Um novo conjunto de medições de distância de precisão feitas com uma coleção internacional de radiotelescópios aumentou muito a probabilidade de os teóricos precisarem revisar o “modelo padrão” que descreve a natureza fundamental do Universo.
As novas medidas de distância permitiram aos astrônomos refinar seu cálculo da Constante de Hubble, a taxa de expansão do Universo, um valor importante para testar o modelo teórico que descreve a composição e evolução do Universo. O problema é que as novas medições exacerbam uma discrepância entre os valores medidos anteriormente da Constante de Hubble e o valor previsto pelo modelo quando aplicados às medições do fundo de microondas cósmico feito pelo satélite Planck.
“Descobrimos que as galáxias estão mais próximas do que o previsto pelo modelo padrão de cosmologia, corroborando um problema identificado em outros tipos de medições de distância. Houve um debate sobre se esse problema está no próprio modelo ou nas medidas usadas para testá-lo. Nosso trabalho utiliza uma técnica de medição de distância completamente independente de todas as outras, e reforçamos a disparidade entre valores medidos e previstos. É provável que o modelo cosmológico básico envolvido nas previsões seja o problema”, disse James Braatz, do Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO).
Braatz lidera o Megamaser Cosmology Project, um esforço internacional para medir a Constante Hubble, encontrando galáxias com propriedades específicas que se prestam a produzir distâncias geométricas precisas. O projeto utilizou o Very Long Baseline Array (VLBA) da National Science Foundation, o Karl Very Jansky Very Large Array (VLA) e o Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), juntamente com o telescópio Effelsberg na Alemanha. A equipe relatou seus últimos resultados no Astrophysical Journal Letters.
Edwin Hubble, que recebeu o nome do Telescópio Espacial Hubble, calculou primeiro a taxa de expansão do universo (a Constante Hubble) em 1929, medindo as distâncias das galáxias e suas velocidades de recessão. Quanto mais distante estiver uma galáxia, maior será sua velocidade de recessão da Terra. Hoje, a Constante Hubble continua sendo uma propriedade fundamental da cosmologia observacional e foco de muitos estudos modernos.
Medir a velocidade de recessão das galáxias é relativamente simples. Determinar distâncias cósmicas, no entanto, tem sido uma tarefa difícil para os astrônomos. Para objetos em nossa própria galáxia da Via Láctea, os astrônomos podem obter distâncias medindo a aparente mudança na posição do objeto quando vistos de lados opostos da órbita da Terra ao redor do Sol, um efeito chamado paralaxe. A primeira medição dessa distância da paralaxe de uma estrela ocorreu em 1838.
Além de nossa própria galáxia, as paralaxes são pequenas demais para serem medidas, então os astrônomos confiaram em objetos chamados “velas padrão”, assim chamados porque seu brilho intrínseco é presumido conhecido. A distância a um objeto de brilho conhecido pode ser calculada com base na intensidade da escuridão do objeto na Terra. Essas velas padrão incluem uma classe de estrelas chamada variáveis cefeidas e um tipo específico de explosão estelar chamado supernova do tipo Ia.
Outro método para estimar a taxa de expansão envolve a observação de quasares distantes cuja luz é dobrada pelo efeito gravitacional de uma galáxia em primeiro plano em várias imagens. Quando o quasar varia em brilho, a alteração aparece nas diferentes imagens em momentos diferentes. Medir essa diferença de tempo, juntamente com os cálculos da geometria da curvatura da luz, produz uma estimativa da taxa de expansão.
As determinações da Constante Hubble com base nas velas padrão e nos quasares com lentes gravitacionais produziram números de 73 a 74 quilômetros por segundo (a velocidade) por megaparseg (distância em unidades favorecidas pelos astrônomos).
No entanto, as previsões da constante de Hubble a partir do modelo cosmológico padrão, quando aplicadas a medições do fundo cósmico de microondas (CMB) – a radiação restante do Big Bang – produzem um valor de 67,4, uma diferença significativa e preocupante. Essa diferença, que os astrônomos dizem estar além dos erros experimentais nas observações, tem sérias implicações para o modelo padrão.
O modelo é chamado Lambda Cold Dark Matter, ou Lambda CDM, onde “Lambda” se refere à constante cosmológica de Einstein e é uma representação da energia escura. O modelo divide a composição do Universo principalmente entre matéria comum, matéria escura e energia escura, e descreve como o Universo evoluiu desde o Big Bang.
O Megamaser Cosmology Project se concentra em galáxias com discos de gás molecular contendo água que orbitam buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Se o disco em órbita for visto quase na borda da Terra, pontos brilhantes de emissão de rádio, chamados masers – análogos de rádio para lasers de luz visível – podem ser usados para determinar o tamanho físico do disco e sua extensão angular e, portanto, através da geometria, sua distância. A equipe do projeto usa a coleção mundial de radiotelescópios para fazer as medições de precisão necessárias para esta técnica.
Em seu trabalho mais recente, a equipe refinou suas medições de distância para quatro galáxias, a distâncias que variam de 168 milhões de anos-luz a 431 milhões de anos-luz. Combinados com medições de distância anteriores de duas outras galáxias, seus cálculos produziram um valor para a Constante de Hubble de 73,9 quilômetros por segundo por megaparsec.
“Testar o modelo padrão de cosmologia é um problema realmente desafiador, que requer as melhores medições da Hubble Constant. A discrepância entre os valores previstos e medidos da Constante de Hubble aponta para um dos problemas mais fundamentais em toda a física; portanto, gostaríamos de ter várias medidas independentes que corroboram o problema e testam o modelo. Nosso método é geométrico e completamente independente de todos os outros, e reforça a discrepância”, disse Dom Pesce, pesquisador do Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian, e principal autor do artigo mais recente.
“O método mais básico de medir a taxa de expansão do universo é elegante e, ao contrário dos outros, baseado na geometria. Ao medir posições e dinâmicas extremamente precisas de pontos de maser no disco de acreção ao redor de um buraco negro distante, podemos determinar a distância das galáxias hospedeiras e, em seguida, a taxa de expansão. Nosso resultado dessa técnica única reforça o argumento de um problema-chave na cosmologia observacional.” disse Mark Reid, do Centro de Astrofísica | Harvard e Smithsonian, e um membro da equipe Megamaser Cosmology Project.
“Nossa medição da Constante Hubble está muito próxima de outras medições recentes e estatisticamente muito diferente das previsões baseadas no CMB e no modelo cosmológico padrão. Tudo indica que o modelo padrão precisa de revisão”, afirmou Braatz.
Os astrônomos têm várias maneiras de ajustar o modelo para resolver a discrepância. Algumas delas incluem pressupostos variáveis sobre a natureza da energia escura, afastando-se da constante cosmológica de Einstein. Outros analisam mudanças fundamentais na física de partículas, como alterar os números ou tipos de neutrinos ou as possibilidades de interações entre eles. Existem outras possibilidades, ainda mais exóticas, e no momento os cientistas não têm evidências claras de discriminação entre elas.
“Este é um caso clássico da interação entre observação e teoria. O modelo Lambda CDM tem funcionado muito bem há anos, mas agora as observações claramente apontam para um problema que precisa ser resolvido, e parece que o problema está no modelo”, disse Pesce.
O Observatório Nacional de Radioastronomia é uma instalação da National Science Foundation, operada sob acordo de cooperação entre Universidades Associadas,
Publicado em 13/06/2020 20h31
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