Um problema confronta a cosmologia: duas medidas independentes da expansão do universo fornecem respostas incompatíveis. Agora, um terceiro método, avançado por um pioneiro da astronomia, parece preencher a lacuna.
A grande novidade da cosmologia por vários anos tem sido a evidência crescente de que o universo está se expandindo mais rápido do que o esperado. Quando os cosmólogos extrapolam dados do universo primordial para prever como deveria ser o cosmos agora, eles prevêem uma taxa de expansão cósmica relativamente lenta. Quando eles medem diretamente a velocidade com que os objetos astronômicos estão se afastando de nós, eles descobrem que o espaço está se expandindo cerca de 9% mais rápido que a previsão. A discrepância pode significar que algo grande está faltando em nossa compreensão do cosmos.
A questão atingiu um crescimento no ano passado. Em março passado, o grupo principal que mede a expansão cósmica divulgou sua análise atualizada, mais uma vez alcançando uma taxa de expansão que supera em muito as expectativas. Então, em julho, uma nova medida de expansão cósmica usando objetos chamados quasares, quando combinada com a outra medida, ultrapassou o cinco sigma, um nível estatístico que os físicos costumam tratar como seu padrão de prova de um efeito físico inexplicado. Nesse caso, os cosmólogos dizem que pode haver algum ingrediente cósmico extra, além da matéria escura, energia escura e tudo o mais que eles já incluem em suas equações, que acelera o universo.
Mas é se as medições estiverem corretas. Uma nova linha de evidência, anunciada pela primeira vez no verão passado, sugere que a taxa de expansão cósmica pode cair muito mais perto da taxa prevista pelas medições do universo primitivo e pela teoria padrão da cosmologia.
Wendy Freedman, uma cosmóloga decorada nos Observatórios da Universidade de Chicago e Carnegie, mediu a taxa de expansão, conhecida como constante Hubble, usando estrelas que ela considera sondas de expansão mais limpas do que outros objetos. Usando essas estrelas da ponta do ramo gigante vermelho (TRGB), ela e sua equipe chegaram a uma taxa Hubble significativamente mais baixa do que outros observadores.
Embora Freedman seja conhecida por seu trabalho cuidadoso e inovador, alguns pesquisadores insistiram em seus métodos depois que ela apresentou o resultado no verão passado. Eles argumentaram que sua equipe usou dados desatualizados para parte de sua análise e uma técnica de calibração desconhecida. Os críticos pensaram que, se a equipe de Freedman usasse dados mais recentes, seu valor do Hubble aumentaria e se alinharia com outras sondas astronômicas.
Isso não aconteceu. Em um artigo publicado on-line em 5 de fevereiro e aceito para publicação no The Astrophysical Journal, a equipe de Freedman descreveu sua análise das estrelas TRGB em detalhes, resumiu suas verificações de consistência e respondeu às críticas. O novo artigo relata uma taxa de expansão cósmica ainda mais lenta que o resultado do verão passado, um pouco mais próxima da taxa do início do universo. Os dados mais atualizados que os críticos pensavam que aumentariam o valor do Hubble de Freedman tiveram o efeito oposto. “Isso fez tudo cair”, disse ela.
O problema com poeira
A questão de saber se o universo se expande mais rápido do que o esperado surgiu pela primeira vez em 2013, quando o satélite Planck mapeou com precisão as microondas antigas vindas de todas as direções no céu. As microondas revelaram um instantâneo detalhado do universo primitivo, a partir do qual a equipe de Planck poderia deduzir os ingredientes precisos do cosmos, como a quantidade de matéria escura. A inserção desses ingredientes nas equações de gravidade de Albert Einstein permitiu aos cientistas calcular hoje a taxa de expansão esperada do espaço, cuja análise final e completa de Planck atingiu 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec, mais ou menos 1%. Ou seja, quando olhamos para o espaço, devemos ver objetos astronômicos se afastando 67,4 quilômetros por segundo mais rápido a cada megaparegeg de distância, assim como pontos em um balão inflável se separam mais rapidamente quanto mais distantes.
Mas Adam Riess, cosmologista da Universidade Johns Hopkins e co-descobridor da energia escura, ganhador do Prêmio Nobel, há alguns anos ganha um valor mais alto em medições diretas da taxa de expansão cósmica. A tendência continuou; em sua última análise, em março passado, a equipe de Riess calculou a constante do Hubble em 74 quilômetros por segundo por megaparsec, 9% superior aos 67,4 extrapolados do universo primitivo.
O problema é que medir diretamente a constante Hubble é muito complicado. Para fazer isso, astrônomos como Riess e Freedman devem primeiro encontrar e calibrar velas padrão: objetos astronômicos que possuem uma distância bem conhecida e brilho intrínseco. Com esses valores em mãos, eles podem inferir as distâncias das velas padrão mais fracas e distantes. Eles então comparam essas distâncias com a rapidez com que os objetos estão se movendo, revelando a constante do Hubble.
Riess e sua equipe usam estrelas pulsantes chamadas cefeidas como velas padrão. As distâncias das estrelas podem ser medidas com paralaxe e outros métodos, e elas pulsam com uma frequência que se correlaciona com o quão intrinsecamente brilhantes são. Isso permite que os astrônomos medam as distâncias relativas às cefeidas mais fracas em galáxias mais distantes, o que lhes dá as distâncias das supernovas tipo 1a nessas mesmas galáxias – explosões que servem como velas padrão mais brilhantes, embora mais raras. Eles são usados para medir as distâncias de centenas de supernovas mais distantes, cuja velocidade recessional dividida pela distância dá ao Hubble constante.
O valor de 74 da equipe de Riess no Hubble se tornou mais convincente no ano passado, quando uma medição independente usando quasares produziu o resultado semelhante de 73,3, uma medida baseada em objetos chamados masers aterrissou em 73,9 e uma medição adicional de quasar independente retornou 74,2.
Mas Freedman, que ajudou a ser pioneiro no método cefeida atualmente usado por Riess, há muito se preocupa com possíveis fontes de erro. As cefeidas mudam à medida que envelhecem, o que não é ideal para velas comuns. As cefeidas também tendem a existir em regiões estelares densas, com dois efeitos nefastos: primeiro, essas regiões são frequentemente preenchidas com poeira, que bloqueia a luz das estrelas e faz com que os objetos pareçam mais distantes do que são. E segundo, a aglomeração pode fazê-los parecer mais brilhantes e, portanto, mais próximos do que são, potencialmente levando à superestimação da constante do Hubble. Por isso, Freedman decidiu usar a ponta das estrelas gigantes vermelhas.
Os TRGBs são o que estrelas como o nosso sol se tornam brevemente antes de morrerem. Como gigantes vermelhos, eles gradualmente se tornam mais brilhantes até atingir um pico característico de brilho causado pela súbita ignição de hélio em seus núcleos. Esses gigantes vermelhos de pico são sempre os mesmos, o que os torna boas velas padrão; além disso, como velhas estrelas, eles habitam os arredores limpos e esparsos das galáxias, em vez de regiões empoeiradas e lotadas. “Em termos de simplicidade, a ponta do ramo gigante vermelho ganha as mãos”, disse Barry Madore, marido de Freedman e principal colaborador, também dos Observatórios de Chicago e Carnegie.
Primeiro, Freedman, Madore e sua equipe tiveram que calibrar as estrelas do TRGB, descobrindo o quanto elas são brilhantes a alguma distância conhecida. Só então eles poderiam comparar o brilho (e, assim, deduzir a distância) dos TRGBs e supernovas mais distantes.
Por suas velas padrão, eles escolheram a população de estrelas TRGB na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia próxima cuja distância é extremamente conhecida. A Grande Nuvem de Magalhães está empoeirada, portanto o brilho das estrelas não pode ser observado diretamente. Em vez disso, Freedman e seus colaboradores mediram o brilho intrínseco dos TRGBs em outros dois locais essencialmente livres de poeira (mas não tão precisamente localizados): uma galáxia chamada IC 1613 e a Pequena Nuvem de Magalhães.
Os TRGBs nesses lugares primitivos são como o sol quando está alto no céu, enquanto os TRGBs na Grande Nuvem de Magalhães são como o sol no horizonte – avermelhado e escurecido pela poeira da atmosfera. (A poeira faz com que os objetos pareçam mais vermelhos porque dispersa preferencialmente a luz azul.) Ao comparar as cores das estrelas em lugares limpos e empoeirados, os pesquisadores poderiam inferir a quantidade de poeira existente na região poeirenta. Eles descobriram que há mais poeira na Grande Nuvem de Magalhães do que se pensava anteriormente. Isso revelou o quanto a poeira escurece as estrelas e, portanto, quão brilhantes elas realmente são – permitindo que as estrelas sejam usadas como velas comuns.
A equipe verificou independentemente as distâncias relativas das nuvens grandes e pequenas de Magalhães e da galáxia IC 1613 usando outros métodos, e eles realizaram várias outras verificações de consistência em seus resultados. Sua escada de distância TRGB gera um valor de Hubble de 69,6, bem abaixo das medições usando cefeidas, quasares e masers e a uma distância gritante da previsão dos dados do universo primitivo.
“Nós executamos todos esses testes, continuamos recebendo a mesma resposta”, disse Madore. “E Adam [Riess] não gosta disso.”
O mistério perdura
Riess disse que, embora “aprecie poder ler mais sobre” os métodos da equipe, ele ainda acha que a calibração do TRGB pode estar desativada. “É muito difícil estimar a quantidade de poeira que escurece a ponta do ramo gigante vermelho na Grande Nuvem de Magalhães”, disse ele. Uma possível fonte de erro, ele disse, é que a Pequena Nuvem de Magalhães tem uma forma estendida, com TRGBs localizados em distâncias diferentes que não devem necessariamente ser calculadas em média. (Freedman diz que sua equipe mediu TRGBs apenas na parte central da nuvem.)
Riess enfatiza que o resultado do TRGB deve ser pesado em relação a várias outras medições independentes que obtêm um valor mais alto do Hubble.
Dan Scolnic, astrofísico da Universidade Duke, que colabora com Riess nas medições de cefeidas, também questionou o método de calibração de Freedman, dizendo: Chegar ao fundo disso será uma das coisas mais importantes que a [comunidade] fará na próxima alguns anos.”
A controvérsia será resolvida à medida que os telescópios coletarem mais dados, incluindo medições diretas altamente precisas de distâncias a estrelas TRGB. Nos próximos anos, o satélite Gaia deve fornecer essas observações.
Outras pistas podem vir ainda mais cedo. Freedman disse que sua equipe usou mais um novo método para fazer uma medição do Hubble ainda não publicada que concorda com o número das estrelas do TRGB. Embora ela não tenha entrado em detalhes sobre o próximo resultado, ela disse: “No momento, achamos que o caso é extremamente forte”, que a medição do TRGB está correta.
Publicado em 28/02/2020 21h37
Artigo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: