Como ciência descobriu há 100 anos que Via Láctea não é a única galáxia do Universo

Há cem anos, em 23 de novembro de 1924, os leitores que abrissem a página 6 do The New York Times encontrariam um artigo interessante, ao lado de vários anúncios de casacos de pele.

A manchete dizia: “Nebulosas espirais encontradas são sistemas estelares: Dr. Hubbell [sic] confirma a informação de que são ‘universos-ilha’, semelhantes ao nosso.”

O astrônomo O americano que gerou o relatório, Edwin Powell Hubble (1889-1953), provavelmente ficou surpreso com o erro na grafia de seu sobrenome. Mas a história detalhava uma descoberta revolucionária.

Hubble descobriu que duas nebulosas espiraisobjetos compostos por gases e estrelas — que, até então, se acreditava estarem dentro da Via Láctea — estão, na verdade, localizados fora da nossa galáxia.

Esses objetos eram as galáxias Andrômeda e Messier 33, as mais próximas da nossa Via Láctea. Atualmente, estima-se que trilhões de galáxias povoem o Universo, com base em observações de dezenas de milhões delas.

Quatro anos antes do anúncio do Hubble, um evento denominado “o grande debate” ocorreu na capital dos Estados Unidos, Washington DC. Estavam reunidos os astrônomos norte-americanos Harlow Shapley (1885-1972) e Heber Curtis (1872-1942).

Shapley demonstrou recentemente que a Via Láctea é maior do que as medições anteriores. Ele afirmou que a galáxia poderia acomodar nebulosas espirais dentro dela. Mas Curtis defendeu a existência de outras galáxias, além da Via Láctea.

Retrospectivamente e ignorando certos detalhes, Curtis venceu o debate. Mas o método adotado por Shapley para medir distâncias ao longo da Via Láctea foi fundamental para a descoberta de Hubble — e foi derivado do trabalho de uma pioneira astronômica americana chamada Henrietta Swan Leavitt (1868-1921).

Medindo a distância entre estrelas

Em 1893, o jovem Leavitt foi contratado como “computador” para analisar imagens de observações telescópicas no Harvard College Observatory, em Massachusetts, Estados Unidos.

Leavitt estudou placas fotográficas a partir de observações telescópicas de outra galáxia, a Pequena Nuvem de Magalhães, conduzidas por outros pesquisadores do observatório.

Leavitt procurava estrelas com brilho que mudava com o tempo. Entre mais de 1.000 estrelas variáveis, ela identificou que 25 eram de um tipo conhecido como Cefeidas. Os resultados de seu estudo foram publicados em 1912.

O brilho das Cefeidas muda com o tempo. Portanto, eles parecem pulsar.

Mas Leavitt encontrou um relacionamento consistente. As cefeidas que pulsavam mais lentamente eram intrinsecamente mais brilhantes (luminosas) do que aquelas que pulsavam mais rápido. O fenômeno foi denominado “relação período-luminosidade”.

Outros astrônomos perceberam a importância do trabalho de Leavitt. A relação poderia ser usada para calcular a distância até as estrelas.

Enquanto estudava na Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, Shapley usou a relação período-luminosidade para estimar a distância entre a Terra e outras Cefeidas ao longo da Via Láctea. Foi assim que ele estimou o tamanho da nossa galáxia.

Mas para que os astrônomos soubessem com certeza as distâncias dentro da Via Láctea, eles precisavam de uma forma mais direta de medir a distância até as Cefeidas.

Outra forma de medir distâncias cósmicas é o método da paralaxe estelar, mas só funciona para estrelas próximas.

À medida que a Terra gira em órbita ao redor do Sol, uma estrela próxima parece se mover em relação a outras estrelas mais distantes. Este movimento aparente é conhecido como paralaxe estelar.

Com o ângulo desta paralaxe, os astrônomos podem determinar a distância da Terra à estrela.

O pesquisador dinamarquês Ejnar Hertzsprung (1873-1967) usou a paralaxe estelar para obter a distância entre a Terra e várias estrelas Cefeidas próximas, ajudando a calibrar o trabalho de Leavitt.

A reportagem do New York Times destacou os “grandes” telescópios do Observatório Mount Wilson, perto de Los Angeles, nos Estados Unidos. Foi onde o Hubble trabalhou.

O tamanho do telescópio é geralmente determinado pelo diâmetro do espelho principal. Com seu espelho de 2,5 metros de diâmetro para receber luz, o telescópio Hooker no Monte Wilson era o maior da época.

Grandes telescópios não são apenas mais sensíveis para resolver galáxias. Eles também criam imagens mais nítidas. Portanto, Edwin Hubble estava no lugar certo para fazer a sua descoberta.

Quando Hubble comparou as suas placas fotográficas feitas com o telescópio de 2,5 metros com aquelas tiradas nas noites anteriores por outros astrónomos, ele ficou entusiasmado ao ver uma estrela brilhante parecer mudar de brilho ao longo do tempo, como esperado para uma Cefeida.

E, usando os cálculos de Leavitt, Hubble descobriu que a distância até à sua Cefeida era maior do que o tamanho calculado por Shapley para a Via Láctea.

O Hubble passou meses examinando outras nebulosas espirais, enquanto procurava por mais Cefeidas para medir suas distâncias.

A notícia de suas observações se espalhou entre os astrônomos. Em Harvard, Shapley recebeu uma carta do Hubble detalhando a descoberta. Ele a encaminhou à colega astrônoma Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979), com o comentário: “Esta é a carta que destruiu meu universo”.

A expansão do Universo

Além de estimar a distância entre a Terra e as galáxias, os telescópios também podem medir a velocidade com que uma galáxia se afasta ou se aproxima da Terra.

Para fazer isso, os astrônomos medem seu espectro – os diferentes comprimentos de onda da luz emitida pela galáxia. Eles então calculam o efeito Doppler e o aplicam a esse espectro.

O efeito Doppler ocorre com ondas luminosas e sonoras. É responsável por fazer com que o ruído da sirene aumente quando um veículo de emergência se aproxima e diminua após sua passagem.

Quando uma galáxia se afasta da Terra, algumas características do espectro conhecidas como linhas de absorção têm comprimentos de onda mais longos do que se não estivessem em movimento.

Isto é devido ao efeito Doppler. Dizemos que essas galáxias foram “desviadas para o vermelho”.

A partir de 1904, o astrônomo americano Vesto Slipher (1875-1969) começou a utilizar o efeito Doppler com um telescópio de 61 cm no Observatório Lowell em Flagstaff, Arizona (Estados Unidos).

Ele descobriu que as nebulosas podem ter desvio para o vermelho (afastando-se de nós) ou desvio para o azul (movendo-se em nossa direção). Slipher concluiu que algumas nebulosas se afastam da Terra a velocidades de até 1.000 km/s.

Hubble combinou as medições de Slipher com as suas estimativas de distância para cada galáxia e descobriu que havia uma relação. Quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela se afasta da Terra.

Esse fenômeno pode ser explicado pela expansão do Universo a partir de uma origem comum, que, curiosamente, ficaria conhecida como Big Bang.

O anúncio feito há 100 anos consolidou o lugar do Hubble na história da astronomia. Seu nome seria adotado, anos depois, para designar um dos mais poderosos instrumentos científicos já criados pela humanidade: o Telescópio Espacial Hubble.

Parece incrível observar que, num espaço de apenas cinco anos, a nossa compreensão do Universo ganhou um foco totalmente novo.

*Jeffrey Grube é professor de Física no King’s College London.

Este artigo foi publicado originalmente no site de notícias acadêmicas A conversa e republicado sob uma licença Creative Commons. Leia a versão original em inglês aqui.