsecs de nós. Hubble incluiu esse gráfico na carta que ele enviou a Harlow Shapley no dia 19 de fevereiro de 1924.
Hubble tornou público oficialmente suas descobertas no "dia de Ano Novo" de 1925 em um encontro científico da American Astronomical Society. Ali ele anunciou a descoberta de estrelas variáveis Cefeídas nas "nebulosas" espirais e mostrou que as determinações das distâncias desses objetos até nós confirmavam que essas "nebulosas" espirais eram objetos celestes completamente independentes da nossa Galáxia. Embora os dados apresentados por Hubble fossem suficientes para encerrar a controvérsia sobre a localização das "nebulosas espirais" (se elas eram ou não parte da nossa própria Galáxia) isso não aconteceu.
Hubble conseguiu estabelecer, sem qualquer dúvida, que algumas das "manchas nebulosas", em particular as "nebulosas espirais" que observávamos no céu não faziam parte da nossa Galáxia, como se supunha até então. Estes objetos também eram galáxias, conjuntos de bilhões de estrelas em mútua interação gravitacional. Estas galáxias estavam bem afastadas da nossa, sendo portanto, objetos totalmente independentes da nossa Galáxia. Começava-se, então, a compreender que o Universo era formado por milhões e milhões de galáxias, de diferentes formas e tamanhos, cada uma delas com bilhões de estrelas. O Universo havia sido "descoberto". É interessante notar que a teoria dos "Universos-ilha" proposta pelo filósofo Immanuel Kant ou seja, de que as "nebulosas espirais" são outras galáxias bastante afastadas da nossa, levou 180 anos para ser aceita!
Mas, quem disse que todos os problemas haviam sido resolvidos? A partir do momento em que os astrônomos passaram a compreender que o Universo era formado por muitas outras galáxias, algumas semelhantes em forma à nossa e outras completamente diferentes, muitas novas perguntas substituíram as poucas já respondidas. Uma das perguntas mais imediatas dizia respeito a qual era a estrutura desses objetos e se havia algum processo de evolução entre elas, tendo em vista se apresentarem com formas tão diferentes.
A verificação experimental da expansão do Universo: a relação distância-velocidade de Hubble e Humason
A descoberta da expansão do Universo não foi, ao contrário do que é dito, algo feito exclusivamente por Edwin Hubble. Lembre-se que soluções teóricas já existiam desde 1922 (Friedmann) e 1927 (Lemaître) mostrando a possível expansão do universo mas eram conhecidas por muito poucos físicos e menos ainda astrônomos. Mesmo observacionalmente, Hubble não foi o primeiro a perceber o fenômeno do deslocamento para o vermelho das linhas espectrais de uma galáxia. Slipher já havia percebido e fenômenos mas foi incapaz de associá-lo à expansão do universo. Curiosamente Hubble também não fez essa associação, o que foi deixado para teóricos como de Sitter e o próprio Einstein.
Em 1912 uma importante descoberta foi feita pelo astrônomo norte-americano Vesto Melvin Slipher.
Em 1909 o astrônomo Percival Lowell pediu que seu assistente Vesto Slipher obtivesse espectros de "nebulosas espirais". Lowell havia fundado no estado norte-americano do Arizona um observatório, o Lowell Observatory. Ele suspeitava que as linhas espectrais vistas na luz proveniente de um determinado tipo de nebulosa, as chamadas "nebulosas planetárias", também poderiam ser encontradas nos espectros das "nebulosas espirais".Inicialmente Slipher duvidou que isto poderia ser feito. Logo ele notou que para as nebulosas, que têm uma superfície extensa, ao contrário das imagens puntiformes obtidas das estrelas, o fator instrumental crítico não era o tamanho do telescópio (estas observações seriam feitas no próprio Lowell Observatory, cujo telescópio era muito menor do que aquele possuído pelo Lick Observatory, seu rival situado na Califórnia, Estados Unidos) mas sim a "velocidade" da câmera ou seja, o tempo de exposição necessário para fotografar os espectros das nebulosas.
Slipher conseguiu uma nova câmera cuja velocidade havia sido aumentada por um fator 30. Na noite de 17 de setembro de 1912 Slipher obteve um espectrograma da "nebulosa espiral" Andrômeda. Ficou evidente os deslocamentos Doppler de suas linhas espectrais. O espectrograma indicava que um resultado assombroso: a "nebulosa" Andrômeda estava se aproximando do Sistema Solar a uma velocidade surpreendentemente alta.
Slipher fez mais observações do mesmo objeto, expondo a mesma placa fotográfica ao longo de várias noites como, por exemplo, 29, 30 e 31 de dezembro de 1912. A análise dos resultados o levou a estimar que a "nebulosa espiral" Andrômeda estava se movendo na nossa direção a uma velocidade média de 300 quilômetros por segundo, a maior velocidade registrada em astronomia até aquela data. Este valor era tão grande que muitos astrônomos não acreditavam que ele fosse possível.
Nos dois anos seguintes Slipher mediu velocidades para outras "nebulosas espirais". As primeiras poucas medições revelaram "nebulosas" se aproximando do lado Sul da nossa Galáxia e nebulosas se afastando no lado oposto.
Em 1914 Slipher publicou um artigo no qual mostrava deslocamentos Doppler de 14 "nebulosas espirais". Ele formulou então uma "hipótese de arrasto" para explicar o que estava acontecendo. Slipher imaginou que era a nossa Galáxia que estava se movendo em relação às nebulosas, na direção do Sul (por isso víamos as "nebulosas" se aproximando) e se afastando do Norte (o que explicava o afastamento das "nebulosas medidas ao norte). Entretanto, observações feitas com mais espirais contradiziam isso. Foram encontradas "nebulosas espirais" se afastando tanto no lado sul como no lado norte da nossa Galáxia.
Apesar das observações Slipher permaneceu fiel à sua "hipótese de arrasto". Ele argumentava que, talvez, um número maior de observações mostrariam pelo menos uma preponderância de "nebulosas" se aproximando pelo lado Sul da nossa galáxia, em cuja direção ele imaginava que nossa Galáxia estava se movendo.
Este resultado modificava muita coisa. Uma vez que as chamadas "nebulosas espirais" tinham velocidades radiais tão extraordinariamente grandes muitos astrônomos se convenceram que elas não podiam estar dentro da nossa Galáxia.
Apesar disso, a descoberta de Slipher não provava que a "teoria dos Universos-Ilha" era correta uma vez que ela não permitia a determinação de distância.
Em 1922 o astrônomo alemão Carl Wirtz, baseando-se nas medições de "red shift" feitas por Slipher e no chamado "efeito de Sitter" propôs uma relação distância-velocidade. Wirtz notou que os diâmetros aparentes das galáxias podiam ser usados como indicadores de distância uma vez que quanto maior fossem suas distâncias até nós menores eram seus diâmetros aparentes. Com base nisso ele encontrou que a velocidade de recessão das galáxias aumentava com a distância a nós. Assim, Wirtz foi o primeiro a propor uma relação distância - velocidade. Estranhamente, seu trabalho não é reconhecido pelos livros de cosmologia que insistem em atribuir essa descoberta ao astrônomo norte-americano Edwin Hubble, como veremos abaixo.
Em 1928 Edwin Hubble compareceu a um simpósio da União Astronômica Internacional, que naquele ano ocorreu na Holanda e teve a oportunidade de discutir teorias cosmológicas com o astrofísico de Sitter. Ao retornar ao Mount Wilson Observatory, Hubble estava determinado a testar a teoria de Sitter de que o Universo era estático.
Para isso Hubble instruiu seu assistente Milton Humason, um talentoso e meticuloso observador, a estudar "nebulosas" fracas, que, presumivelmente, estariam particularmente distantes de nós. A pergunta que eles queriam responder era: a freqüência da luz proveniente dessas "nebulosas" distantes é diferente da luz proveniente das "nebulosas" mais próximas? Uma freqüência mais baixa (mais lenta) corresponde a um maior comprimento de onda da luz ou seja, a luz estaria mais próxima à extremidade vermelha do espectro. Deste modo, o que Hubble e Humason estavam procurando era um deslocamento de linhas existente no espectro na direção do "vermelho". Isso mais tarde veio a ser chamado de "red shift" (deslocamento para o vermelho). Humason mais tarde explicou que tal deslocamento era o que "deveria ser esperado na teoria de espaço-tempo curvo de Sitter".
Humason obteve as velocidades e Hubble obteve as distâncias. Eles encontraram uma relação linear que nos dizia, aproximadamente, que quanto maior fosse a velocidade de recessão de uma "nebulosa" maior seria a distância até ela.
A figura abaixo mostra os dados relacionando distância e velocidade obtidos por Hubble e Humason para 46 "nebulosas". Os pontos pretos e a linha contínua representam a solução obtida para as 24 "nebulosas para as quais distâncias individuais haviam sido obtidas separadamente. Os pontos claros e a linha pontilhada mostram a solução obtida quando as "nebulosas" foram combinadas em grupos. A cruz mostra a velocidade média calculada para um conjunto de 22 "nebulosas" cujas distâncias não puderam ser estimadas individualmente.
Os dados obtidos por Hubble e Humason eram insuficientes e a interpretação era duvidosa nos detalhes. De fato mais tarde foi descoberto que os valores das distâncias às nebulosas apresentadas por Hubble eram somente metade dos valores das distâncias reais. Os números apresentados por Hubble discordavam com o que os cientistas já sabiam sobre a idade do universo. Não obstante, a relação velocidade-distância foi uma extrapolação corajosa e brilhante. Entre 1925 e 1929 Hubble publicou três longos artigos nos quais tratava as antigas "nebulosas espirais" como "Universos ilhas" e demonstrava que elas estavam a enormes distâncias de nós, que variavam de 240000 a 275000 parsecs.
No entanto, somente no parágrafo final do seu artigo publicado em 1929 é que Hubble menciona de Sitter ou algo de teoria! Hubble simplesmente diz que a relação-distância velocidade poderia representar o "efeito de Sitter" e poderia ser de interesse na discussão cosmológica. Hubble enfatizou o aspecto observacional, empírico de seu trabalho. Seu principal objetivo era convencer os leitores céticos que a "relação velocidade-distância" realmente existia.
Somente em 1935, quando Hubble provou que os cálculos feitos por outros astrônomos estavam errados, é que seus resultados foram amplamente aceitos. Agora os astrônomos acreditavam que o universo estava se expandindo, um resultado que já havia sido demonstrado por Carl Wirtz em 1922. Com muita certeza podemos dizer que Hubble, em 1929, consolidou com bases observacionais firmes, a lei de expansão do Universo mas de modo algum pode ser atribuído a ele a descoberta da expansão do universo como é costume aparecer em muitos livros, em particular livros de divulgação de autores norte-americanos.
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