SANTA BARBARA, Califórnia – A palavra “crise” pairou no ar desde o início da reunião.
Em uma sala a poucos passos do oceano em Santa Bárbara, astrônomos e físicos se mexiam inquietos em suas cadeiras. A luz do sol e a brisa do mar acenaram, mas os cientistas haviam se enclausurado para debater um dos maiores dilemas da física: a rapidez com que o universo está se expandindo.
Estimativas baseadas em explosões de estrelas, ou supernovas, sugeriram que o universo está crescendo aproximadamente 10% mais rápido do que o indicado pela luz emitida logo após o Big Bang, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. Agora, uma medição baseada em observações de objetos luminosos chamados quasares levou o problema para além de uma referência estatística conhecida como cinco sigma, denotando que a questão era algo a ser levado a sério.
Na frente da sala, em 15 de julho, dois titãs vencedores do Nobel da física debateram o nível apropriado de alarme. O cosmologista Adam Riess, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, em Baltimore, perguntou ao teórico físico de partículas David Gross: Como os físicos de partículas se refeririam a uma discrepância tão grande?
“Se encontrarmos algo assim … não chamaríamos isso de tensão ou problema, mas sim de crise”, disse Gross, do Instituto Kavli de Física Teórica da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara.
Os cientistas da reunião adotaram imediatamente a palavra “crise” para descrever a diferença nas estimativas de expansão. Mas nem todos concordam que o problema é real. Na versão dos físicos de uma queda de microfone, um estudo apareceu on-line naquela noite, desafiando a narrativa. Uma nova versão da técnica de supernova encontrou um valor da constante de Hubble, o parâmetro que quantifica a expansão do universo, que era consistente com as medições do universo primordial. Então – uma crise, ou ainda não?
Muito está em jogo, incluindo a compreensão básica dos cientistas sobre o que o universo contém e como ele evolui com o tempo. Até agora, uma teoria conhecida como modelo cosmológico padrão conseguiu explicar uma ampla variedade de observações cósmicas. Mas a discrepância nas medições da expansão do universo pode significar que o modelo em si precisa ser drasticamente alterado.
Se o impasse não pode ser explicado por erro experimental, diz a física teórica Vivian Poulin do CNRS e do Laboratoire Univers et Particules de Montpellier, na França, “isso significaria que há realmente algo muito importante que não entendemos desde muito cedo. Se fenômenos desconhecidos ocorressem no cosmos infantil – como um tipo diferente de energia escura ou novas partículas subatômicas – isso poderia alterar nossa compreensão de como o universo evoluiu, e possivelmente trazer as duas medidas de volta à concordância.
Uma questão em expansão
Uma técnica para medir a atual expansão do universo é tirar uma “foto de bebê” do cosmos e extrapolar até os dias atuais. Essa imagem infantil é o fundo de microondas cósmica, luz emitida apenas 380.000 anos após o Big Bang. Para traduzir essa informação em uma taxa de expansão do universo moderno, os cientistas usam o modelo cosmológico padrão para fazer uma previsão.
Usando essa estratégia, os cientistas com o experimento de Planck estimaram que o universo está se expandindo a uma taxa de 67,4 quilômetros por segundo para cada megaparsec, ou cerca de 3 milhões de anos-luz, de distância entre objetos (SN: 3/21/15, p 7). O número deixa pouco espaço de manobra para desacordo: O erro experimental é de apenas 0,5 km / s / Mpc.
Mas as medições de supernova se ajustaram a uma taxa de expansão maior de 74,0 km / s / Mpc, com um erro de 1,4 km / s / Mpc. Isso deixa uma lacuna inexplicável entre as duas estimativas. Agora, “a comunidade começou a levar este [problema] a sério”, diz o cosmólogo Daniel Scolnic, da Duke University, que trabalha no projeto de supernova liderado por Riess, chamado SH0ES.
É improvável que um erro experimental na medição de Planck possa explicar a discrepância: essa perspectiva “não é uma rota possível para sair da atual crise”, disse o cosmólogo Lloyd Knox, da Universidade da Califórnia, em Davis, durante a reunião. Além disso, outra técnica com base no universo primordial, a medição das ondas sonoras conhecidas como oscilações acústicas bariônicas – quando combinadas com outras medições – concorda com o resultado do Planck.
Assim, as preocupações se concentraram na possibilidade de que as medições da supernova contenham erros sistemáticos não explicados – vieses que levam a estimativa do SH0ES a um valor maior. “O que me mantém acordado durante a noite é, quais são as sistemáticas que podemos não conhecer quando fazemos apenas um método?”, Diz a cosmologista Wendy Freedman, da Universidade de Chicago.
Freedman resolveu verificar.
Problemas de distância
Para medir a rapidez com que o universo está se expandindo no momento, os cientistas precisam combinar dois bits de informação: o quão rápido os objetos distantes parecem estar se afastando de nós e a que distância eles estão. O primeiro é relativamente fácil. Os cientistas procuram por um redshift, um alongamento dos comprimentos de onda da luz emitida por um objeto.
Medir distâncias é muito mais complicado. Os astrônomos empregam “velas padrão”, objetos celestes que emitem um brilho consistente e quantificável, como explosões de uma variedade de supernovas chamada tipo 1a. Como acontece com uma vela real, se o brilho de um objeto é conhecido, podemos determinar a que distância ele está por quanto diminuiu devido à distância.
Definir a escala de distância requer uma “escada de distância”, usando objetos próximos de brilho uniforme como uma ponte para supernovas mais distantes. Como um degrau dessa escada de distância, a equipe SH0ES usa estrelas conhecidas como Cefeidas, que variam regularmente em luminosidade de uma forma que permite aos cientistas estimar seu brilho geral.
Para verificar os resultados anteriores da supernova, Freedman jogou fora aquela escada de distância. Em vez de Cefeidas, ela e seus colegas usaram estrelas chamadas gigantes vermelhas, que, em um determinado estágio de suas vidas, alcançam um brilho máximo que é o mesmo para cada estrela. O resultado é “completamente diferente do zero”, diz Freedman.
Num floreio dramático e oportuno que abalou o encontro de pesquisadores normalmente imperturbáveis, Freedman revelou o resultado de sua equipe em uma palestra no segundo dia do encontro, bem como em um estudo aceito no Astrophysical Journal. O resultado caiu entre as estimativas conflitantes de SH0ES e Planck, a 69,8 km / s / Mpc. Com uma firmeza calma, Freedman responde às declarações de uma crise, dizendo que o resultado de sua equipe deve fazer com que os pesquisadores façam uma pausa.
Vaca sagrada
Mas, mesmo quando a revelação de Freedman enfraqueceu o argumento em favor da crise, o ímpeto em direção à sua declaração já estava aumentando. Apenas alguns dias antes da reunião, a colaboração H0LiCOW publicou dois estudos sobre arXiv.org sobre uma medida da constante de Hubble baseada em lentes gravitacionais de quasares, fontes brilhantes de luz alimentadas por um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia.
Assim como uma lente, objetos enormes podem entortar o caminho da luz. Os pesquisadores analisaram os quasares que haviam sido divididos em múltiplas imagens por essas lentes gravitacionais, fazendo com que um quasar parecesse com dois ou mais. O fenômeno é semelhante à imagem duplicada de um peixe que você pode ver ao nadar próximo ao canto de um aquário.
Estudando como essas imagens de quasar tremulavam, resultou em uma constante de Hubble de 73,3 km / s / Mpc, sustentando a ideia de uma crise. “Parece que isso é mais real depois do nosso resultado”, diz o cosmólogo Geoff Chih-Fan Chen, da Universidade da Califórnia, em Davis.
Crucialmente, os pesquisadores fizeram seu trabalho “cego”, o que significa que eles esconderam a resposta deles mesmos até que a análise fosse finalizada. Essa técnica pode impedir uma tendência não intencional de os analisadores alinharem seu resultado com valores previamente medidos da constante de Hubble. Apesar dessa cegueira, o resultado foi como um “eco” do resultado do SH0ES, diz Chen.
Enquanto isso, o astrônomo Mark Reid, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, relatou uma medida constante de Hubble baseada em megamasers – nuvens de gás girando em torno de um buraco negro que emite luz de um determinado comprimento de onda, semelhante ao de um laser. Essa estimativa também estava de acordo com o maior conjunto de valores, cerca de 74 km / s / Mpc.
Também foram apresentados na reunião medições baseadas em variações no brilho de uma galáxia através dos pixels de uma imagem (76,5 km / s / Mpc), e outra variação na técnica de supernova, que usou estrelas chamadas Miras ao invés de Cefeidas ou gigantes vermelhas. (73,6 km / s / Mpc).
Enquanto isso, outro quebra-cabeça cosmológico está ganhando cada vez mais atenção, diz Hendrik Hildebrandt, da Ruhr-Universität Bochum, na Alemanha. Há indícios de divergências nas medições da aglomeração da matéria no universo, conforme medido por um parâmetro conhecido como sigma-8. Para detectar essa falta de clareza, os cientistas observam o céu, procurando uma variedade fraca de lentes gravitacionais, nas quais as galáxias parecem estar ligeiramente alinhadas umas com as outras. Essa lente pode ser usada para inferir a distribuição de massa no universo. Mas, assim como a medição da constante de Hubble, esse número, medido por um esforço chamado Kilo-Degree Survey, discorda das estimativas baseadas no background das microondas cósmicas.
“A tensão sigma-8 é o segundo ponto de interrogação que temos”, diz Hildebrandt. Mas a discrepância não é tão significativa, observa ele, e não foi estudada tão de perto. “Não é tão maduro; não está na literatura há muito tempo. Mas também não parece realmente ir embora ”.
Alguns cientistas estão se perguntando se há alguma conexão entre essa possível discrepância e o dilema da taxa de expansão. Se os pesquisadores determinarem que há um segundo problema potencial com a compreensão do universo, isso reforçaria o argumento de que algo está errado.
O universo fala?
Se as discrepâncias não puderem ser atribuídas ao erro de medição, será necessária uma nova teoria consistente com todos os dados. Mas os cientistas se esforçaram para encontrar uma explicação coesa. Quase qualquer mudança na história do universo – adicionando novos tipos de partículas subatômicas, por exemplo – entraria em conflito com outras medições, transformando a física em tumulto.
“Temos tantas maneiras diferentes de investigar o universo que é muito difícil criar uma teoria elegante que passe em todos os testes sem criar novas tensões”, diz Dillon Brout, da Universidade da Pensilvânia.
Uma solução potencial envolve uma adição à misteriosa energia escura que está causando a aceleração da expansão do universo. Uma “energia escura primitiva” poderia ter agido na juventude do universo, alterando a expansão na época em que o pano de fundo da radiação cósmica foi liberado, relataram Poulin e colegas na reunião e no Physical Review Letters de 7 de junho.
E a discordância sobre a constante de Hubble tem precedentes: a estimativa tem um histórico de resultados confusos, diz Lucas Macri, da Texas A & M University, em College Station. Nesses casos anteriores, “o universo estava tentando lhe dizer que você não tinha a visão completa”. Em um caso, por exemplo, algumas estrelas pareciam mais antigas do que a idade do universo. A resolução finalmente veio na revelação da existência da energia escura.
Após dias de discussão, todas as evidências foram contadas. Os organizadores pediram uma demonstração de mãos: os problemas constantes de Hubble deveriam ser chamados de tensão, um problema ou uma crise? Parece que os cosmólogos estavam um pouco hesitantes em descartar o que eles achavam que sabiam sobre o universo. Apenas um punhado de mãos subiu para “crise”. Argumentos de que uma solução poderia ser encontrada sem renovar a física pareciam ter prevalecido.
Ainda assim, se o quebra-cabeça constante de Hubble persistir, isso poderia significar que o universo está mais uma vez tentando nos falar algo.
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