Porque é que o céu está escuro à noite?

Da nossa perspectiva aqui no Sistema Solar, faz todo o sentido intuitivo porque vemos o que fazemos de dia versus de noite. Durante o dia, a luz solar inunda nossa atmosfera em todas as direções, com a luz solar direta e refletida vindo de todos os lugares que podemos ver. À noite, a luz solar não inunda a atmosfera, e por isso é escuro em todo o céu que não há um ponto de luz, como uma estrela, um planeta, ou a Lua.

Mas você pode começar a se perguntar um pouco mais profundamente do que isso. Se o Universo é infinito, não deveria a nossa linha de visão eventualmente correr para uma estrela, não importa em que direção olhamos? Dado que existem triliões de galáxias lá fora, e que os telescópios são capazes de ver os fracos que os nossos olhos não conseguem ver, porque é que a luz de todos eles combinados não ilumina todos os pontos do céu? Não é uma pergunta fácil de responder, mas a ciência está à altura do desafio.

Este é um puzzle que há séculos preocupa os cientistas. Se você pensar profundamente sobre isso, pode até não fazer sentido para você. Sim, é verdade que a nossa atmosfera aqui na Terra é amplamente transparente à luz visível, que é o que nos permite ver para o vasto abismo do espaço profundo à noite. Nossa localização na galáxia significa que apenas o plano galáctico é obscurecido pelo pó e gás do primeiro plano que bloqueia a luz da região central da Via Láctea.

Mas fora disso, você pode esperar ver a luz em todas as direções e em todos os lugares que você foi capaz de olhar para dentro. Afinal, se o Universo é verdadeiramente infinito, então o vazio do espaço profundo continua para sempre. Em qualquer direção que você possa imaginar, eventualmente a sua linha de visão correrá para um ponto brilhante de luz.

Se isto fosse verdade, então o céu noturno não seria de todo escuro, mas seria iluminado por cada estrela cujo caminho de luz fizesse a longa jornada para a Terra.

Yet, mesmo quando olhamos para as profundezas mais profundas do que parece ser o espaço vazio, onde nenhuma estrela ou galáxia pode ser vista pelos olhos humanos ou mesmo pelos telescópios convencionais, os nossos observatórios mais poderosos revelam tanto que está lá, mas ainda são apenas alguns pontos de luz contra o fundo negro do espaço vazio.

Yes, o Universo está cheio de estrelas e galáxias. Sim, elas estão a distâncias enormes: milhões, bilhões, ou mesmo dezenas de bilhões de anos-luz de distância. A luz das estrelas viaja através do Universo e chega ao nosso melhor equipamento de observação, revelando um Universo rico e de enorme extensão. Mas enorme, não importa quão grande seja, é um longo, longo caminho desde o infinito.

O júri, cientificamente, ainda não sabe se o Universo é finito ou infinito; nós simplesmente não sabemos. O que sabemos, porém, é que a parte do Universo que é observável para nós deve ser finita. Apesar de não sabermos praticamente nada sobre a estrutura em grande escala do Universo até à segunda metade do século XX, ainda sabíamos que um Universo observável infinitamente grande era simplesmente uma impossibilidade.

Back in the 1800s, Heinrich Olbers tomou nota de um paradoxo matemático. Se você tivesse um Universo infinito com uma densidade constante de estrelas e/ou galáxias, então você acabaria vendo uma quantidade infinita de luz de todas as direções em que você olharia. Você veria todas as estrelas que estavam próximas, e então nos espaços entre as estrelas, você veria as estrelas mais distantes. Nos espaços entre essas estrelas, você veria ainda mais estrelas que estavam a uma distância maior. Independentemente da distância até elas – milhões, bilhões, trilhões, quadrilhões de anos-luz, etc. – eventualmente, onde quer que você olhasse, você encontraria uma estrela.

Pense matematicamente, se quiser. Se a densidade de número de estrelas for constante em todo o espaço, então o número total de estrelas que ireis encontrar é igual à densidade estelar multiplicada pelo volume do Universo. Quanto mais distante estiver uma estrela, mais desmaiada ela aparece: seu brilho cai como a distância inversa ao quadrado (~1/r2).

Mas o número total de estrelas que você pode ver a uma determinada distância está relacionado com a superfície de uma esfera, que aumenta com a distância ao quadrado. (A fórmula para a superfície de uma esfera é 4πr2.) Multiplique o número de estrelas pelo brilho de cada estrela, e obterá uma constante. A luminosidade a uma certa distância é um valor particular: chamemos-lhe B. Duas vezes mais longe, essa luminosidade é também B. Três vezes? Ainda B. Quatro? B novamente.

Agora soma essa série: B + B + B + B + B + ….. e assim por diante. Você pode ver onde isso está indo? A resposta, infelizmente, é para o infinito. A menos que haja algum corte nessa série, você terá um valor infinito para o brilho do céu noturno em todas as direções.

Back no século 19, Olbers usou essa linha de raciocínio para concluir que o Universo observável não poderia ser infinito, mas ele não podia ter certeza. Afinal de contas, havia outras preocupações astronômicas. Uma das objeções comuns era que esta análise ingênua não levava em conta toda a poeira bloqueadora de luz que estava claramente presente, e que você podia ver apenas olhando para o plano da Via Láctea. Mesmo nos tempos modernos, muitas das nossas mais famosas vistas astronómicas estão cheias de pó que bloqueia a luz.

Num Universo finito, essa poeira pode competir com a luz estelar, pois a luz visível que atinge a poeira é absorvida e re-radiada a energias mais baixas. Mas se o Universo fosse verdadeiramente infinito, o problema do Paradoxo de Olbers surgiria para cada grão de pó lá fora: cada grão teria de absorver uma quantidade infinita de luz estelar, até que também ela irradiava à mesma temperatura de toda a luz que absorvia!

Por outras palavras, algo estava desligado. O nosso Universo não podia ser estático, infinito, e cheio de estrelas que brilhavam para sempre. Se este fosse o caso, o céu noturno seria para sempre e eternamente brilhante, em todos os lugares e em todas as direções. Claramente, algo mais está funcionando aqui.

O fato que nos salva, que Olbers não tinha como saber em seus dias, não é que o Universo não é infinito em extensão (ainda poderia ser), mas que não volta, em sua forma atual, por uma quantidade infinita de tempo. O Universo que hoje habitamos teve um começo: um dia sem um ontem. Esse começo é conhecido como o Big Bang, que coloca uma linha de partida para toda a matéria, radiação, energia e luz que possivelmente existe no Universo observável.

O Universo não existe desde sempre, e por isso só podemos observar estrelas e galáxias que estão a uma distância específica e finita. Portanto, só podemos receber uma quantidade finita de luz, calor e energia delas, e não pode haver uma quantidade arbitrariamente grande de luz em nosso céu noturno.

Mas isto traz outra peça para o puzzle. Se o Universo fosse quente e denso e cheio de matéria e radiação em algum momento precoce, como diz o Big Bang, então a radiação precoce deveria eventualmente chegar aos nossos olhos. Para onde quer que olhemos, em todas as direcções, não deve haver fuga a essa radiação.

De facto, com base nas observações dos dias modernos, podemos de facto calcular quantos fotões que restam do Big Bang estão hoje a encher o Universo, e a resposta é 411 deles por cada centímetro cúbico de espaço. Se você está perguntando porque não o detectamos, a resposta é que o fazemos, e o fazemos o tempo todo. Se você levasse uma televisão de estilo muito antigo, uma com antenas de ouvido de coelho, para fora da profundidade do espaço intergaláctico, longe de qualquer fonte de rádio estelar ou terrestre, você poderia sintonizá-la no canal 3. Você ainda veria cerca de 1% da “neve” que você vê na Terra; essa é a radiação do Big Bang.

O facto é que recebemos esta luz do Big Bang, e que é encontrada por todo o céu de uma forma inevitável. A única razão pela qual você não a vê a olho nu é porque o Universo se expandiu ao longo da história cósmica, e assim esta luz outrora visível é agora deslocada para comprimentos de onda tão longos que seus olhos não podem vê-los, sua pele não pode senti-los, e seu corpo não pode detectá-los.

Mas seu microondas e antenas de rádio podem capturá-los. Na verdade, foi assim que esta radiação foi descoberta pela primeira vez, e como o Big Bang foi confirmado pela primeira vez: com uma antena de rádio gigante que captou este sinal, não importava quando ou onde os cientistas que a operavam estavam olhando. Se nossos olhos tivessem se adaptado para ver microondas ou luz de rádio, nós veríamos, de fato, um céu noturno que era uniformemente brilhante em todas as direções, sem pontos escuros em qualquer lugar.

São necessários dois fatos, juntos, para explicar porque o céu noturno é escuro. O primeiro é que o Universo só existe há uma quantidade finita de tempo, o que limita a extensão e a quantidade de radiação que é actualmente observável para nós. A segunda é que só podemos ver a luz numa parte limitada do espectro electromagnético: a parte óptica.

Se pudéssemos, em vez disso, ver o céu em luz de microondas, o céu apareceria sempre brilhante em todas as direcções. É um pouco irônico, quando você pensa nisso, que só nossas limitações humanas é que fizeram o céu noturno parecer um lugar interessante para se explorar. Hoje, construímos satélites concebidos para medir esta radiação de forma requintada, e eles ensinaram-nos muito mais sobre a origem e as propriedades do nosso Universo do que alguma vez aprenderíamos apenas com o uso dos nossos sentidos limitados. O céu noturno pode parecer-nos escuro, mas a luz que está sempre lá ensinou-nos a derradeira resolução para este paradoxo cósmico.