Os avanços na observação astronômica ao longo do século passado permitiram aos cientistas construir um modelo notavelmente bem-sucedido de como o cosmos funciona. Faz sentido – quanto melhor podemos medir algo, mais aprendemos.
Mas quando se trata da questão de quão rápido nosso Universo está se expandindo, algumas novas medidas cosmológicas estão nos deixando cada vez mais confusos.
Desde a década de 1920, sabemos que o Universo está se expandindo – quanto mais distante a galáxia está, mais rápido ela se afasta de nós. De fato, na década de 1990, a taxa de expansão foi acelerada.
A taxa de expansão atual é descrita por algo chamado “Constante de Hubble” – um parâmetro cosmológico fundamental.
Até recentemente, parecia que estávamos convergindo em um valor aceito para a constante de Hubble. Mas uma discrepância misteriosa surgiu entre valores medidos usando diferentes técnicas.
Agora, um novo estudo, publicado na Science, apresenta um método que pode ajudar a resolver o mistério.
O problema com precisão
A Constante de Hubble pode ser estimada combinando medidas das distâncias para outras galáxias com a velocidade que elas estão se afastando de nós.
Na virada do século, os cientistas concordaram que o valor era de cerca de 70 quilômetros por segundo por megaparsec – um megaparsec representa pouco mais de 3 milhões de anos-luz. Mas nos últimos anos, novas medições mostraram que essa pode não ser a resposta final.
Se estimarmos a Constante de Hubble usando observações do Universo local atual, obteremos um valor de 73. Mas também podemos usar observações do brilho posterior do Big Bang – o “fundo cósmico de microondas” – para estimar a Constante de Hubble.
Mas essa medição “precoce” do universo fornece um valor mais baixo, em torno de 67.
É preocupante que as duas medidas são suficientemente precisas para que não haja algum tipo de problema. Os astrônomos eufemisticamente se referem a isso como “tensão” no valor exato da constante de Hubble.
Se você é do tipo preocupante, a tensão aponta para algum problema sistemático desconhecido com uma ou ambas as medições. Se você é do tipo empolgado, então a discrepância pode ser uma pista sobre alguma nova física que não conhecíamos antes.
Embora tenha tido muito sucesso até agora, talvez nosso modelo cosmológico esteja errado, ou pelo menos incompleto.
Distante versus local
Para chegar ao fundo da discrepância, precisamos de uma melhor ligação da escala de distância entre o Universo muito local e muito distante.
O novo artigo apresenta uma abordagem clara para esse desafio. Muitas estimativas da taxa de expansão dependem da medição precisa das distâncias aos objetos. Mas isso é realmente difícil de fazer: não podemos simplesmente passar uma fita métrica em todo o Universo.
Uma abordagem comum é usar supernovas “Tipo 1a” (estrelas explosivas). São incrivelmente brilhantes, para que possamos vê-los a uma grande distância. Como sabemos como elas devem ser luminosas, podemos calcular sua distância comparando o brilho aparente com a luminosidade conhecida.
Para derivar a Constante de Hubble das observações da supernova, elas devem ser calibradas em uma escala de distância absoluta, porque ainda há uma incerteza bastante grande no brilho total.
Atualmente, essas “âncoras” são marcadores de distância muito próximos (e muito precisos), como estrelas variáveis ??cefeidas, que brilham e escurecem periodicamente.
Se tivéssemos âncoras de distância absoluta mais adiante no cosmos, as distâncias da supernova poderiam ser calibradas com mais precisão em uma faixa cósmica mais ampla.
Âncoras distantes
O novo trabalho lançou algumas novas âncoras ao explorar um fenômeno chamado lente gravitacional.
Observando como a luz de uma fonte de fundo (como uma galáxia) se dobra devido à gravidade de um objeto maciço à sua frente, podemos descobrir as propriedades desse objeto em primeiro plano.
A equipe estudou duas galáxias que estão distorcendo a luz de outras duas galáxias de fundo. A distorção é tão forte que várias imagens de cada galáxia de fundo são projetadas em torno dos defletores de primeiro plano (como na imagem acima).
Os componentes da luz que compõem cada uma dessas imagens terão percorrido distâncias ligeiramente diferentes em sua jornada para a Terra, à medida que a luz se curva em torno do defletor de primeiro plano. Isso causa um atraso no tempo de chegada da luz através da imagem da lente.
Se a fonte de fundo tiver um brilho bastante constante, não notamos esse atraso. Mas quando a fonte de fundo em si varia de brilho, podemos medir a diferença no tempo de chegada da luz. Este trabalho faz exatamente isso.
O atraso de tempo através da imagem lente está relacionado à massa da galáxia em primeiro plano que desvia a luz e seu tamanho físico. Então, quando combinamos o atraso de tempo medido com a massa da galáxia defletora (que sabemos), obtemos uma medida precisa de seu tamanho físico.
Como um centavo mantido no comprimento dos braços, podemos comparar o tamanho aparente da galáxia com o tamanho físico para determinar a distância, porque um objeto de tamanho fixo parecerá menor quando estiver longe.
Os autores apresentam distâncias absolutas de 810 e 1230 megaparsegs para as duas galáxias defletoras, com uma margem de erro de 10 a 20%.
Tratando essas medições como âncoras de distância absoluta, os autores analisam novamente a calibração de distância de 740 supernovas a partir de um conjunto de dados bem estabelecido usado para determinar a constante de Hubble. A resposta que obtiveram foi pouco mais de 82 quilômetros por segundo por megaparsec.
Isso é bastante alto comparado aos números mencionados acima. Mas o ponto principal é que, com apenas duas âncoras à distância, a incerteza nesse valor ainda é bastante grande. Importante, porém, é estatisticamente consistente com o valor medido no universo local.
A incerteza será reduzida ao procurar – e medir – distâncias de outras galáxias com lentes fortes e variáveis ??no tempo. Eles são raros, mas projetos futuros como o Large Synoptic Survey Telescope devem ser capazes de detectar muitos desses sistemas, aumentando a esperança de valores confiáveis.
O resultado fornece outra peça do quebra-cabeça. Mas é necessário mais trabalho: ainda não explica por que o valor derivado do fundo cósmico de microondas é tão baixo. Portanto, o mistério permanece, mas espero que não por muito tempo. Publicado originalmente no “The Conversation”.
Publicado em 21/09/2019
Artigo original: https://www.sciencealert.com/new-method-might-help-solve-the-frustrating-hubble-constant-tension e https://theconversation.com/how-fast-is-the-universe-really-expanding-new-measurements-help-tackle-the-mystery-123338
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