Paradoxo da Noite Negra ou Paradoxo de Olbers

Descrição da imagem: As estrelas têm uma idade finita e, portanto, uma duração de vida. Sua fonte de luz é demasiado efêmera para saturar o espaço com sua radiação. Crédito: imagem de Stellarium

Por que a noite é negra?

"A noite só é noite para nós. São nossos olhos que estão escuros." Esta citação de René Barjavel (1911-1985) no romance de ficção científica "A Noite dos Tempos" poderia ser a resposta para a pergunta: Por que a noite é negra?
Cada um de nós poderia simplesmente admitir que a causa da noite negra se resume à ausência do Sol acima do horizonte, mas essa não é uma boa resposta.
De fato, a noite é negra e antes do século XX, o universo era considerado estático, infinito e povoado de estrelas. Por vários séculos, essas duas ideias permaneceram paradoxais!
Evidentemente, a noite sempre foi negra. Mas se o universo fosse infinito no espaço e no tempo, não importando a direção para a qual olhássemos, nossa linha de visão deveria cruzar com uma estrela, mesmo uma muito distante. O céu, portanto, deveria aparecer tão brilhante quanto o Sol em todos os lugares. No entanto, constatamos que a noite é essencialmente negra.
Essa afirmação, conhecida como paradoxo de Olbers, foi estudada em 1826 por Heinrich Olbers (1758-1840). No entanto, a questão já havia sido levantada desde 1576 por Thomas Digges (1546-1595) em uma publicação onde ele distribuía as estrelas aleatoriamente por toda a esfera celeste. Essa visão do céu o levou a se perguntar "por que essa infinitude de estrelas não ilumina o céu noturno?". Sua resposta foi que a maioria delas estava muito longe para ser visível, mas essa não é uma boa resposta.
Em 1610, em sua carta de apoio a Galileu "Dissertatio cum Nuncio Sidereo" (Conversação com o Mensageiro Celestial), Johannes Kepler (1571-1630) parece descartar a noção de um universo infinito.
Embora muitos astrônomos tenham se perguntado sobre isso, a resolução desse paradoxo permaneceu sem solução por três séculos.

Por que uma infinitude de estrelas deveria iluminar o céu noturno?

Edmond Halley (1656-1742) e Jean-Philippe Loys de Chéseaux (1718-1751) forneceram uma resposta matemática a essa pergunta. De Chéseaux, em 1744, inspirado pelo trabalho de Halley, imaginou o céu como uma série de camadas esféricas concêntricas de espessura constante centradas no observador. Assim, o número de estrelas em cada camada é proporcional à sua superfície, portanto, ao quadrado de seu raio. Em outras palavras, a uma distância 2d há 4 vezes mais estrelas, a uma distância 4d há 16 vezes mais estrelas, etc.
No entanto, a intensidade luminosa de uma estrela é inversamente proporcional ao quadrado de sua distância. Em outras palavras, se a uma distância d, uma estrela tem uma certa luminosidade, a uma distância 2d, ela é 4 vezes menos luminosa. O fluxo de uma estrela diminui como o inverso do quadrado da distância ƒ(e)=L/4πr² (L=luminosidade).
Assim, se o universo é infinito, temos uma infinitude de camadas com a mesma luminosidade e o observador recebe a mesma quantidade de energia luminosa de cada camada. A luminosidade total deveria ser infinita.
Agora sabemos que essa afirmação está incorreta porque as estrelas têm uma vida finita.

Por que não considerar simplesmente que o meio cósmico não é transparente em todos os lugares?

Assim, a luz das estrelas poderia ser bloqueada por poeira e gás interestelares. Essa explicação também não é correta, pois o meio aqueceria pouco a pouco ao absorver a luz e se tornaria tão brilhante quanto a superfície de uma estrela. Isso não resolve o paradoxo de Olbers.

Por que não considerar que a luz das estrelas distantes não teve tempo de chegar até nós?

De fato, em 1848 Edgar Allan Poe (1809-1849) apresentou intuitivamente essa hipótese em seu ensaio sobre o universo material e espiritual intitulado "Eureka".
De fato, a velocidade da luz sendo finita (como se sabia na época), leva um certo tempo para nos alcançar. Mas essa hipótese não é correta em um universo infinito e eterno. Se o universo é eterno, não importa quanto tempo a luz leve para nos alcançar, ela já deveria nos ofuscar.
Em 1901, William Thomson, conhecido como Lord Kelvin (1824-1907), demonstrou que em um universo transparente, uniforme e estático, uniformemente preenchido com estrelas, a idade finita das estrelas impedia a visibilidade das estrelas distantes.
Para resolver esse simples paradoxo da noite negra, foi necessário revisar completamente nossa concepção do universo.
Por trás da história do paradoxo de Olbers estava uma realidade cósmica inquietante da qual surgiram vários conceitos no final do século XX.
- O universo não existiu sempre; ele tem uma história e uma idade finita de 13,77 bilhões de anos.
- A velocidade da luz (300.000 km/s) é finita e, portanto, o universo tem um tamanho finito. Em 13,77 bilhões de anos, os fótons percorreram 13,77 bilhões de anos-luz.
- As estrelas têm uma idade finita e, portanto, uma duração de vida finita. Sua fonte de luz é demasiado efêmera para saturar o espaço com sua radiação.
- O universo está em expansão acelerada. O céu está se tornando cada vez mais escuro porque a luz das galáxias distantes está cada vez mais deslocada para o vermelho (efeito Doppler). As galáxias mais distantes, perdendo cada vez mais seu brilho, são extremamente difíceis de observar.

Conclusão

É necessário reunir todas essas hipóteses para resolver o paradoxo da noite negra.
"A noite só é noite para nós. São nossos olhos que estão escuros."
Na observação infravermelha, as galáxias distantes revelam resplendores gigantescos que iluminam a poeira interestelar. Para cada ponto do céu, nossa linha de visão cruza o fluxo infravermelho de uma galáxia.
Mas o brilho mais original encontra-se nas micro-ondas. Esta radiação fossilizada resfriada é observada em todas as direções do céu.

Descrição da imagem: Este mapa completo do CMB (Fundo Cósmico de Microondas) mostra as flutuações de temperatura do Universo primitivo quando ele se tornou transparente ~380.000 anos após o Big Bang. A diferença máxima de temperatura entre as áreas frias azuis e as áreas quentes vermelhas é da ordem de 0,0001 °C. Crédito: Montagem de imagens tiradas por Planck (satélite da ESA) durante 9 anos.

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