Qual é o tamanho do Universo? Entre o horizonte cosmológico e o infinito

O paradoxo do limite do Universo observável: O horizonte cosmológico

O Universo observável tem um raio de cerca de 46 bilhões de anos-luz, um valor que parece paradoxal dado que a idade do Universo é estimada em 13,8 bilhões de anos. Este paradoxo é explicado pela expansão do Universo (expansão do espaço em si, que estica a distância entre os objetos cosmológicos): o próprio espaço está se esticando, permitindo que a luz viaje distâncias maiores do que o simples produto da velocidade da luz pela idade do Universo.

A expansão do Universo

A expansão do Universo significa que o próprio espaço está crescendo com o tempo. Não são as galáxias que "viajam" pelo espaço como foguetes, mas sim o espaço entre elas que se estica, como pontos desenhados na superfície de um balão que está sendo inflado.

Esta ideia foi confirmada por Edwin Hubble em 1929, ao observar que quanto mais distante uma galáxia está, mais rapidamente ela se afasta de nós. Isso é resumido pela fórmula simples: \(v = H \times d\), onde \(v\) é a velocidade de afastamento, \(d\) é a distância e \(H\) é a constante de Hubble.

Graças a esta expansão, o Universo observável é muito maior do que sua idade expressa em anos-luz: embora tenha 13,8 bilhões de anos, seu raio observável atinge cerca de 46 bilhões de anos-luz. A luz das galáxias distantes viajou durante todo esse tempo, mas o espaço se esticou durante sua jornada.

N.B.:
Descobertas recentes mostram até que esta expansão está acelerando, como se uma misteriosa "energia escura" estivesse empurrando o Universo a crescer cada vez mais rápido.

Por que o Universo observável é maior do que sua idade?

A distância medida em um dado momento cosmológico é chamada de distância comóvel, ou seja, "congelando" a expansão em um determinado momento. Esta é a definição usada hoje para expressar o raio observável de 13,8 bilhões de anos.

No entanto, o raio comóvel corresponde a uma medida de distância que permanece fixa para um dado objeto, independentemente da expansão do Universo. Por exemplo, uma galáxia cuja luz leva 13,8 bilhões de anos para nos alcançar está atualmente a cerca de 46 bilhões de anos-luz de distância comóvel. Esta grandeza é essencial para comparar escalas cosmológicas, pois neutraliza o efeito da expansão e define claramente o volume do Universo observável.

N.B.:
O valor "46,5 Gly" designa uma distância comóvel hoje, não o tempo de viagem da luz; a diferença vem da expansão do espaço.

Além do horizonte: O Universo inacessível

Além deste horizonte de 46 bilhões de anos-luz, existe uma parte do Universo que não podemos observar. A luz proveniente dessas regiões ainda não teve tempo de nos alcançar desde o Big Bang (momento inicial hipotético do Universo, marcando o início de sua expansão). De acordo com os modelos cosmológicos padrão, o Universo pode ser infinito ou finito, mas sem borda.

Os diferentes horizontes

Para entender o Universo observável, é necessário distinguir várias noções de distância e tempo. Juntos, esses conceitos ajudam a visualizar melhor a estrutura e evolução do Universo observável.

O raio comóvel observável corresponde à distância mais longa que podemos ver hoje, cerca de 46 bilhões de anos-luz.
O diâmetro observável representa o tamanho total da esfera centrada em nós, ou seja, duas vezes o raio comóvel, cerca de 93 bilhões de anos-luz.
O raio de Hubble define uma escala onde a expansão do espaço atinge a velocidade da luz, cerca de 14 bilhões de anos-luz.
A idade do Universo indica o tempo decorrido desde o Big Bang, cerca de 13,8 bilhões de anos.

Comparação dos horizontes e valores característicos
Conceito	Definição	Valor indicativo	Comentário
Raio comóvel observável	Distância comóvel hoje até a superfície de última dispersão	≈ 46,5 Gly	Valor dependente do modelo, comumente citado como "46 bilhões de anos-luz".
Diâmetro observável	Duas vezes o raio comóvel	≈ 93 Gly	Volume comóvel observado associado à esfera centrada no observador.
Raio de Hubble	\(c/H_0\), escala característica	≈ 14,4 Gly	Escala relacionada ao valor de \(H_0\); significado físico diferente do horizonte de partículas.
Idade do Universo	Tempo decorrido desde o Big Bang	≈ 13,8 Gyr	Parâmetro bem restringido pela CMB e síntese de dados cosmológicos.

Viajar mais rápido do que a luz: é possível?

De acordo com a relatividade restrita de Einstein, nada pode se deslocar mais rápido do que a luz no vácuo. Este limite de velocidade, \(c \approx 299.792\) km/s, é fundamental para a causalidade e a própria estrutura do espaço-tempo. Assim, uma nave ou partícula nunca pode atingir ou exceder essa velocidade movendo-se localmente pelo espaço.

No entanto, existem exceções em escala cosmológica. A expansão do Universo (estiramento do próprio espaço-tempo) pode separar dois objetos a uma velocidade aparente maior do que a da luz, sem violar a relatividade. Na verdade, não é o objeto que se move pelo espaço mais rápido do que \(c\), mas o próprio espaço que se estica entre eles. Isso explica por que galáxias muito distantes parecem estar se afastando de nós mais rápido do que a luz, dentro do modelo padrão \(\Lambda\)-CDM.