Estrutura do Universo

Antes de discutirmos a estrutura do Universo temos que introduzir a unidade de distância apropriada ao seu estudo. Quando lidamos com o tamanho de uma sala, por exemplo, usamos o metro como unidade. Quando olhamos em um mapa o caminho para chegar a uma outra cidade a unidade mais apropriada é o quilômetro. Obviamente podemos expressar a distância entre duas cidades em centímetros mas certamente não parece algo natural. Da mesma maneira, quando estudamos distâncias entre objetos no Universo a unidade mais apropriada é o ano-luz, definido como a distância que a luz percorre em um ano. A velocidade da luz é de  quilômetros por segundo e portanto:
1 ano-luz = 10 trilhões de quilômetros (10.000.000.000.000)
Uma outra unidade relacionada ao ano-luz e também usada é o parsec:
1 parsec =  anos-luz.
Para se ter uma idéia de distâncias usando a velocidade da luz, notamos que:
perímetro da Terra  segundos-luz
distância Terra-Sol  minutos-luz
estrela mais próxima (Alfa Centauro)  anos-luz
galáxia próxima (Andrômeda)  milhões de anos-luz

Figure 2: Galáxia de Andrômeda, também conhecida como M31, uma galáxia espiral muito parecida com a nossa galáxia, a Via Láctea, e distante 2 milhões de anos-luz.

Medidas de distância no Universo são muito difíceis de obter, mas hoje existem diversos métodos usando a paralaxe de estrelas, estrelas variáveis e estrelas que sofrem uma explosão do tipo supernova. Foge do tema principal uma discussão mais detalhada destes métodos.
É importante notar que, quando olhamos para um objeto muito distante, estamos vendo como ele era quando emitiu a luz, ou seja, estamos olhando para o passado. A luz que observamos hoje de Andrômeda e que imprime sua imagem em uma chapa fotográfica levou 2 milhões de anos para chegar até nós e portanto mostra como era Andrômeda há 2 milhões de anos atrás!
As observações realizadas indicam que o Universo é organizado de uma maneira hierárquica até uma escala de tamanho de 300 milhões de anos-luz:
estrelas formam galáxias (tipicamente 10 bilhões de estrelas), galáxias formam aglomerados de galáxias e aglomerados de galáxias formam super-aglomerados de galáxias.

Figure 3: Nosso grupo local de galáxias.

Em escalas ainda maiores existem evidências de que o Universo é homogêneo ou uniforme, isto é, não apresenta na média regiões muito diferentes. Isto significa que não seria possível distinguir ou previlegiar uma dada região do Universo. Uma analogia seria a de uma pessoa perdida em um deserto sem oásis: é difícil se localizar devido ao fato do deserto não ter uma região muito diferente das outras. Mais ainda, o Universo também é isotrópico, ou seja, ao observar o Universo em diferentes direções os resultados são semelhantes. Novamente a analogia do deserto é válida, pois ele é parecido não importa em que direção o pobre viajante perdido olhar, dificultando ainda mais sua situação .

Concluímos portanto que não existe uma posição previlegiada no Universo, ou seja, todas as posições são equivalentes. Isto equivale a dizer que não existe um ``centro" do Universo!!

Figure 2: Galáxia de Andrômeda, também conhecida como M31, uma galáxia espiral muito parecida com a nossa galáxia, a Via Láctea, e distante 2 milhões de anos-luz.

Este fato parece ir contra a nossa intuição de que tudo tem um centro. Porém, vamos imaginar o seguinte caso, que é análogo ao que acontece no Universo:
suponha que somos pessoas ``chatas", no sentido de achatadas ou bidimensionais, ou mesmo formiguinhas pequenas, movendo-se na superfície de um balão de borracha. Neste balão de borracha podemos pintar com uma caneta algumas manchas que representam galáxias. Para a formiguinha não existe nenhum ponto previlegiado ou centro na superfície do balão . Seria a mesma coisa que nos perguntar qual é o centro da superfície do planeta Terra. Lembre-se que pelo fato da formiguinha ser achatada o espaço em que ela pode se mover é apenas a superfície curva do balão , ou seja, ela não tem acesso ao interior do balão . Esta analogia bidimensional é mais fácil de imaginar do que um espaço curvo de três dimensões , que é o caso do nosso Universo.
A humanidade sempre teve uma tendência ao antropocentrismo, ou seja, a achar que estamos no centro do Universo. Primeiramente, foi adotado como um dogma que a Terra está no centro do Universo e que tudo gira ao redor dela. Com Copérnico veio a descoberta que o Sol está no centro do sistema solar e que a Terra e os outro planetas giram ao redor dele. Posteriormente descobriu-se que o Sol não está no centro de nossa galáxia, a Via Láctea, mas sim em um de seus braços espirais. Nossa galáxia também não ocupa o centro do aglomerado local ou do super-aglomerado da qual faz parte. Portanto, estamos longe de ocupar um lugar previlegiado no Universo. No entanto, o que pode nos reconfortar é o fato de que não existe uma localização central no Universo. Parece uma brincadeira de criança: se eu não posso jogar então ninguém pode ...
Veremos mais adiante uma evidência experimental muito forte da homogeneidade e isotropia do Universo no seu passado remoto. Uma questão interessante que surge imediatamente é: como as estruturas que observamos hoje, como estrelas e galáxias, foram formadas no Universo que teve um passado altamente uniforme? A procura da resposta a esta pergunta é uma área muito ativa de pesquisa onde a Física das Partículas Elementares tem um papel fundamental. É interessante notarmos então que a física microscópica nas menores escalas que conhecemos determina as estruturas na maior escala que conhecemos, o próprio Universo, ou seja, existe uma conexão muito forte entre o micro e o macrocósmico.