Onde termina o que podemos ver — e onde começa a pura especulação? Uma viagem até a borda mais extrema do conhecimento cosmológico: do horizonte observável a questões que a própria física deixa em aberto.
"Qual é o tamanho do universo?" parece uma pergunta simples — mas não é, porque na verdade pode significar duas coisas diferentes. O universo observável é a esfera ao nosso redor da qual a luz teve tempo de nos alcançar desde o Big Bang. Seu limite não é uma parede física, mas uma questão de tempo: tudo o que está mais distante provavelmente existe, mas sua luz ainda não chegou até nós. Já o universo como um todo pode ser muito maior do que esse trecho visível — ou até mesmo infinito. Observações não podem mostrar isso diretamente, porque só conseguimos medir a parte da qual a luz nos alcança.
Essa ambiguidade é o motivo pelo qual a "borda do universo" costuma gerar confusão em representações populares. Muito provavelmente não existe uma borda no sentido de uma aresta ou parede — nem para o universo observável (que marca apenas nosso limite de observação) nem para o universo como um todo (que simplesmente não parece precisar de um limite, seja ele finito ou infinito).
Toda afirmação sobre o universo além do nosso horizonte de observação se apoia em uma suposição que não pode ser diretamente comprovada: o princípio cosmológico. Ele afirma que o universo, em grandes escalas, tem aproximadamente a mesma aparência em toda parte (homogêneo) e não privilegia nenhuma direção (isotrópico) — ou seja, que a Terra não ocupa um lugar de observação privilegiado. Todas as medições dentro do observável sustentam essa suposição até agora, mas não podem garanti-la: por natureza, vemos apenas um único recorte.
Do nosso Sistema Solar até a borda do observável há mais de 25 ordens de grandeza de distância. Cada camada neste diagrama marca uma estrutura cósmica de ordem superior — e, bem na borda externa, as diferenças sutis, mas decisivas, entre três termos que na cosmologia costumam ser usados como sinônimos, sem realmente ser.
Um detalhe notável: o horizonte de eventos está dentro do universo observável, não fora dele. O universo observável reúne luz de todo o passado e, por isso, é correspondentemente grande; o horizonte de eventos descreve até onde ainda conseguimos influenciar ou ver algo no futuro — e encolhe relativamente, porque a energia escura acelera a expansão. Galáxias que ainda são visíveis hoje desaparecerão, com o tempo, atrás desse horizonte.
O modelo clássico do Big Bang, por si só, não explica duas observações: por que a radiação cósmica de fundo tem temperatura quase idêntica em todas as direções, mesmo que regiões distantes nunca tenham tido tempo suficiente para se equilibrar termicamente (problema do horizonte)? E por que a geometria do universo está tão próxima de ser perfeitamente plana, quando qualquer pequeno desvio deveria ter se amplificado exponencialmente ao longo de bilhões de anos (problema da planeza)? Em 1980/81, o físico Alan Guth propôs uma solução: uma fase de expansão extremamente rápida logo após o Big Bang.
A inflação foi originalmente uma solução ad hoc para dois problemas — mas, entretanto, ela também prevê detalhes confirmados de forma independente na radiação cósmica de fundo, como o padrão estatístico exato de suas minúsculas flutuações de temperatura. Isso torna a inflação muito mais do que um mero remendo: é uma das ideias mais bem testadas da cosmologia primordial, mesmo que a natureza exata do campo de inflação permaneça desconhecida.
A Teoria da Relatividade Geral permite três geometrias fundamentais para o espaço, dependendo do parâmetro de densidade Ω: fechada e esférica (Ω>1), aberta e hiperbólica (Ω<1), ou exatamente plana (Ω=1). O satélite Planck, da ESA, mediu em 2018 minúsculas flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo — cuja distribuição de tamanhos depende sensivelmente da curvatura do espaço pela qual essa luz viajou por 13,8 bilhões de anos.
O resultado: o parâmetro de curvatura Ω_K está em 0,0007 ± 0,0037 (confiança de 95 %) — estatisticamente indistinguível de zero. O universo observável é, portanto, plano dentro da precisão de medição. Isso não exclui uma curvatura muito fraca, cujo raio seria muito maior do que o universo observável — exatamente o que se esperaria caso a inflação (capítulo 03) tenha esticado quase, mas não completamente, toda curvatura original.
Todas as ideias a seguir são motivadas matematicamente e discutidas por físicos sérios — mas nenhuma delas faz, até agora, uma previsão verificável e falsificável sobre o nosso próprio universo observável. Esse é justamente o seu problema fundamental: se um outro universo é, por definição, sempre inobservável, nenhuma observação jamais poderá refutar a hipótese — um critério central do que, segundo Karl Popper, sequer conta como teoria científica natural. Por isso, muitos físicos tratam os modelos de multiverso como consequências especulativas, mas valiosas, de teorias já estabelecidas — não como física confirmada.
O físico George Ellis e outros argumentam que hipóteses puras de multiverso ultrapassam o limite para a metafísica enquanto não oferecerem consequências testáveis para o nosso universo. Os defensores, por outro lado, argumentam: aceitar consequências inobserváveis de uma teoria por outro lado bem testada (como a inflação) não é metodologicamente nada incomum — também se faz isso em outras extrapolações físicas. A controvérsia permanece sem solução até hoje.
A forma como o universo termina depende decisivamente de como a energia escura se comporta ao longo de escalas de tempo cosmológicas — um tema tratado com mais profundidade na página temática anterior sobre matéria escura e energia escura. Aqui estão apenas os quatro cenários futuros mais discutidos, ordenados pela plausibilidade atual.
O fato de a expansão estar acelerando, em vez de desacelerar — como seria de esperar pela gravidade de toda a matéria —, foi uma surpresa em 1998. Duas equipes independentes mediram supernovas do tipo Ia, cujo brilho absoluto é conhecido, e constataram que exemplares distantes brilhavam mais fracamente do que permitiria um universo uniformemente desacelerado — ou seja, estavam mais distantes do que um modelo em desaceleração previa. Em 2011, essa descoberta foi premiada com o Nobel de Física. Ela é, até hoje, o principal sustentáculo empírico da existência da energia escura e, portanto, do cenário Big Freeze como o futuro atualmente favorecido.
Três reflexões que mostram como o pensamento cosmológico é incomum em relação à intuição cotidiana.
Não porque nos movemos pelo espaço — mas simplesmente porque o tempo passa. Quanto mais tempo se passou desde o Big Bang, mais tempo a luz de regiões cada vez mais distantes teve para nos alcançar. A cada segundo que passa, literalmente nova luz vinda de mais longe chega até nós, e a esfera do observável cresce — independentemente de a Terra se mover ou não, e a que velocidade.
Para muitos físicos, essa pergunta talvez nem sequer esteja formulada de maneira sensata — não porque a resposta seja desconhecida, mas porque "antes" é um conceito temporal, e o próprio tempo, segundo os modelos vigentes, só começa a existir com o Big Bang. Perguntar o que havia antes disso seria então um erro de categoria semelhante a perguntar o que fica ao norte do Polo Norte. Modelos como a "proposta sem fronteira" de Hartle e Hawking tentam capturar exatamente isso matematicamente: o tempo "se arredonda", em vez de começar abruptamente em um ponto. Nenhum desses modelos está comprovado.
Enquanto o universo observável tem um raio de aproximadamente 10²⁶ metros, o comprimento de Planck (1,6 × 10⁻³⁵ m) é considerado a menor distância fisicamente sensata — abaixo dela, nossas noções de espaço liso deixam de funcionar, porque efeitos quânticos da gravidade deveriam dominar. Entre a menor e a maior escala conhecidas há, portanto, cerca de 61 ordens de grandeza — uma amplitude que a imaginação humana só consegue captar em números, não mais em imagens.