Três décadas de observações do telescópio espacial convergem em um valor preciso para a constante de Hubble
A história da ciência registrará que a busca pela taxa de expansão do universo foi o grande Santo Graal da cosmologia do século XX. Sem qualquer evidência observacional de expansão, contração ou paralisação do espaço, não teríamos a menor ideia se o universo estava indo ou vindo. Além disso, também não teríamos ideia de sua idade – ou, de fato, se o universo fosse eterno.
O primeiro ato dessa revelação ocorreu quando, há um século, o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu inúmeras galáxias fora de nossa galáxia, a Via Láctea. E as galáxias não estavam paradas. O Hubble descobriu que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece estar se afastando de nós. Isso pode ser interpretado como a expansão uniforme do espaço. Hubble até disse que estudou as galáxias simplesmente como “marcadores de espaço”. No entanto, ele nunca esteve totalmente convencido da ideia de um universo em expansão uniforme. Ele suspeitava que suas medidas pudessem ser evidências de algo mais estranho acontecendo no universo.
“Você está obtendo a medida mais precisa da taxa de expansão do universo a partir do padrão-ouro de telescópios e marcadores de milhas cósmicas”. – Prêmio Nobel Adam Riess
Por décadas após o Hubble, os astrônomos trabalharam para determinar a taxa de expansão que produziria uma verdadeira idade para o universo. Isso exigiu a construção de uma série de escadas de distância cósmica montadas a partir de fontes que os astrônomos têm uma confiança razoável em seu brilho intrínseco. Os marcadores de milha detectáveis mais brilhantes e, portanto, mais distantes são as supernovas do Tipo Ia.
Quando o Telescópio Espacial Hubble foi lançado em 1990, a taxa de expansão do universo era tão incerta que sua idade poderia ser de apenas 8 bilhões de anos ou até 20 bilhões de anos.
Após 30 anos de trabalho meticuloso usando o extraordinário poder de observação do telescópio Hubble, várias equipes de astrônomos reduziram a taxa de expansão para uma precisão de pouco mais de 1%. Isso pode ser usado para prever que o universo dobrará de tamanho em 10 bilhões de anos.
A medição é cerca de oito vezes mais precisa do que a capacidade esperada do Hubble. Mas tornou-se mais do que apenas refinar um número para os cosmólogos. Nesse ínterim, o mistério da energia escura separando o universo foi descoberto. Para complicar ainda mais as coisas, a taxa de expansão atual é diferente do que se espera, pois o universo apareceu logo após o big bang.
Você acha que isso frustraria os astrônomos, mas, em vez disso, abre a porta para descobrir uma nova física e confrontar questões imprevistas sobre o funcionamento subjacente do universo. E, por fim, lembrando que temos muito mais a aprender entre as estrelas.
As galáxias mostradas nesta foto (da linha superior, da esquerda para a linha inferior, direita) são: NGC 7541, NGC 3021, NGC 5643, NGC 3254, NGC 3147, NGC 105, NGC 2608, NGC 3583, NGC 3147, Mrk 1337, NGC 5861, NGC 2525, NGC 1015, UGC 9391, NGC 691, NGC 7678, NGC 2442, NGC 5468, NGC 5917, NGC 4639, NGC 3972, Antenas Galáxias, NGC 5584, M106, 57250, NGC 3370, NGC , NGC 4424, NGC 1559, NGC 3982, NGC 1448, NGC 4680, M101, NGC 1365, NGC 7329 e NGC 3447.
Crédito: NASA, ESA, Adam G. Riess (STScI, JHU)
Hubble atinge novo marco na taxa de expansão de Mystery of Universe
O Telescópio Espacial Hubble da NASA completou uma maratona de quase 30 anos calibrando mais de 40 “marcadores de marcos” de espaço e tempo para permitir que os cientistas calculem com precisão a taxa de expansão do cosmos – uma missão com uma reviravolta na história.
A busca pela taxa de expansão do universo começou na década de 1920 com medições feitas pelos astrônomos Edwin P. Hubble e Georges Lemaître. Em 1998, isso levou à descoberta da “energia escura”, uma misteriosa força repulsiva que acelera a expansão do universo. Nos últimos anos, graças aos dados do Hubble e de outros telescópios, os astrônomos encontraram outra estranha reviravolta: uma discrepância entre a taxa de expansão medida no universo local em comparação com observações independentes logo após o big bang, que prevêem um valor de expansão diferente.
A causa dessa discrepância permanece um mistério. Mas os dados do Hubble, abrangendo uma variedade de objetos cósmicos que servem como marcadores de distância, apoiam a ideia de que algo estranho está acontecendo, possivelmente envolvendo uma física totalmente nova.
“Você está obtendo a medida mais precisa da taxa de expansão do universo a partir do padrão-ouro de telescópios e marcadores de milhas cósmicas”, disse o Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute (STScI) e da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland.
Riess lidera uma colaboração científica que investiga a taxa de expansão do universo chamada SHOES, que significa Supernova, H0, para a Equação do Estado da Energia Escura. “É para isso que o Telescópio Espacial Hubble foi construído, usando as melhores técnicas que conhecemos. Esta é provavelmente a obra-prima do Hubble, porque levaria mais 30 anos da vida do Hubble para dobrar esse tamanho de amostra”, disse Riess.
O artigo da equipe de Riess, a ser publicado na edição Special Focus do The Astrophysical Journal, relata a conclusão da maior e provavelmente última grande atualização da constante de Hubble. Os novos resultados mais que dobram a amostra anterior de marcadores de distância cósmica. Sua equipe também reanalisou todos os dados anteriores, com todo o conjunto de dados agora incluindo mais de 1.000 órbitas do Hubble.
Quando a NASA concebeu um grande telescópio espacial na década de 1970, uma das principais justificativas para o gasto e esforço técnico extraordinário foi poder resolver Cefeidas, estrelas que brilham e escurecem periodicamente, vistas dentro de nossa Via Láctea e galáxias externas. As cefeidas têm sido o padrão-ouro dos marcadores de milhas cósmicas desde que sua utilidade foi descoberta pela astrônoma Henrietta Swan Leavitt em 1912. Para calcular distâncias muito maiores, os astrônomos usam estrelas explosivas chamadas supernovas do Tipo Ia.
Combinados, esses objetos construíram uma “escada de distância cósmica” em todo o universo e são essenciais para medir a taxa de expansão do universo, chamada constante de Hubble em homenagem a Edwin Hubble. Esse valor é fundamental para estimar a idade do universo e fornece um teste básico de nossa compreensão do universo.
Começando logo após o lançamento do Hubble em 1990, o primeiro conjunto de observações de estrelas Cefeidas para refinar a constante de Hubble foi realizado por duas equipes: o HST Key Project liderado por Wendy Freedman, Robert Kennicutt e Jeremy Mould, Marc Aaronson e outro por Allan Sandage e colaboradores, que usaram Cefeidas como marcadores de milha para refinar a medição de distância para galáxias próximas. No início dos anos 2000, as equipes declararam “missão cumprida” ao atingir uma precisão de 10% para a constante de Hubble, 72 mais ou menos 8 quilômetros por segundo por megaparsec.
Em 2005 e novamente em 2009, a adição de novas câmeras poderosas a bordo do telescópio Hubble lançou a “Geração 2” da pesquisa constante do Hubble, enquanto as equipes se propunham a refinar o valor para uma precisão de apenas um por cento. Este foi inaugurado pelo programa SHOES. Várias equipes de astrônomos usando o Hubble, incluindo SHOES, convergiram em um valor constante de Hubble de 73 mais ou menos 1 quilômetro por segundo por megaparsec. Embora outras abordagens tenham sido usadas para investigar a questão da constante de Hubble, diferentes equipes chegaram a valores próximos do mesmo número.
A equipe SHOES inclui líderes de longa data Dr. Wenlong Yuan da Johns Hopkins University, Dr. Lucas Macri da Texas A&M University, Dr. Stefano Casertano da STScI e Dr. Dan Scolnic da Duke University. O projeto foi projetado para enquadrar o universo combinando a precisão da constante de Hubble inferida do estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas que sobrou da aurora do universo.
“A constante de Hubble é um número muito especial. Ele pode ser usado para enfiar uma agulha do passado ao presente para um teste de ponta a ponta de nossa compreensão do universo. Isso exigiu uma quantidade fenomenal de trabalho detalhado”, disse a Dra. Licia Verde, cosmóloga do ICREA e do ICC-Universidade de Barcelona, falando sobre o trabalho da equipe SHOES.
A equipe mediu 42 dos marcadores de supernova com o Hubble. Como elas são vistas explodindo a uma taxa de cerca de uma por ano, o Hubble registrou, para todos os efeitos práticos, o maior número possível de supernovas para medir a expansão do universo. Riess disse: “Temos uma amostra completa de todas as supernovas acessíveis ao telescópio Hubble vistas nos últimos 40 anos”. Como a letra da música “Kansas City”, do musical da Broadway Oklahoma, o Hubble “foi tão peludo quanto possível!”
Física estranha?
A taxa de expansão do universo foi prevista para ser mais lenta do que o Hubble realmente vê. Ao combinar o Modelo Cosmológico Padrão do Universo e as medições da missão Planck da Agência Espacial Européia (que observou o fundo de micro-ondas cósmico relíquia de 13,8 bilhões de anos atrás), os astrônomos prevêem um valor mais baixo para a constante de Hubble: 67,5 mais ou menos 0,5 quilômetros por segundo por megaparsec, em comparação com a estimativa da equipe SHOES de 73.
Dado o grande tamanho da amostra do Hubble, há apenas uma chance em um milhão de astrônomos estarem errados devido a um sorteio azarado, disse Riess, um limite comum para levar um problema a sério na física. Essa descoberta está desvendando o que estava se tornando uma imagem bonita e organizada da evolução dinâmica do universo. Os astrônomos estão perdidos por uma explicação da desconexão entre a taxa de expansão do universo local versus o universo primitivo, mas a resposta pode envolver física adicional do universo.
Tais descobertas confusas tornaram a vida mais excitante para cosmólogos como Riess. Trinta anos atrás, eles começaram a medir a constante de Hubble para comparar o universo, mas agora se tornou algo ainda mais interessante. “Na verdade, não me importo com o valor da expansão especificamente, mas gosto de usá-lo para aprender sobre o universo”, acrescentou Riess.
O novo Telescópio Espacial Webb da NASA estenderá o trabalho do Hubble, mostrando esses marcadores de marcos cósmicos a distâncias maiores ou com resolução mais nítida do que o Hubble pode ver.
Publicado em 29/05/2022 12h19
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