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MISTÉRIO DO RITMO DE EXPANSÃO DO UNIVERSO CRESCE COM NOVOS DADOS DO HUBBLE
30 de abril de 2019

 


A quase 200.00 anos-luz da Terra, a Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da Via Láctea, flutua no espaço, numa dança longa e lenta em redor da nossa Galáxia. À medida que a gravidade da Via Láctea puxa gentilmente as nuvens de gás da sua vizinha, colapsam para formar novas estrelas. Por sua vez, estas iluminam as nuvens de gás num caleidoscópio de cores, exemplificado nesta imagem obtida pelo Telescópio Espacial Hubble.
Crédito: NASA, ESA; reconhecimento - Josh Lake

 

Recorrendo ao Telescópio Espacial Hubble da NASA, astrónomos dizem que cruzaram um limiar importante ao revelar uma discrepância entre as duas principais técnicas para medir a expansão do Universo. O estudo recente reforça o argumento de que novas teorias podem ser necessárias para explicar as forças que moldaram o cosmos.

Uma breve recapitulação: o Universo está a ficar maior a cada segundo. O espaço entre as galáxias está a crescer, como massa que cresce num forno. Mas quão rápido está o Universo a expandir-se? À medida que o Hubble e outros telescópios procuram responder a essa pergunta, deparam-se com uma intrigante diferença entre o que os cientistas preveem e o que observam.

As medições do Hubble sugerem uma velocidade de expansão mais rápida no Universo atual do que o esperado, com base no modo como o Universo surgiu há mais de 13 mil milhões de anos. Estas medições do Universo primordial vêm do satélite Planck da ESA. Esta discrepância foi identificada em artigos científicos ao longo dos últimos anos, mas não se sabia se o "responsável" eram as diferenças nas técnicas de medição, ou se a diferença podia resultar de medições desafortunadas.

Os últimos dados do Hubble diminuem a possibilidade de que a discrepância seja casual para apenas 1 em 100.000. Este é um ganho significativo a partir de uma estimativa anterior, de há menos de um ano atrás, de 1 em 3000.

Estas medições do Hubble, as mais precisas até agora, reforçam a ideia de que pode ser necessária uma nova física para explicar a incompatibilidade.

"A tensão do Hubble, entre o Universo inicial e o presente, pode ser o desenvolvimento mais excitante da cosmologia em décadas," disse o investigador e laureado com o prémio Nobel, Adam Riess, do STScI (Space Telescope Science Institute) e da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland. "Esta discrepância tem vindo a crescer e agora chegou a um ponto em que é realmente impossível descartar como mera casualidade. Esta disparidade não podia acontecer plausivelmente apenas por acaso."

Apertando os parafusos da "escada" de distâncias cósmicas

Os cientistas usam uma "escada de distâncias cósmicas" para determinar quão longe estão os objetos no Universo. Este método depende de medições precisas das distâncias de galáxias próximas e depois de galáxias cada vez mais distantes, usando as suas estrelas como marcadores. Os astrónomos usam estes valores, juntamente com outras medições da luz das galáxias, que se torna avermelhada ao viajar por um Universo em expansão, para calcular a velocidade a que o cosmos cresce ao longo do tempo, um valor conhecido como constante de Hubble. Desde 2005 que Riess e a sua equipa SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) procuram refinar estas medições de distância com o telescópio espacial e refinar a constante de Hubble.

Neste novo estudo, os astrónomos usaram o Telescópio Hubble para observar 70 estrelas pulsantes chamadas variáveis Cefeidas na Grande Nuvem de Magalhães. As observações ajudaram os astrónomos a "reconstruir" a escada de distâncias, melhorando a comparação entre essas Cefeidas e as suas primas mais distantes em supernovas. A equipa de Riess reduziu a incerteza, no seu valor da constante de Hubble, para 1,9%, partindo de uma estimativa anterior de 2,2%.

À medida que as medições da equipa se tornavam mais precisas, o seu cálculo da constante de Hubble permaneceu em desacordo com o valor esperado e derivado das observações da expansão do início do Universo. Essas medições foram feitas pelo Planck, que mapeia o fundo cósmico de micro-ondas, uma relíquia remanescente 380.000 anos após o Big Bang.

As medições foram cuidadosamente examinadas, de modo que os astrónomos não podem atualmente ignorar a lacuna entre os dois resultados como um mero erro numa única medição ou método. Ambos os valores foram testados de várias maneiras.

"Não são apenas duas experiências em desacordo uma com a outra," explicou Riess. "Estamos a medir algo fundamentalmente diferente. Uma é a medição de quão rápido o Universo está atualmente a expandir-se. A outra é uma previsão baseada na física do Universo primitivo e em medições de quão rápido devia estar a crescer. Se estes valores não estiverem de acordo, haverá uma forte possibilidade de que estamos a falhar alguma coisa no modelo cosmológico que liga as duas eras."

Como foi feito o novo estudo

Os astrónomos há mais de um século que usam as variáveis Cefeidas como parâmetros cósmicos para medir distâncias intergalácticas. Mas tentar recolher um grande número destas estrelas consumiria tanto tempo que a meta seria quase inatingível. De modo que a equipa empregou um novo método inteligente, chamado DASH (Drift And Shift), usando o Hubble como uma câmara "point-and-shoot" para capturar imagens rápidas das estrelas pulsantes extremamente brilhantes, o que elimina a necessidade laboriosa de apontar com precisão.

"Quando o Hubble aponta com precisão, usando estrelas-guias, só pode observar uma Cefeida por cada órbita de 90 minutos em torno da Terra. Seria demasiado caro para o telescópio observar cada Cefeida," explicou o membro da equipa Stefano Casertano, também do STScI e de Johns Hopkins. "Ao invés, procurámos grupos de Cefeidas perto o suficiente uns dos outros para que pudéssemos movimentar o telescópio entre eles sem recalibrar a orientação do telescópio. Estas Cefeidas são tão brilhantes que só precisamos de observá-las durante dois segundos. Esta técnica permite-nos observar uma dúzia de Cefeidas durante os 90 minutos de duração da órbita do Hubble. Ficamos no controlo do giroscópio e movimentamo-nos rapidamente."

Os astrónomos do Hubble combinaram então o seu resultado com outro conjunto de observações, feitas pelo Projeto Araucaria, uma colaboração entre astrónomos de institutos do Chile, EUA e Europa. Este grupo fez medições de distância para a Grande Nuvem de Magalhães, observando a queda de luz à medida que uma estrela passa em frente da sua parceira, em sistemas binários eclipsantes.

As medições combinadas ajudaram a Equipa SH0ES a refinar o verdadeiro brilho das Cefeidas. Com este resultado mais preciso, a equipa pôde "apertar os parafusos" do resto da escada de distâncias que se estende mais longe no espaço.

A nova estimativa da constante de Hubble é de 74 quilómetros por segundo por megaparsec. Isto significa que por cada 3,3 milhões de anos-luz que uma galáxia está mais longe de nós, parece mover-se 74 quilómetros por segundo mais depressa, como resultado da expansão do Universo. O número indica que o Universo está a expandir-se 9% mais depressa do que a previsão de 67 km/s/Mpc, que vem das observações do Universo primordial pelo Planck, juntamente com a nossa compreensão atual do Universo.

O que pode então explicar esta discrepância?

Uma explicação para o desacordo envolve uma aparência inesperada da energia escura no Universo jovem, que se pensa agora compreender 70% do conteúdo do Universo. Proposto por astrónomos de Johns Hopkins, a teoria é apelidada de "energia escura primitiva" e sugere que o Universo evoluiu como uma peça de três atos.

Os astrónomos já levantaram a hipótese de que a energia escura existia durante os primeiros segundos após o Big Bang e que empurrou a matéria normal pelo espaço, dando início à expansão inicial. A energia escura também pode ser a razão para a expansão acelerada do Universo atual. A nova teoria sugere que houve um terceiro episódio de energia escura não muito depois do Big Bang, que expandiu o Universo mais rapidamente do que os astrónomos previram. A existência desta "energia escura primitiva" pode explicar a tensão entre os dois valores da constante de Hubble, explicou Riess.

Outra ideia é que o Universo contém uma nova partícula subatómica que viaja perto da velocidade da luz. Tais partículas velozes são coletivamente chamadas "radiação escura" e incluem partículas previamente conhecidas como neutrinos, que são criadas em reações nucleares e decaimentos radioativos.

Ainda outra possibilidade atraente é que a matéria escura (uma forma invisível de matéria não composta por protões, neutrões e eletrões) interage mais fortemente com a matéria normal ou radiação do que se supunha anteriormente.

Mas a explicação verdadeira ainda é um mistério.

Riess não tem uma resposta para este problema, mas a sua equipa vai continuar a usar o Hubble para reduzir as incertezas na constante de Hubble. O seu objetivo é diminuir a incerteza até 1%, o que deverá ajudar os astrónomos a identificar a causa da discrepância.

Os resultados da equipa foram aceites para publicação na revista The Astrophysical Journal.

 


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Esta é uma imagem telescópica, obtida no solo, da Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da nossa Via Láctea. A inserção, obtida pelo Telescópio Espacial Hubble, revela um dos muitos enxames espalhados pela galáxia anã. Os membros do enxame incluem uma classe especial de estrela pulsante chamada variável Cefeida, que aumenta e diminui de brilho a um ritmo previsível que corresponde ao seu brilho intrínseco. Assim que os astrónomos determinam esse valor, podem medir a luz dessas estrelas para calcular uma distância precisa da galáxia. Quando novas observações do Hubble são correlacionadas com uma técnica independente de medição para a Grande Nuvem de Magalhães (usando simples trigonometria), os investigadores foram capazes de fortalecer a fundação da chamada "escada de distâncias cósmicas". Este "ajuste fino" melhorou significativamente a precisão do ritmo no qual o Universo está a expandir-se, chamado constante de Hubble.
Crédito: NASA, ESA, A. Reiss (STScI/JHU) e Palomar Digitized Sky Survey


Esta ilustração mostra os três passos básicos que os astrónomos usam para calcular o ritmo de expansão do Universo ao longo do tempo, um valor chamado constante de Hubble. Todos os passos envolvem a construção de uma forte "escada de distâncias cósmicas", começando por medir com precisão distâncias a galáxias próximas e depois continuando para galáxias cada vez mais longínquas. Esta "escada" é uma série de medições de diferentes tipos de objetos astronómicos com um brilho intrínseco que os investigadores podem usar para calcular distâncias. Entre os mais fiáveis, para distâncias mais curtas, estão as variáveis Cefeidas, estrelas que pulsam a ritmos previsíveis que indicam o seu brilho intrínseco. Os astrónomos recentemente usaram o Telescópio Espacial Hubble para observar 70 variáveis Cefeidas na vizinha Grande Nuvem de Magalhães a fim de fazer a medição mais precisa da distância a essa galáxia. Os astrónomos comparam as medições de Cefeidas próximas com aquelas em galáxias mais distantes, o que também inclui outra "régua cósmica", estrelas explosivas chamadas supernovas do Tipo Ia. Estas supernovas são muito mais brilhantes do que as variáveis Cefeidas. Os astrónomos usam-nas como "marcadores" para determinar a distância da Terra a essas galáxias longínquas. Cada um destes marcadores baseia-se no "degrau" anterior da "escada". Ao estender a escada usando tipos diferentes de marcadores confiáveis, os astrónomos podem alcançar distâncias muito grandes no Universo. Os astrónomos comparam estes valores de distância com medições da luz de uma galáxia inteira, que fica cada vez mais vermelha com a distância, devido à expansão uniforme do espaço. Os astrónomos podem então calcular quão rápido o cosmos está a expandir-se: a constante de Hubble.
Crédito: NASA, ESA e A. Feild (STScI)


// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA (comunicado de imprensa)
// Hubblesite (comunicado de imprensa)
// Universidade Johns Hopkins (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

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A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
Universo (Wikipedia)
Idade do Universo (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Big Bang (Wikipedia)

Matéria escura:
Wikipedia

Energia escura:
Wikipedia

Radiação escura:
Wikipedia

"Escada" cósmica de distâncias:
Wikipedia

Cefeidas:
Wikipedia
SEDS

Supernova do Tipo Ia:
Wikipedia

Telescópio Espacial Hubble:
Hubble, NASA 
ESA
STScI
SpaceTelescope.org
Base de dados do Arquivo Mikulski para Telescópios Espaciais

Observatório Planck:
ESA (ciência e tecnologia)
ESA (centro científico)
ESA (página de operações)
NASA
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