Existem outras provas do universo em expansão além do desvio para o vermelho?

A teoria do universo em expansão é tão amplamente aceita que o desvio para o vermelho às vezes é usado como uma medida de distância para galáxias distantes.

Mas ainda é possível que o desvio para o vermelho seja causado por alguns fenômenos desconhecidos e não por galáxias se afastando umas das outras?

Existe alguma outra prova (além do desvio para o vermelho) de que o universo está realmente se expandindo e galáxias distantes estão se afastando de nós?

Sim, há evidências diretas de expansão no turno não-vermelho.

A temperatura passada da radiação cósmica de fundo por microondas (CMBR) foi diretamente medida e considerada substancialmente mais alta do que é hoje. Sua redução na temperatura ao longo do tempo é evidência direta de expansão. Aqui estão os detalhes:

De acordo com este artigo , o CMBR estava mensurávelmente mais quente no passado ( sinopse menos técnica aqui ). Os pesquisadores observaram linhas de absorção em uma nuvem de gás localizada em uma galáxia distante e descobriram que o padrão de linhas visto só poderia ser explicado se a temperatura do CMBR no momento da absorção estivesse entre 6 K e 14 K (agora são 3 K). Essa temperatura é consistente com a temperatura esperada para o desvio para o vermelho da galáxia (9 K). Observe que a temperatura foi medida a partir do padrão específico de linhas visto e não de quanto as linhas foram deslocadas para o vermelho; essa medição produziria a mesma temperatura, mesmo que não houvesse desvio para o vermelho. Como uma temperatura mais alta implica uma densidade mais alta, esse resfriamento do CMBR ao longo do tempo é uma evidência direta da expansão do universo.

Comentários adicionais

• Qual é a relação entre o desvio para o vermelho e as linhas de absorção?

  Inspirado por uma conversa com uhoh nos comentários:

  Na minha resposta, refiro-me a um "padrão" de "linhas de absorção". Para aqueles que não são versados ​​no tópico, permita-me explicar.

  Quando uma luz brilha através de uma nuvem de gás, freqüências específicas de luz são absorvidas. Quando essa luz é brilhada através de um prisma, as frequências bloqueadas aparecerão como linhas pretas no espectro (veja a ilustração abaixo). As linhas exatas que aparecem e suas posições no espectro (o "padrão" das "linhas de absorção") dependem dos elementos presentes no gás e no ambiente do gás. O efeito é mais claramente visto com uma luz que emite fótons em todas as frequências; esse tipo de luz é conhecido como radiação do corpo negro . Embora emitindo luz em todas as frequências, um radiador de corpo negro emitirá mais luz em um comprimento de onda específico; a localização desse pico é chamada de temperatura do corpo negro.

  
  ^{Fonte: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (excelente site BTW, o FAQ vale a pena procurar mais informações sobre desvios de vermelho e cosmologia em geral)}

  À medida que a luz viaja através do espaço (em expansão), ela é comprimento de onda e os comprimentos de onda das linhas de absorção se estendem a uma taxa fixa para todas as frequências. Digamos que, no momento da emissão / absorção, um espectro mostre linhas nos comprimentos de onda de 1, 3 e 5 nm ¹ . Depois que os fótons viajam por um certo período de tempo, todos os comprimentos de onda do espectro parecem ter dobrado ² . A linha anteriormente a 1 nm agora é vista a 2 nm, a linha anteriormente a 3 nm agora é vista a 6 nm e a linha originalmente a 5 nm agora é vista a 10 nm. Embora suas frequências absolutas mudem com o tempo, a proporção dos comprimentos de onda (e frequências) das linhas em relação uma à outra permanece constante.

  A quantidade precisa que o espectro de um determinado objeto é deslocado se correlaciona diretamente com sua distância. Como visto no diagrama acima, objetos próximos (como o Sol) não mostram mudança de vermelho. Quando olhamos para objetos cada vez mais longe, vemos quantidades crescentes de desvio para o vermelho ³ .

  Na discussão na resposta acima, é esse padrão de posições relativas nas linhas que é afetado pela temperatura do CMBR no momento da absorção e não o grau em que as linhas foram alteradas.

  ^{1 Para colocá-lo tecnicamente, esse ponto é que indica a magnitude do turno, positivo para os turnos de vermelho (afastando-se) e negativo para os turnos de azul (aproximando-se). Uma discussão mais aprofundada sobre este tópico (incluindo a definição precisa de ) pode ser encontrada aqui . $z=0$$z$$z$2 O ponto de duplicação do comprimento de onda (metade da frequência) está em 3 Deve-se notar que, como existe alguma incerteza na taxa em que o Universo está se expandindo, os desvios para o vermelho não se referem a distâncias conhecidas com precisão. Assim, astrônomos e cosmólogos raramente se referem às distâncias para objetos distantes em termos absolutos de, digamos, anos-luz ou parsecsz = 1 z
  $z=1$
  , preferindo usar a quantidade de desvio para o vermelho observada (o mencionado acima).$z$}

  O mecanismo por trás do desvio para o vermelho não é que os fótons estejam mudando, é que o próprio espaço pelo qual as ondas eletromagnéticas estão se movendo está se expandindo. (Os fótons são partículas e ondas; não, não é exatamente intuitivo.) Esse constante alongamento do espaço estende o comprimento de onda da luz, dando origem tanto ao efeito da mudança de vermelho quanto ao aumento do desvio de um determinado fóton ao longo do tempo.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• Como o turno vermelho se relaciona com o CMBR?

  Nos comentários, Alchimista perguntou: "O CMBR não é realmente a quintessência do desvio para o vermelho?"
  (Presumo que você esteja usando o significado comum, e não cosmológico , de "quintessência")

  Sim, geralmente a temperatura atual de CMBR (3 K) é geralmente o resultado de fótons de energia relativamente alta (3000 K) emitidos cerca de 380.000 anos após o Big Bang, que tiveram seus comprimentos de onda esticados ao longo do tempo pela expansão do Universo em direção a a extremidade vermelha (ou seja, mais fria ou com menor energia) do espectro. Essa expansão foi inferida por Hubble et al. da observação de que galáxias menores e mais escuras (como vistas da Terra) têm uma mudança maior em seus espectros. Quanto maior a distância aparente, maior a mudança observada. Usando esse aparente desvio vermelho correlacionado à distância, podemos inferirque o Universo era menor no passado e, portanto, mais denso com uma temperatura mais alta para o CMBR. Com base nos desvios vermelhos observados de galáxias distantes, podemos deduzir, mas não medir diretamente, qual era a temperatura do CMBR a cada distância.

  O que os autores do artigo acima fizeram foi fazer uma medição direta da temperatura do CMBR em um horário específico no passado. A temperatura medida é mais alta do que é hoje, o que implica um universo mais denso e, portanto, menor. Os pesquisadores descobriram ainda que a temperatura medida diretamente se ajusta perfeitamente à inferida pelo desvio vermelho observado da galáxia em estudo.

  Em poucas palavras, a cadeia de inferência é trocada:

  • Para raciocinar com base no desvio para o vermelho:
    Aumentar o desvio para o vermelho com distância aparente (medida diretamente) ⇒ Expansão ⇒ Universo mais denso no passado ⇒ Temperatura CMBR mais alta no passado.
  • Para uma medição direta da temperatura passada (como neste artigo):
    Temperatura CMBR mais alta no passado (medida diretamente) ⇒ Universo mais denso no passado ⇒ Expansão ⇒ Deslocamento vermelho observado.
     

  Essas duas cadeias de inferência baseadas em diferentes conjuntos de evidências se complementam e se apoiam perfeitamente.

  Uma coisa a observar é que o CMBR não foi criado por expansão (pelo menos não diretamente), e sim a expansão que explica sua temperatura e uniformidade atuais. Segundo a teoria do Big Bang, o universo primitivo era muito denso; tão denso e quente que toda a matéria era um plasma de partículas subatômicas, opacas aos fótons. Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o Universo esfriou (através da expansão) o suficiente para que prótons e elétrons pudessem se combinar para formar um gás hidrogênio neutro (que é transparente). O CMBR é a luz que foi liberada no momento e está esfriando desde então.

Mas ainda é possível que o desvio para o vermelho seja causado por alguns fenômenos desconhecidos e não por galáxias se afastando umas das outras?

Na história, algumas teorias alternativas foram propostas, como a hipótese da luz cansada , o universo do estado estacionário etc. Mas a observação descartou essas e outras teorias .

Veja também Cosmologia alternativa

Não há outros métodos razoavelmente diretos, mas definitivamente existem métodos indiretos. Primeiro, na resposta de @Alex Hajnal, as temperaturas mais altas do CMB medidas mais adiante são uma medida indireta muito boa.

Outra evidência indireta, que ninguém notou ainda, é que, à medida que olhamos mais e mais, o universo parece cada vez mais jovem e cada vez menos parecido com o que vemos em nosso bairro. Você é praticamente forçado a explicar isso cientificamente dizendo que o universo teve um começo na ordem aproximada de 10 bilhões de anos atrás, e que estrelas e galáxias só começaram a se formar nessa época. (Isso não prova especificamente um Big Bang, mas elimina a maioria das alternativas. O modelo Steady State, por exemplo, é falsificado.) É muito difícil explicar o que vemos, exceto devido ao crescimento do universo de um estado denso quente ca. 10 há ¹⁰ anos.

Mais evidências indiretas vêm da Relatividade Geral, uma teoria do espaço, tempo e gravidade que é muito bem verificada - ela foi testada há um século e desafiada por inúmeras outras teorias, e somente a GR passou em todos os testes experimentais. O GR prevê com robustez que um universo estático é impossível e que ele deve estar em expansão ou contração. Esta é uma evidência indireta de experimentos principalmente locais.

Ainda mais evidências indiretas vêm de cálculos de nucelosíntese, que mostram que as relações H / He / Li que observamos nas estrelas mais antigas e menos evoluídas é exatamente o que prevemos com base na aplicação das propriedades medidas dos núcleos a uma bola de fogo do Big Ban.

Há assim muita ciência para além dos desvios para o vermelho que apontam para a expansão do universo a partir de uma inicial muito quente, estado denso que, mesmo sem a observação de desvios para o vermelho, nós, eventualmente, ser forçado a essa conclusão.

$z$$(1+z)$

$1$

Note, porém, que essa não é uma verificação do Universo em expansão, apenas de galáxias se afastando uma da outra. Se o Universo fosse estático, mas as galáxias se movessem pelo espaço, você observaria os processos dilatados pelo mesmo fator, como previsto pela relatividade especial . Existem, no entanto, outras evidências de que as galáxias não se movem através de um espaço estático, mas ficam mais ou menos imóveis em um espaço em expansão.

Sim:

1. Distribuição dos dados da supernova 1a
2. Medições WMAP do CMB
3. Levantamento galáctico do céu de Sloan (catálogo das galáxias)

O importante é que esses resultados não digam apenas o mesmo, mas também correspondam um ao outro .

OK, essa resposta envolve mudanças de vermelho, mas ouça-me.

Sob a Relatividade Geral, múltiplos mecanismos podem criar desvios para o vermelho: expansão do espaço, objetos se movendo em relação a um observador (ou seja, nós) e luz saindo da gravidade também. A última opção está fora do escopo desta questão e a primeira é excluída da consideração a pedido do questionador. Isso deixa apenas em consideração a segunda opção (movimento relativo, também conhecido como efeito Doppler relativístico); essa mudança pode ser (e foi) testada aqui na Terra e mostrou-se existir.

$z=0.5$$z>1$$z=11.09$

Dado que nenhum objeto com massa pode atingir a velocidade da luz, é claro que os desvios para o vermelho observados não podem ser causados ​​por movimentos relativísticos. Como não existem mecanismos conhecidos além dos três listados acima que possam causar desvios no espectro (compare a extinção ), a única explicação correspondente a essas observações é a expansão do espaço. Coloque de forma sucinta, o fato de que superluminais vermelho-turnos são observadas em tudo é uma evidência de que o espaço está se expandindo.