LENTES GRAVITACIONAIS PODEM SER A CHAVE PARA MELHORES ESTIMATIVAS DA EXPANSÃO DO UNIVERSO 20 de novembro de 2020
Se tudo alinhar corretamente, a atração gravitacional de uma galáxia pode curvar a luz de um quasar distante em quatro imagens separadas. E se a luz que forma essas imagens tiver chegado até nós por percursos de comprimentos ligeiramente diferentes, os investigadores podem medir os atrasos de tempo entre os percursos e inferir distâncias até à galáxia e ao quasar distante.
Crédito: Martin Millon/Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne; Imagem do quasar e galáxia: Telescópio Espacial Hubble/NASA
O Universo está a expandir-se, mas os astrofísicos não têm a certeza de quão rápida essa expansão está a acontecer - não porque não existem respostas, mas porque as respostas que podem dar não concordam.
Agora, Simon Birrer, pós-doutorado da Universidade de Stanford e do Instituto Kavli para Física de Partículas e Astrofísica do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC pertencente ao Departamento de Energia dos EUA, e uma equipa internacional de investigadores têm uma nova resposta que pode, uma vez aprimorada com mais dados, ajudar a resolver o debate.
Esta nova resposta é o resultado de revisitar um método com décadas chamado cosmografia de atraso de tempo com novas suposições e dados adicionais para derivar uma nova estimativa da constante de Hubble, uma medida da expansão do Universo. Birrer e colegas publicaram os seus resultados na edição de 20 de novembro da revista Astronomy & Astrophysics.
"É uma continuação de um grande e bem-sucedido esforço de uma década de uma enorme equipa, com uma redefinição em certos aspetos-chave da nossa análise," disse Birrer, e o relembrar de que "devemos sempre reconsiderar as nossas suposições. O nosso trabalho recente segue exatamente este espírito."
Distância, velocidade e som
Os cosmólogos sabem há quase um século que o cosmos está a expandir-se e, durante esse tempo, estabeleceram duas formas principais de medir essa expansão. Um método é a escada de distâncias cósmicas, uma série de etapas que ajudam a estimar a distância até supernovas distantes. Ao examinar o espectro de luz destas supernovas, os cientistas podem calcular a rapidez com que se estão a afastar de nós e, em seguida, dividir pela distância para estimar a constante de Hubble. (A constante de Hubble é geralmente medida em quilómetros por segundo por megaparsec, refletindo o facto de que o próprio espaço está a crescer, de modo que objetos mais distantes se afastam de nós mais depressa do que objetos mais próximos.)
Os astrofísicos também podem estimar a constante a partir de ondulações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB ("cosmic microwave background radiation"). Estas ondulações resultam de ondas sonoras que viajam pelo plasma no início do Universo. Ao medir o tamanho das ondulações, podem inferir há quanto tempo e a que distância esta CMB que vemos hoje foi criada. Baseando-se numa teoria cosmológica bem estabelecida, os investigadores podem estimar a velocidade de expansão do Universo.
No entanto, ambas as abordagens têm desvantagens. Os métodos de ondas sonoras dependem muito de como o som viajou no início do Universo, o que depende por sua vez da mistura particular de tipos de matéria na altura, de quanto tempo as ondas sonoras viajaram antes de deixar a sua marca na CMB e em suposições sobre a expansão do Universo desde aquela época. Entretanto, os métodos de escada de distâncias cósmicas encadeiam uma série de estimativas, começando com estimativas de radar da distância ao Sol e estimativas de paralaxe da distância até estrelas pulsantes chamadas cefeidas. Isto introduz uma cadeia de calibrações e medições, cada uma das quais necessita de ser precisa e sensível o suficiente para garantir uma estimativa confiável da constante de Hubble.
Uma lente do passado
Mas existe uma maneira de medir distâncias mais diretamente, com base no que chamamos de lentes gravitacionais fortes. A gravidade curva o próprio espaço-tempo e, com ele, o percurso que a luz faz através do cosmos. Um caso especial é quando um objeto muito massivo, como uma galáxia, curva a luz de um objeto muito distante de forma que a luz nos alcance por vários percursos diferentes, criando efetivamente várias imagens do mesmo objeto de fundo. Um exemplo particularmente bonito é quando o objeto distante varia ao longo do tempo - por exemplo, como ocorre com buracos negros supermassivos que acretam matéria, conhecidos como quasares. Dado que a luz viaja por períodos de tempo ligeiramente diferentes ao longo de cada percurso em torno da galáxia que atua como lente, o resultado são várias imagens ligeiramente fora de sincronia da mesma tremulação.
Este fenómeno é mais do que apenas bonito. Na década de 1960, os estudantes da teoria da gravidade de Einstein, relatividade geral, mostraram que podiam usar lentes gravitacionais fortes e a luz que curvam para medir mais diretamente as distâncias cósmicas - se pudessem medir o tempo relativo ao longo de cada caminho com precisão suficiente e se soubessem como a matéria na galáxia "lente" era distribuída.
Ao longo da última década, disse Birrer, as medições tornaram-se precisas o suficiente para levar este método, cosmografia de atraso de tempo, da ideia à realidade. Medições sucessivas e um esforço dedicado pelas equipas H0LiCOW, COSMOGRAIL, STRIDES e SHARP, agora sob a alçada conjunta da organização TDCOSMOS, culminaram numa medição da constante de Hubble que ronda os 73 km/s/MPc com uma precisão de 2%. Isto está de acordo com as estimativas feitas com o método local de escada de distâncias cósmicas, mas em tensão com as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas sob as suposições do modelo cosmológico padrão.
Suposições de distribuição de massa galáctica
Mas Birrer não se sentia confortável com algo: os modelos da estrutura galáctica, nos quais os estudos anteriores se basearam, podem não ter sido precisos o suficiente para concluir que a constante de Hubble era diferente das estimativas baseadas na radiação cósmica de fundo. "Dirigi-me aos meus colegas e disse: 'Quero realizar um estudo que não se baseie nessas premissas,'" disse Birrer.
Em seu lugar, Birrer propôs investigar uma gama de lentes gravitacionais adicionais para fazer uma estimativa mais baseada na observação da massa e estrutura das galáxias "lente" para substituir as suposições anteriores. O novo percurso que Birrer e a equipa TDCOSMO estavam a tomar foi deliberadamente mantido cego - ou seja, toda a análise foi levada a cabo sem saber o resultado da constante de Hubble - para evitar vieses, um procedimento já estabelecido nas análises anteriores da equipa e parte integrante no caminho a seguir, explicou Birrer.
Com base nesta nova análise, com significativamente menos suposições aplicadas às sete galáxias "lente" com atraso de tempo que a equipa analisou em estudos anteriores, os cientistas chegaram a um valor mais alto da constante de Hubble, cerca de 74 km/s/MPc, mas com uma maior incerteza - o suficiente para que o seu valor fosse consistente com as estimativas altas e baixas da constante de Hubble.
No entanto, quando Birrer e a TDCOSMO adicionaram 33 lentes adicionais com propriedades semelhantes - mas sem uma fonte variável para trabalhar diretamente a cosmografia de atraso de tempo - usadas para estimar a estrutura galáctica, a estimativa da constante de Hubble caiu para cerca de 67 quilómetros por segundo por megaparsec, com 5% de incerteza, em boa concordância com as estimativas das ondas sonoras como as da CMB, mas também estatisticamente consistente com as determinações anteriores, dadas as incertezas.
Esta mudança substancial não significa que o debate sobre o valor da constante de Hubble acabou - longe disso, exclama Birrer. Por um lado, o seu método introduz uma nova incerteza na estimativa associada às 33 lentes adicionadas na análise, e a TDCOSMO precisará de mais dados para confirmar os seus resultados, embora estes dados possam não demorar muito a chegar. Birrer: "Embora a nossa nova análise não invalide estatisticamente as suposições do perfil de massa do nosso trabalho anterior, demonstra a importância de se compreender a distribuição da massa dentro das galáxias," realçou.
"Estamos a recolher agora os dados que nos permitirão recuperar a maior parte da precisão que alcançámos anteriormente com base em suposições mais sólidas. Olhando mais adiante, também teremos imagens de bastantes mais galáxias "lente" com o LSST (Legacy Survey of Space and Time) do Observatório Vera Rubin para melhorar as nossas estimativas. A nossa análise atual é apenas a primeira etapa e abre o caminho para a utilização destes próximos conjuntos de dados para fornecer uma conclusão definitiva sobre o problema remanescente."
(Topo) A atração gravitacional de uma galáxia massiva (objeto central) curva a luz de um quasar distante em quatro percursos, resultando em quatro imagens do mesmo quasar (A-D). Como cada percurso tem um comprimento ligeiramente diferente, a luz demora períodos diferentes de tempo para chegar até nós, de modo que as imagens parecem piscar levemente fora de sincronia umas com as outras.
(Baixo) Um gráfico da magnitude, ou brilho, das quatro imagens do quasar ao longo tempo.
Crédito: M. Millon e F. Courbin/Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne
