Desde que existe um Universo, o espaço vem se expandindo. Ele passou a existir cerca de 13,8 bilhões de anos atrás e tem inchado desde então, como um balão cósmico gigante.
A taxa atual dessa expansão é chamada de constante de Hubble, ou H0, e é uma das medidas fundamentais do Universo.
Se você conhece a constante de Hubble, pode calcular a idade do Universo. Você pode calcular o tamanho do Universo. Você pode calcular com mais precisão a influência da misteriosa energia escura que impulsiona a expansão do Universo. E, curiosidade, H0 é um dos valores necessários para calcular distâncias intergalácticas.
No entanto, existe um grande problema. Temos vários métodos altamente precisos para determinar a constante de Hubble … e esses métodos continuam retornando resultados diferentes por um motivo desconhecido.
Pode ser um problema com a calibração de nossas técnicas de medição – as velas padrão e réguas padrão que usamos para medir distâncias cósmicas (mais sobre isso em um momento). Pode ser alguma propriedade desconhecida da energia escura.
Ou talvez nossa compreensão da física fundamental seja incompleta. Para resolver isso, pode ser necessário um avanço do tipo que ganha prêmios Nobel.
Então, por onde começamos?
O básico
A constante de Hubble é tipicamente expressa com uma combinação aparentemente incomum de unidades de distância e tempo – quilômetros por segundo por megaparsec, ou (km / s) / Mpc; um megaparsec tem cerca de 3,3 milhões de anos-luz.
Essa combinação é necessária porque a expansão do Universo está se acelerando, portanto, as coisas que estão mais longe de nós parecem estar recuando mais rápido. Hipoteticamente, se descobríssemos que uma galáxia a 1 megaparsec de distância estava recuando a uma taxa de 10 km / s, e uma galáxia a 10 megaparsecs parecia estar recuando a 100 km / s, poderíamos descrever essa relação como 10 km / s por megaparsec.
Em outras palavras, determinar a relação proporcional entre quão rápido as galáxias estão se afastando de nós (km / s) e quão longe elas estão (Mpc) é o que nos dá o valor de H0.
Se ao menos houvesse uma maneira fácil de medir tudo isso.
Os cosmologistas desenvolveram várias maneiras de chegar à constante de Hubble, mas existem dois métodos principais. Eles envolvem governantes padrão ou velas padrão.
Réguas padrão e seus sinais
As réguas padrão são baseadas em sinais de uma época no início do Universo chamada de Época da Recombinação. Após o Big Bang, o Universo estava tão quente e denso que os átomos não podiam se formar. Em vez disso, existia apenas uma névoa de plasma quente e opaca; após cerca de 380.000 anos de resfriamento e expansão, esse plasma finalmente começou a se recombinar em átomos.
Contamos com dois sinais desse período. O primeiro é o fundo cósmico de microondas (CMB) – a luz que escapou da névoa de plasma quando a matéria se recombinou e o espaço se tornou transparente. Esta primeira luz – fraca como está agora – ainda preenche o Universo uniformemente em todas as direções.
As flutuações na temperatura da CMB representam expansões e contrações no Universo inicial, a serem incorporadas em cálculos que nos permitem inferir a história de expansão do nosso Universo.
O segundo sinal é chamado de oscilação acústica bariônica, e é o resultado de ondas de densidade acústica esférica que se propagaram através da névoa de plasma do Universo primitivo, chegando a uma paralisação na Época da Recombinação.
A distância que essa onda acústica poderia ter viajado durante esse período é de aproximadamente 150 megaparsecs; isso é detectável nas variações de densidade ao longo da história do Universo, fornecendo uma ‘régua’ por meio da qual medir distâncias.
Velas padrão no céu
As velas padrão, por outro lado, são medidas de distância baseadas em objetos no Universo local. Essas não podem ser apenas estrelas ou galáxias antigas – elas precisam ser objetos de brilho intrínseco conhecido, como supernovas do Tipo Ia, estrelas variáveis Cefeidas ou estrelas na ponta do ramo gigante vermelho.
“Quando você está olhando para as estrelas no céu, pode medir suas posições à esquerda e à direita com muita precisão, pode apontar para elas com muita precisão, mas não pode dizer a que distância estão”, a astrofísica Tamara Davis, do a Universidade de Queensland na Austrália, disse.
?É realmente difícil dizer a diferença entre algo que é realmente brilhante e distante, ou algo que é fraco e próximo. Então, a maneira como as pessoas medem é encontrar algo que seja padrão de alguma forma. Uma vela padrão é algo com brilho conhecido. ”
Tanto as réguas padrão quanto as velas padrão são tão precisas quanto podemos obtê-las, o que quer dizer – muito. E ambos retornam resultados diferentes quando usados para calcular a constante de Hubble.
De acordo com os governantes padrão, ou seja, o Universo primitivo, H0 é cerca de 67 quilômetros por segundo por megaparsec. Para as velas padrão – o universo local – é cerca de 74 quilômetros por segundo por megaparsec.
Nenhum desses resultados tem uma margem de erro que chegue nem perto de fechar a lacuna entre eles.
A história da lacuna
Os astrônomos Alexander Friedmann e Georges Lemaître notaram pela primeira vez que o Universo estava se expandindo na década de 1920. Em 1929, Edwin Hubble calculou a taxa de expansão com base em velas padrão chamadas estrelas variáveis Cefeidas, que variam periodicamente em brilho; uma vez que o tempo dessa variabilidade está ligado ao brilho intrínseco dessas estrelas, elas são uma excelente ferramenta de medição de distância.
Mas as calibrações de distância não estavam muito certas, o que se estendeu às medições de distância cósmica. Assim, os primeiros cálculos retornaram um H0 de cerca de 500 quilômetros por segundo por megaparsec.
“Foi descoberto um problema imediato porque os geólogos, que estudavam a Terra, sabiam que a Terra tinha cerca de 4 bilhões de anos”, disse Davis.
“Se você calcular a taxa de expansão como 500 km / s, poderá calcular quanto tempo levaria para chegar ao tamanho atual do Universo, e isso teria sido cerca de 2 bilhões de anos. Isso significava que a Terra era mais velha do que o Universo – o que não é possível – e então as pessoas pensaram “bah! Essa coisa de ‘expansão do Universo’ é tudo uma farsa.”
É onde a constante de Hubble permaneceu até por volta da década de 1950, quando o astrônomo alemão Walter Baade descobriu que existem dois tipos de estrelas variáveis Cefeidas, permitindo um cálculo refinado da constante de Hubble. Foi reduzido para cerca de 100 (km / s) / Mpc.
A partir daí, você sabe como funciona – você pode ver a progressão no gráfico acima. À medida que nossa tecnologia, técnicas e compreensão ficavam cada vez mais refinadas, o mesmo acontecia com os cálculos constantes de Hubble, junto com nossa confiança neles.
“Costumávamos ter barras de erro de mais ou menos 50”, disse Davis. “Agora temos barras de erro de mais ou menos 1 ou 2. Como as medições se tornaram tão boas, essas técnicas agora são suficientemente diferentes que é difícil explicar por erros de medição.”
Qual é o problema?
Hoje, a diferença entre os dois valores, conhecida como tensão de Hubble, pode não parecer um grande número – apenas 9,4 por cento.
Mas os cosmologistas ainda não descobriram onde está a causa dessa discrepância. O problema mais óbvio seria o de calibração, mas sua fonte permanece indefinida.
Várias equipes diferentes, por exemplo, calcularam H0 do CMB com base nas medições obtidas pelo observatório espacial de Planck. É possível que o problema esteja em nossa interpretação dos dados; mas uma pesquisa CMB de 2019 por um instrumento diferente, o Atacama Cosmology Telescope, concordou com os dados do Planck.
Além disso, os cálculos de H0 da oscilação acústica bariônica medida por um instrumento totalmente diferente, o Sloan Digital Sky Survey, retornou o mesmo resultado.
Talvez nossas velas padrão também nos estejam desviando. Esses objetos são agrupados em estágios, formando a ‘escada da distância cósmica’. Em primeiro lugar, a paralaxe – como estrelas próximas parecem mudar de posição em relação a estrelas mais distantes – é usada para validar as distâncias para os dois tipos de estrelas variáveis.
O próximo passo para fora das estrelas variáveis são as supernovas extragalácticas do Tipo Ia. É como subir uma escada cada vez mais longe no cosmos, e “mesmo um pequeno erro em uma das etapas pode se propagar em um erro maior posteriormente”, apontou Davis.
Outras tentativas de resolver o problema envolvem pensar sobre o próprio espaço que nos rodeia de uma maneira diferente.
A hipótese da bolha de Hubble, por exemplo, é baseada na ideia de que a Via Láctea está localizada em uma ‘bolha’ de densidade relativamente baixa no Universo, cercada por material de densidade mais alta. O efeito gravitacional deste material de alta densidade puxaria o espaço dentro da bolha, fazendo com que o espaço local parecesse se expandir a uma taxa mais rápida do que o Universo inicial.
Mesmo se todos os itens acima estivessem de fato contribuindo para o problema, isso dificilmente resultaria na discrepância de 9,4 por cento.
“As pessoas têm sido bastante inventivas ao descobrir maneiras possíveis de os métodos darem errado. E até agora, ninguém argumentou de forma convincente que qualquer erro em particular poderia explicar as diferenças que vemos”, cosmologista Matthew Colless, da Australian National University , disse ScienceAlert.
“É possível que um monte de pequenos erros diferentes estejam alinhados da mesma maneira; mas essas fontes de erro não estão relacionadas entre si. Seria muito surpreendente e extremamente azar se acontecesse que cada tipo de erro diferente nós feito, tudo empilhado em uma direção e nos levou para um lado.”
Talvez a culpa seja da física?
Em quase todos os outros aspectos, nossos modelos cosmológicos funcionam muito bem. Portanto, se você tentar alterar um dos componentes básicos da constante de Hubble, alguma outra coisa tende a quebrar.
“Você pode mudar a régua padrão”, disse Colless, “mas então você quebra alguma outra observação que foi feita – a quantidade de matéria no Universo, a massa dos neutrinos – coisas assim, bem medidas e explicadas pelo modelo atual, mas quebrado pelas alterações que você precisa fazer para ‘consertar’ a régua padrão. ”
O que leva a – o que diabos estamos perdendo? É um problema com … física fundamental?
“Estou bastante achando que é provável que seja um erro”, observou Davis. “Mas é realmente difícil explicar de onde esse erro pode ter vindo nas medições atuais. Portanto, estou quase 50-50. É uma discrepância intrigante. E é realmente interessante tentar descobrir o porquê.”
Se nossas opções são “humanos empalharam algo” e “na verdade, a física está errada”, a culpa normalmente recai sobre o primeiro.
Na verdade, isso é um eufemismo. “Nova física” é uma resposta extremamente rara. Mas a tensão do Hubble é um problema escorregadio, desafiando todas as tentativas de uma solução que os cosmologistas possam apresentar.
O que o torna incrivelmente excitante.
É possível que haja algo que a relatividade geral não levou em consideração. Isso seria louco: a teoria de Einstein sobreviveu a teste após teste cósmico. Mas não podemos descartar a possibilidade.
Naturalmente, existem outras possibilidades também, como a enorme incógnita da energia escura. Não sabemos o que é energia escura, mas parece ser uma força fundamental, responsável pela pressão negativa que está acelerando a expansão do nosso Universo. Talvez.
“Nossa única ideia vaga é que é a constante cosmológica de Einstein, a energia do vácuo”, disse Colless. “Mas não sabemos exatamente como isso funciona, porque não temos uma maneira convincente de prever qual deve ser o valor da constante cosmológica.”
Alternativamente, pode ser algum buraco em nossa compreensão da gravidade, embora “a nova física que afeta uma teoria da relatividade fundamental e geral seja extremamente rara”, observou Colless.
“Se houvesse uma nova física, e se ela exigisse uma modificação na relatividade geral, isso seria definitivamente uma descoberta da física no nível do Prêmio Nobel.”
O único caminho a seguir
Quer se trate de um erro de calibração, um grande erro em nosso entendimento atual da física ou qualquer outra coisa, só há um caminho a seguir se vamos consertar a constante de Hubble – fazer mais ciência.
Em primeiro lugar, os cosmologistas podem trabalhar com os dados atuais que já temos em velas padrão e réguas padrão, refinando-os ainda mais e reduzindo ainda mais as barras de erro. Para complementar isso, também podemos obter novos dados.
Colless, por exemplo, está trabalhando em um projeto na Austrália usando o instrumento TAIPAN de última geração recém-instalado no Siding Spring Observatory. Essa equipe estará pesquisando milhões de galáxias no Universo local para medir a oscilação acústica dos bárions o mais próximo possível de nós, para explicar quaisquer problemas de medição produzidos pela distância.
“Vamos medir 2 milhões de galáxias muito próximas – ao longo de todo o hemisfério sul e um pouco do hemisfério norte – o mais próximo possível, procurar esse sinal de oscilação acústica bárion e medir essa escala com 1 por cento precisão em redshift muito baixo. ”
Este é o mesmo volume de espaço que as escadas de distância cobrem. Portanto, se o TAIPAN resultar nesse mesmo volume, retornar um H0 de 67 quilômetros por segundo por megaparsec, o problema pode estar nas velas padrão.
Por outro lado, se os resultados estiverem próximos de 74 quilômetros por segundo por megaparsec, isso sugere que as velas padrão são mais robustas.
Os campos de pesquisa emergentes também são uma opção; não velas padrão ou réguas padrão, mas sirenes padrão, com base na astronomia de ondas gravitacionais – as ondulações no espaço-tempo propagadas por colisões massivas entre buracos negros e estrelas de nêutrons.
“Eles são semelhantes às supernovas no sentido de que sabemos o quão brilhantes são intrinsecamente”, disse Davis.
“Basicamente, é como uma vela padrão. Às vezes é chamada de sirene padrão, porque a frequência das ondas gravitacionais indica o quão brilhante ela é. Porque sabemos – pela relatividade geral – a relação entre a frequência e o brilho, não Não é preciso fazer nenhuma calibração. Temos apenas um número, o que o torna muito, muito mais limpo do que alguns desses outros métodos.”
Ainda é difícil medir a constante de Hubble com ondas gravitacionais. Mas os cálculos iniciais são promissores. Em 2017, a colisão de estrelas de nêutrons permitiu que os astrônomos reduzissem para cerca de 70 (km / s) / Mpc, com barras de erro grandes o suficiente em ambos os lados para cobrir 67 e 74, e mais alguns.
Isso, disse Davis, foi impressionante.
“Medimos milhares de supernovas agora”, disse ela. “Medimos milhões de galáxias para medir a oscilação acústica dos bárions, pesquisamos todo o céu para medir a radiação cósmica de fundo.
“E esse único objeto, essa medição de uma onda gravitacional, obteve uma barra de erro de cerca de 10 por cento, o que levou décadas de trabalho nas outras sondas.”
A astronomia de ondas gravitacionais ainda está em sua infância – é apenas uma questão de tempo antes de detectarmos colisões de estrelas de nêutrons o suficiente para refinar esses resultados. Com sorte, isso ajudará a descobrir a causa da tensão do Hubble.
De qualquer forma, isso fará história. A nova física seria, é claro, incrível – mas um erro na escada da distância abalaria a astronomia. Pode significar que há algo que não entendemos sobre as supernovas Tipo Ia, ou como as estrelas evoluem.
Seja qual for a forma como se mova, resolver a tensão do Hubble terá efeitos que se propagam pela ciência astronômica.
“É por isso que os cosmologistas estão tão entusiasmados com isso. Como a teoria cosmológica funciona tão bem, ficamos muito animados quando encontramos algo que ela falhou em prever. Porque quando as coisas quebram, é quando você aprende”, disse Colless.
“Ciência é tentativa e erro – e é no erro que você aprende algo novo.”
Publicado em 30/08/2020 21h44
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