Duas décadas de observações de explosões de supernovas e uma nova e poderosa ferramenta de análise forneceram a contabilidade mais precisa da energia escura e da matéria escura até o momento.
A energia escura e a matéria escura – muitas vezes conhecidas coletivamente como o “universo escuro” – são misteriosas porque, apesar de representarem pelo menos 95% do conteúdo de energia e matéria do universo, elas não podem ser observadas diretamente. A existência de energia escura é inferida pelo fato de que ela impulsiona a expansão acelerada do universo. A matéria escura, que não interage com a luz e, portanto, é “invisível” é detectada indiretamente devido à sua influência gravitacional, que literalmente impede as galáxias de se separarem enquanto giram.
A nova análise, apelidada de Pantheon+, confirma que o conteúdo matéria-energia do universo é composto por cerca de dois terços de energia escura e um terço de matéria, a maioria na forma de matéria escura. A análise também confirma que o universo tem se expandido a uma taxa acelerada nos últimos bilhões de anos, e deixa um desacordo chave na taxa dessa expansão ainda sem solução.
Os resultados obtidos pelos astrofísicos por trás da análise do Pantheon+ fornecem mais evidências estatísticas de que as teorias cosmológicas modernas que compõem o Modelo Padrão fornecem a melhor explicação para a energia escura e a matéria escura. Isso significa que a análise do Pantheon+ pode ajudar a fechar a porta para estruturas alternativas que tentam explicar esses aspectos misteriosos do cosmos e ajudar os cientistas a aprimorar sua compreensão do universo escuro.
“Com esses resultados do Pantheon+, somos capazes de colocar as restrições mais precisas sobre a dinâmica e a história do universo até hoje”, disse Dillon Brout, astrofísico do Centro de Astrofísica de Harvard & Smithsonian, em um comunicado. aba). “Nós vasculhamos os dados e agora podemos dizer com mais confiança do que nunca como o universo evoluiu ao longo das eras e que as melhores teorias atuais para energia escura e matéria escura se mantêm fortes”.
Lançando luz sobre o universo escuro com velas cósmicas
O Pantheon foi desenvolvido pela primeira vez por Dan Scolnic, físico da Duke University na Carolina do Norte e coautor da nova pesquisa, há vários anos, quando a análise se baseava em dados de 1.000 supernovas, ou explosões estelares.
No novo estudo, Brout, Scolnic e seus colegas trouxeram esse conjunto de dados para mais de 1.500 supernovas. Além disso, eles melhoraram as técnicas de análise, bem como abordaram possíveis fontes de erro. As atualizações concederam ao Pantheon+ o dobro da precisão do Pantheon original.
A técnica se baseia no que os astrônomos chamam de supernovas do Tipo Ia, que são um tipo de explosão cósmica que ocorre quando remanescentes estelares chamados anãs brancas acumulam matéria de uma estrela companheira em um ritmo rápido, desencadeando reações termonucleares descontroladas.
Essa variedade de explosões cósmicas pode ser tão brilhante que supera a saída de luz de todas as estrelas de sua galáxia combinadas, então os astrônomos detectaram esse tipo de supernova a até 10 bilhões de anos-luz de distância. Como a luz leva um tempo finito para viajar até a Terra, os astrônomos também estão olhando para trás no tempo – no caso de 10 bilhões de anos-luz, quando o universo tinha apenas um quarto de sua idade atual.
Cada supernova do Tipo Ia libera a mesma quantidade de luz, então os astrônomos as chamam de “velas padrão” e usam esses eventos para medir distâncias cósmicas e a expansão do universo.
As medições de distância são possíveis porque o brilho da luz da supernova Tipo Ia diminui à medida que viaja. Calcular a expansão do universo é mais complicado; ele se baseia em determinar o quanto a luz foi esticada – ou “desviada para o vermelho”, como os astrônomos a chamam – enquanto viaja por bilhões de anos em um universo em expansão.
O desvio para o vermelho de supernovas em distâncias variadas e, portanto, em diferentes períodos da história cósmica revela a rapidez com que o universo estava se expandindo durante suas diferentes épocas. Essas medições podem então ser usadas para testar teorias dos componentes fundamentais do universo, incluindo energia escura e matéria escura.
Duas equipes separadas de cientistas em 1998 usaram observações de supernovas distantes do Tipo Ia para calcular que a expansão do universo estava de fato acelerando. Isso foi um grande choque para os físicos, que supunham que o que quer que tivesse desencadeado a rápida expansão inicial do universo – comumente chamado de “Big Bang” – havia se dissipado e a taxa de expansão do universo diminuído.
A expansão acelerada do universo é análoga a empurrar uma criança em um balanço, observando-a desacelerar quase até parar quando de repente ela começa a balançar mais rapidamente e a alturas maiores sem mais nenhum empurrão.
A energia escura tornou-se um nome reservado para o impulso cósmico que está esticando o próprio tecido do universo cada vez mais rápido. A matéria escura é quase o outro lado desta moeda, com sua influência gravitacional ajudando a manter as galáxias juntas internamente, enquanto a energia escura as separa umas das outras.
A expansão do universo começou a acelerar quando a energia escura começou a dominar a influência da matéria – predominantemente matéria escura – e começou a separar o universo a uma taxa cada vez maior.
“Com este conjunto de dados Pantheon + combinado, obtemos uma visão precisa do universo desde o momento em que era dominado pela matéria escura até quando o universo se tornou dominado pela energia escura”, disse Brout. “Este conjunto de dados é uma oportunidade única de ver a energia escura se ativar e impulsionar a evolução do cosmos nas maiores escalas até o presente”.
A “tensão Hubble” permanece
Além disso, a análise do Pantheon+ agrava um problema persistente na cosmologia.
Os cientistas chamam a taxa de expansão do universo de constante de Hubble, que a análise do Pantheon+ calcula em 45,6 milhas (73,4 quilômetros) por segundo por megaparsec com apenas 1,3% de incerteza. Isso significa que para cada megaparsec, o que equivale a 3,26 milhões de anos-luz, a análise estima que no próprio universo próximo o espaço está se expandindo a mais de 260.000 km/h.
Outra maneira de medir a constante de Hubble usa a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), uma luz fóssil que sobrou de um evento logo após o Big Bang. No entanto, esta abordagem e a abordagem da supernova Tipo Ia sugerem valores diferentes para a constante de Hubble. Essa diferença ficou conhecida como “tensão de Hubble”, e os resultados do Pantheon+ destacam ainda mais essa discrepância persistente, já que a análise é precisa o suficiente para que os astrônomos calculem que as chances de a tensão surgir devido ao acaso é de apenas uma em 1 milhão.
Apesar disso, esses resultados podem ajudar os cientistas a identificar a fonte da disparidade entre essas duas técnicas de medição diferentes.
“Pensamos que seria possível encontrar pistas para uma nova solução para esses problemas em nosso conjunto de dados, mas estamos descobrindo que nossos dados descartam muitas dessas opções e que as profundas discrepâncias permanecem tão teimosas como sempre”, disse Brout. “Muitas teorias recentes começaram a apontar para uma nova física exótica no universo inicial, no entanto, essas teorias não verificadas devem resistir ao processo científico e a tensão do Hubble continua a ser um grande desafio”.
O Pantheon+ reúne observações de supernovas do Tipo Ia feitas desde a descoberta inovadora da energia escura em 1998 para restringir melhor esse elemento do universo.
Adam Riess, cosmólogo da Universidade Johns Hopkins e do Space Telescope Science Institute em Maryland e coautor da nova pesquisa, foi um dos membros das equipes por trás da revelação de 1998. Ele compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2011 pela descoberta da expansão acelerada do universo.
“De muitas maneiras, esta última análise do Pantheon+ é o culminar de mais de duas décadas de esforços diligentes de observadores e teóricos em todo o mundo para decifrar a essência do cosmos”, disse Riess.
A pesquisa da equipe é descrita em uma série de artigos publicados na quarta-feira (19 de outubro) no The Astrophysical Journal.
Publicado em 21/10/2022 22h06
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