Por que o espaço é escuro se existem bilhões de estrelas?

Olhe para o céu em uma noite realmente escura. Entre uma estrela e outra existe muito preto. Parece óbvio, até surgir uma pergunta incômoda: se o universo tem uma quantidade gigantesca de estrelas, por que não existe uma estrela em cada direção que olhamos?

Essa pergunta ficou conhecida como paradoxo de Olbers. Ela parece simples, mas toca em coisas enormes: a idade do universo, sua expansão e até a forma como a luz viaja pelo cosmos.

A resposta curta é que o universo não é um cenário eterno e parado. Ele teve uma história. E essa história impede que o céu inteiro fique iluminado como a superfície de uma estrela.

O problema de um universo infinito e eterno

Imagine um universo muito simples: infinito, parado, eterno e cheio de estrelas distribuídas mais ou menos da mesma forma em todas as direções.

Nesse cenário, qualquer linha de visão deveria acabar encontrando a superfície de uma estrela. Pode ser uma estrela absurdamente distante, mas haveria uma em algum ponto. Se repetíssemos isso para cada pedacinho do céu, o resultado seria um fundo brilhante por toda parte.

Existe ainda um detalhe matemático interessante. Quanto mais longe olhamos, maior é o volume de espaço observado. As estrelas individuais ficam mais fracas com a distância, mas a quantidade potencial de estrelas cresce. No modelo idealizado, esses efeitos não salvam o céu noturno.

Só que o universo real não atende às premissas desse cenário.

A luz não teve tempo de chegar de qualquer distância

A primeira pista está na idade do universo.

O cosmos tem aproximadamente 13,8 bilhões de anos. Como a luz viaja a uma velocidade finita, existe um limite para o quanto de informação luminosa poderia ter chegado até nós desde o início da história cósmica.

Isso significa que não podemos simplesmente somar a luz de estrelas localizadas a distâncias arbitrariamente grandes em um passado infinito. Esse passado infinito não existiu.

É parecido com acender milhares de lanternas cada vez mais longe em uma planície gigantesca. Se algumas foram ligadas há pouco tempo e a luz ainda não teve tempo de alcançar você, elas não participam da imagem que seus olhos recebem agora.

No universo, a escala é outra, mas o princípio é o mesmo.

As estrelas também não brilham para sempre

Outra premissa que falha é imaginar estrelas eternas.

Estrelas nascem, passam por diferentes fases e eventualmente mudam de estado ou deixam de produzir luz da mesma maneira. Além disso, as primeiras estrelas não apareceram no instante inicial do universo. Foi preciso tempo para a matéria formar as primeiras estruturas e, depois, estrelas e galáxias.

Portanto, nem mesmo dentro da região do universo que conseguimos observar existe uma população infinita de estrelas que esteve brilhando desde sempre.

A expansão do universo muda a luz no caminho

A expansão cósmica acrescenta mais uma parte à resposta.

Enquanto a luz de objetos muito distantes viaja pelo espaço, o próprio espaço se expande. O comprimento de onda dessa luz é esticado. É o chamado desvio para o vermelho cosmológico.

Uma radiação que começou em comprimentos de onda visíveis pode chegar até nós deslocada para o infravermelho. Se veio de épocas ainda mais antigas, pode aparecer em outras regiões do espectro que nossos olhos não detectam.

Então existe energia chegando de todas as direções, mas isso não significa que toda essa energia apareça como luz visível para uma pessoa olhando o céu.

Na verdade, o universo tem um brilho de fundo

Aqui a história fica ainda mais interessante.

Se nossos olhos enxergassem micro-ondas, o céu não pareceria preto do mesmo jeito. Existe uma radiação espalhada praticamente por toda parte chamada radiação cósmica de fundo. Ela é uma espécie de registro do universo quando ele tinha cerca de 380 mil anos e se tornou transparente à luz.

Com a expansão do universo, essa radiação foi esticada até comprimentos de onda de micro-ondas. Missões como a Planck, da Agência Espacial Europeia, mapearam esse brilho em todo o céu.

Então a frase “o espaço é escuro” depende também de qual faixa do espectro conseguimos enxergar.

Para nossos olhos, boa parte do universo parece escura. Para instrumentos sensíveis a rádio, micro-ondas, infravermelho, ultravioleta ou raios X, o céu pode ser muito mais movimentado.

E a poeira? Ela não poderia esconder as estrelas?

Essa foi uma das explicações propostas no passado: talvez exista matéria suficiente entre as estrelas para bloquear a luz distante.

O problema é que isso não resolve o paradoxo em um universo eterno. Se uma poeira absorvesse luz continuamente, ela esquentaria e acabaria reemitindo essa energia. A energia não desapareceria simplesmente.

Poeira interestelar realmente bloqueia e espalha luz em muitas regiões do universo. Ela é importantíssima para astronomia. Só não é a solução fundamental para o céu noturno ser escuro.

A foto profunda do Hubble mostra bem o tamanho da questão

A imagem que acompanha esta matéria é o Hubble Ultra Deep Field. O telescópio ficou observando uma região minúscula do céu durante muitas exposições e revelou milhares de galáxias onde, a olho nu, pareceria haver quase nada.

Isso ajuda a entender por que a pergunta de Olbers é tão boa. O espaço aparentemente vazio pode esconder uma quantidade enorme de objetos distantes.

Mesmo assim, o céu não vira uma parede branca de luz porque estamos observando um universo com idade finita, que evolui, que se expande e em que as fontes luminosas também têm histórias próprias.

Por que o céu perto do Sol é azul durante o dia?

Esse é outro fenômeno. Durante o dia, o céu terrestre fica claro porque a luz do Sol é espalhada pela atmosfera. As moléculas no ar espalham mais fortemente os comprimentos de onda menores da luz visível, o que favorece a aparência azul.

Na Lua, onde não existe uma atmosfera densa como a nossa, o céu permanece preto mesmo com o Sol brilhando acima do horizonte.

Então existem duas perguntas diferentes:

1. por que o céu da Terra fica claro durante o dia;
2. por que o fundo do universo permanece escuro à noite.

A primeira envolve principalmente a atmosfera terrestre. A segunda envolve cosmologia.

O preto do céu é uma pista sobre a história do universo

O mais interessante no paradoxo de Olbers é que a escuridão não é apenas ausência de informação. Ela própria é informação.

Se vivêssemos em um universo eterno, estático e uniformemente cheio de estrelas, o céu noturno deveria ser muito diferente. O fato de ele ser escuro combina com um universo que tem idade finita e está em expansão.

É um daqueles casos em que uma observação banal, algo que qualquer pessoa pode perceber ao sair de casa à noite, leva direto a uma das maiores perguntas da física: que tipo de universo é este em que vivemos?