Em 3 de dezembro, a humanidade de repente tinha informações nas pontas dos dedos que as pessoas sempre desejavam, bem, para sempre: as distâncias precisas até as estrelas.
“Você digita o nome de uma estrela ou sua posição e, em menos de um segundo, terá a resposta”, disse Barry Madore, cosmologista da Universidade de Chicago e dos Observatórios Carnegie, em uma chamada da Zoom na semana passada. “Quero dizer …” Ele parou.
“Estamos bebendo de uma mangueira de incêndio agora”, disse Wendy Freedman, também cosmologista em Chicago e esposa e colaboradora de Carnegie e Madore.
“Eu não posso exagerar o quão animado estou”, disse Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2011 por co-descobrir a energia escura, em um telefonema. “Posso mostrar visualmente por que estou tão animado?” Mudamos para o Zoom para que ele pudesse compartilhar lindos gráficos dos novos dados estelares.
Os dados vêm da espaçonave Gaia da Agência Espacial Européia, que passou os últimos seis anos observando as estrelas de um poleiro de 1 milhão de milhas de altura. O telescópio mediu as “paralaxes” de 1,3 bilhão de estrelas – pequenas mudanças nas posições aparentes das estrelas no céu que revelam suas distâncias. “As paralaxes de Gaia são de longe as determinações de distância mais precisas e precisas de todos os tempos”, disse Jo Bovy, um astrofísico da Universidade de Toronto.
O melhor de tudo para os cosmologistas, o novo catálogo de Gaia inclui as estrelas especiais cujas distâncias servem como padrões para medir todas as distâncias cosmológicas mais distantes. Por causa disso, os novos dados rapidamente resolveram o maior enigma da cosmologia moderna: a expansão rápida e inesperada do universo, conhecida como a tensão de Hubble.
A tensão é esta: os ingredientes conhecidos do cosmos e as equações governantes prevêem que ele deve estar se expandindo a uma taxa de 67 quilômetros por segundo por megaparsec – o que significa que devemos ver galáxias voando para longe de nós 67 quilômetros por segundo mais rápido para cada megaparsec adicional de distância . No entanto, as medições reais ultrapassam consistentemente a marca. As galáxias estão recuando rápido demais. A discrepância sugere de maneira emocionante que algum agente acelerador desconhecido pode estar em ação no cosmos.
“Seria incrivelmente emocionante se houvesse uma nova física”, disse Freedman. “Tenho um segredo em meu coração que espero que haja, que haja uma descoberta a ser feita lá. Mas queremos ter certeza de que estamos certos. Há trabalho a fazer antes que possamos dizer isso de forma inequívoca.”
Esse trabalho envolve a redução de possíveis fontes de erro nas medições da taxa de expansão cósmica. Uma das maiores fontes dessa incerteza tem sido as distâncias às estrelas próximas – distâncias que os novos dados de paralaxe parecem quase decifrar.
Em um artigo publicado online ontem à noite e submetido ao The Astrophysical Journal, a equipe de Riess usou os novos dados para fixar a taxa de expansão em 73,2 quilômetros por segundo por megaparsec, em linha com seu valor anterior, mas agora com uma margem de erro de apenas 1,8%. Isso aparentemente consolida a discrepância com a taxa prevista muito mais baixa de 67.
Freedman e Madore esperam publicar a medição nova e aprimorada de seu grupo da taxa de expansão cósmica em janeiro. Eles também esperam que os novos dados confirmem, em vez de mudar, sua medição, que tende a cair abaixo de Riess e de outros grupos, mas ainda mais alta do que a previsão.
Desde o lançamento de Gaia em dezembro de 2013, ele lançou dois outros enormes conjuntos de dados que revolucionaram nossa compreensão de nossa vizinhança cósmica. No entanto, as medições anteriores de paralaxe de Gaia foram uma decepção. “Quando analisamos o primeiro lançamento de dados” em 2016, Freedman disse, “queríamos chorar”.
Um problema imprevisto
Se as paralaxes fossem mais fáceis de medir, a revolução copernicana poderia ter acontecido antes.
Copérnico propôs no século 16 que a Terra gira em torno do sol. Mas, mesmo na época, os astrônomos conheciam a paralaxe. Se a Terra se movesse, como Copérnico defendia, então eles esperavam ver estrelas próximas mudando no céu enquanto isso acontecia, assim como um poste de luz parece se deslocar em relação às colinas de fundo quando você atravessa a rua. O astrônomo Tycho Brahe não detectou qualquer paralaxe estelar e, portanto, concluiu que a Terra não se move.
E ainda assim muda, e as estrelas mudam – embora mal, porque estão muito distantes.
Demorou até 1838 para um astrônomo alemão chamado Friedrich Bessel detectar a paralaxe estelar. Ao medir a mudança angular do sistema estelar 61 Cygni em relação às estrelas circundantes, Bessel concluiu que estava a 10,3 anos-luz de distância. Sua medição diferia do valor verdadeiro em apenas 10% – as novas medições de Gaia colocam as duas estrelas no sistema a 11.4030 e 11.4026 anos-luz de distância, mais ou menos um ou dois milésimos de ano-luz.
O sistema 61 Cygni está excepcionalmente próximo. As estrelas mais típicas da Via Láctea mudam por meros dez milésimos de um segundo de arco – apenas centésimos de um pixel em uma câmera telescópica moderna. A detecção de movimento requer instrumentos especializados e ultraestáveis. Gaia foi projetado para esse propósito, mas quando foi ligado, o telescópio teve um problema imprevisto.
O telescópio funciona olhando em duas direções ao mesmo tempo e rastreando as diferenças angulares entre as estrelas em seus dois campos de visão, explicou Lennart Lindegren, que co-propôs a missão Gaia em 1993 e conduziu a análise de seus novos dados de paralaxe. Estimativas de paralaxe precisas requerem que o ângulo entre os dois campos de visão permaneça fixo. Mas no início da missão Gaia, os cientistas descobriram que não. O telescópio flexiona levemente ao girar em relação ao sol, introduzindo uma oscilação em suas medidas que imita a paralaxe. Pior, esse “deslocamento” de paralaxe depende de maneiras complicadas das posições, cores e brilho dos objetos.
No entanto, conforme os dados acumulavam, os cientistas de Gaia descobriram que era mais fácil separar a paralaxe falsa da real. Lindegren e colegas conseguiram remover grande parte da oscilação do telescópio dos dados de paralaxe recém-lançados, ao mesmo tempo que elaboraram uma fórmula que os pesquisadores podem usar para corrigir as medições finais de paralaxe dependendo da posição, cor e brilho de uma estrela.
Subindo a escada
Com os novos dados em mãos, Riess, Freedman e Madore e suas equipes puderam recalcular a taxa de expansão do universo. Em linhas gerais, a maneira de avaliar a expansão cósmica é descobrir a que distância as galáxias distantes estão e com que rapidez estão se afastando de nós. As medições de velocidade são diretas; as distâncias são difíceis.
As medições mais precisas contam com intrincadas “escadas de distância cósmica”. O primeiro degrau consiste em estrelas de “velas padrão” dentro e ao redor de nossa própria galáxia que têm luminosidades bem definidas e que estão próximas o suficiente para exibir paralaxe – a única maneira segura de saber a que distância as coisas estão sem viajar para lá. Os astrônomos então comparam o brilho dessas velas padrão com o brilho das velas mais fracas em galáxias próximas para deduzir suas distâncias. Esse é o segundo degrau da escada. Conhecer as distâncias dessas galáxias, que são escolhidas por conterem explosões estelares brilhantes e raras chamadas supernovas Tipo 1a, permite que cosmologistas avaliem as distâncias relativas de galáxias mais distantes que contêm supernovas Tipo 1a mais fracas. A razão entre as velocidades dessas galáxias distantes e suas distâncias dá a taxa de expansão cósmica.
Os paralaxes são, portanto, cruciais para toda a construção. “Você muda a primeira etapa – as paralaxes – então tudo que se segue muda também”, disse Riess, que é um dos líderes da abordagem da escada de distância. “Se você alterar a precisão da primeira etapa, a precisão de todo o resto muda.”
A equipe de Riess usou as novas paralaxes de 75 cefeidas de Gaia – estrelas pulsantes que são suas velas padrão preferidas – para recalibrar sua medição da taxa de expansão cósmica.
Freedman e Madore, os principais rivais de Riess no topo do jogo da escada de distância, argumentaram nos últimos anos que as Cefeidas fomentam possíveis passos em falso nos degraus mais altos da escada. Então, em vez de depender muito deles, sua equipe está combinando medições com base em vários tipos de estrelas de vela padrão do conjunto de dados de Gaia, incluindo Cefeidas, estrelas RR Lyrae, estrelas do ramo gigante da ponta do vermelho e assim denominadas estrelas de carbono.
“O [novo lançamento de dados] de Gaia está nos fornecendo uma base segura”, disse Madore. Embora uma série de artigos da equipe de Madore e Freedman não sejam esperados por algumas semanas, eles notaram que os novos dados de paralaxe e fórmula de correção parecem funcionar bem. Quando usados com vários métodos de traçar e dissecar as medições, os pontos de dados que representam as Cefeidas e outras estrelas especiais caem perfeitamente ao longo de linhas retas, com muito pouco da “dispersão” que indicaria um erro aleatório.
“Isso está nos dizendo que realmente estamos olhando para as coisas reais”, disse Madore.
Publicado em 19/12/2020 09h59
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/astronomers-get-their-wish-and-the-hubble-crisis-gets-worse-20201217/
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