O universo está se expandindo, mas quão rápido exatamente? A resposta parece depender se você estima a taxa de expansão cósmica – conhecida como constante de Hubble, ou H0 – com base no eco do Big Bang (o fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB) ou se mede H0 diretamente com base nas estrelas e galáxias de hoje. Esse problema, conhecido como tensão de Hubble, intrigou astrofísicos e cosmólogos em todo o mundo.
Um estudo realizado pelo grupo de pesquisa Stellar Standard Candles and Distances, liderado por Richard Anderson no Instituto de Física da EPFL, acrescenta uma nova peça ao quebra-cabeça. Sua pesquisa, publicada na Astronomy & Astrophysics, alcançou a calibração mais precisa das estrelas Cepheid – um tipo de estrela variável cuja luminosidade flutua ao longo de um período definido – para medições de distância até o momento com base em dados coletados pelo Gaia da Agência Espacial Européia (ESA). missão. Esta nova calibração amplifica ainda mais a tensão do Hubble.
A constante de Hubble (H0) recebeu o nome do astrofísico que, junto com Georges Lemaître, descobriu o fenômeno no final da década de 1920. É medido em quilômetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), onde 1 Mpc é cerca de 3,26 milhões de anos-luz.
A melhor medição direta de H0 usa uma “escada de distância cósmica”, cujo primeiro degrau é definido pela calibração absoluta do brilho das Cefeidas, agora recalibrado pelo estudo EPFL. Por sua vez, as Cefeidas calibram o próximo degrau da escada, onde as supernovas – poderosas explosões de estrelas no final de suas vidas – traçam a expansão do próprio espaço.
Essa escada de distância, medida pelas Supernovas, H0, para a equipe Equation of State of dark energy (SH0ES) liderada por Adam Riess, ganhador do Prêmio Nobel de Física de 2011, coloca H0 em 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Primeira radiação após o Big Bang
H0 também pode ser determinado interpretando o CMB – que é a onipresente radiação de micro-ondas deixada pelo Big Bang há mais de 13 bilhões de anos. No entanto, esse método de medição do “universo primitivo” deve assumir a compreensão física mais detalhada de como o universo evolui, tornando-o dependente do modelo. O satélite Planck da ESA forneceu os dados mais completos sobre o CMB e, de acordo com este método, H0 é 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
A tensão de Hubble refere-se a essa discrepância de 5,6 km/s/Mpc, dependendo se é usado o método CMB (universo inicial) ou o método de escada de distância (universo tardio). A implicação, desde que as medições realizadas em ambos os métodos estejam corretas, é que há algo errado na compreensão das leis físicas básicas que regem o universo. Naturalmente, esta grande questão ressalta como é essencial que os métodos dos astrofísicos sejam confiáveis.
O novo estudo EPFL é tão importante porque fortalece o primeiro degrau da escada de distância, melhorando a calibração das Cefeidas como rastreadores de distância. De fato, a nova calibração nos permite medir distâncias astronômicas dentro de ± 0,9%, e isso dá forte apoio à medição do universo tardio. Além disso, os resultados obtidos na EPFL, em colaboração com a equipe SH0ES, ajudaram a refinar a medição H0, resultando em maior precisão e maior significância da tensão de Hubble.
“Nosso estudo confirma a taxa de expansão de 73 km/s/Mpc, mas, mais importante, também fornece as calibrações mais precisas e confiáveis das cefeidas como ferramentas para medir distâncias até o momento”, diz Anderson.
“Desenvolvemos um método que procurava Cefeidas pertencentes a aglomerados estelares compostos por várias centenas de estrelas, testando se as estrelas estão se movendo juntas pela Via Láctea. Graças a esse truque, pudemos aproveitar o melhor conhecimento das medições de paralaxe de Gaia enquanto beneficiando-se do ganho de precisão fornecido pelas muitas estrelas membros do aglomerado. Isso nos permitiu levar a precisão das paralaxes de Gaia ao seu limite e fornece a base mais firme sobre a qual a escada de distância pode ser apoiada.”
Repensando conceitos básicos
Por que uma diferença de apenas alguns km/s/Mpc importa, dada a vasta escala do universo? “Essa discrepância tem um significado enorme”, diz Anderson.
“Suponha que você queira construir um túnel cavando em dois lados opostos de uma montanha. Se você entendeu o tipo de rocha corretamente e se seus cálculos estiverem corretos, então os dois buracos que você está cavando se encontrarão no centro. Mas se não, isso significa que você cometeu um erro – ou seus cálculos estão errados ou você está errado sobre o tipo de rocha.
“É isso que está acontecendo com a constante de Hubble. Quanto mais confirmação tivermos de que nossos cálculos são precisos, mais podemos concluir que a discrepância significa que nossa compreensão do universo está errada, que o universo não é exatamente como pensávamos.”
A discrepância tem muitas outras implicações. Isso questiona os próprios fundamentos, como a natureza exata da energia escura, o continuum espaço-tempo e a gravidade. “Isso significa que temos que repensar os conceitos básicos que formam a base de nossa compreensão geral da física”, diz Anderson.
O estudo de seu grupo de pesquisa também traz uma contribuição importante em outras áreas. “Como nossas medições são tão precisas, elas nos dão uma visão da geometria da Via Láctea”, diz Mauricio Cruz Reyes, Ph.D. aluno do grupo de pesquisa de Anderson e principal autor do estudo. “A calibração altamente precisa que desenvolvemos nos permitirá determinar melhor o tamanho e a forma da Via Láctea como uma galáxia de disco plano e sua distância de outras galáxias, por exemplo. Nosso trabalho também confirmou a confiabilidade dos dados do Gaia, comparando-os com os obtidos de outros telescópios.”
Publicado em 10/04/2023 11h25
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