A colisão de estrelas de neutrões como uma nova forma de medir a expansão do Universo

6 de outubro de 2023

As galáxias estão relativamente paradas no espaço, mas o próprio espaço está a expandir-se. Isto faz com que as galáxias se afastem umas das outras a uma velocidade cada vez maior. No entanto, o valor exato é ainda misterioso.
Crédito: ESO/L. Calçada

Nos últimos anos, a astronomia tem-se visto numa espécie de crise: embora saibamos que o Universo está a expandir-se, e embora saibamos aproximadamente a que velocidade, as duas principais formas de medir essa expansão não estão de acordo. Agora, astrofísicos do Instituto Niels Bohr sugerem um novo método que pode ajudar a resolver esta tensão.

O Universo está em expansão

Sabemos isto desde que Edwin Hubble e outros astrónomos, há cerca de 100 anos, mediram as velocidades de um certo número de galáxias circundantes. As galáxias do Universo são "transportadas" para longe umas das outras por esta expansão e, por conseguinte, afastam-se umas das outras.

Quanto maior for a distância entre duas galáxias, mais rapidamente se afastam, e o ritmo exato deste movimento é uma das grandezas mais fundamentais da cosmologia moderna. O número que descreve a expansão tem o nome de "constante de Hubble", aparecendo numa multiplicidade de equações e modelos diferentes do Universo e dos seus constituintes.

A tensão de Hubble

Para compreender o Universo, temos, portanto, de conhecer a constante de Hubble com a maior exatidão possível. Existem vários métodos para a medir; métodos que são mutuamente independentes, mas que, felizmente, dão quase o mesmo resultado.

QUASE o mesmo resultado...

O método intuitivamente mais fácil de compreender é, em princípio, o mesmo que Edwin Hubble e os seus colegas utilizaram há um século: localizar um conjunto de galáxias e medir as suas distâncias e velocidades. Na prática, isto é feito através da procura de galáxias com estrelas em explosão, as chamadas supernovas. Este método é complementado por outro método que analisa irregularidades na chamada radiação cósmica de fundo, uma forma antiga de luz que remonta a pouco tempo depois do Big Bang.

Os dois métodos - o método das supernovas e o método da radiação de fundo - têm dado sempre resultados ligeiramente diferentes. Mas qualquer medição tem incertezas e, há alguns anos atrás, as incertezas eram suficientemente substanciais para que as pudéssemos culpar pela disparidade.

No entanto, à medida que as técnicas de medição foram melhorando, as incertezas diminuíram e chegámos agora a um ponto em que podemos afirmar com um elevado grau de confiança que ambos não podem estar corretos.

A raiz desta "tensão de Hubble" - quer se trate de efeitos desconhecidos que enviesam sistematicamente um dos resultados, quer se trate de um indício de uma nova física ainda por descobrir - é atualmente um dos temas mais quentes da astronomia.

A colisão de estrelas de neutrões pode ajudar a encontrar a resposta

Um dos maiores desafios consiste em determinar com exatidão as distâncias das galáxias. Mas num novo estudo, Albert Sneppen, que é estudante de doutoramento em astrofísica no Cosmic Dawn Center do Instituto Niels Bohr em Copenhaga, propõe um novo método para medir distâncias, ajudando assim a resolver a disputa em curso.

"Quando duas estrelas de neutrões ultracompactas - que são, elas próprias, remanescentes de supernovas - se orbitam uma em torno da outra e acabam por se fundir, dão azo a numa nova explosão, a chamada quilonova", explica Albert Sneppen. "Recentemente, demonstrámos que esta explosão é extraordinariamente simétrica e verificámos que esta simetria não só é bela, como também incrivelmente útil".

Ilustração dos dois métodos utilizados para medir a expansão do Universo: o hemisfério esquerdo mostra o remanescente em expansão da supernova descoberta por Tycho Brahe em 1572, aqui observada em raios X. À direita, um mapa da radiação cósmica de fundo de uma metade do céu, observada em micro-ondas.
Crédito: esquerda - NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.; direita - NASA/Equipa de Ciência da missão WMAP

Num outro estudo publicado há poucos dias, o prolífico estudante de doutoramento mostra que as quilonovas, apesar da sua complexidade, podem ser descritas por uma única temperatura. E verifica-se que a simetria e a simplicidade das quilonovas permitem aos astrónomos deduzir exatamente a quantidade de luz que emitem.

Comparando esta luminosidade com a quantidade de luz que chega à Terra, os investigadores podem calcular a distância a que a quilonova se encontra. Obtiveram assim um método novo e independente para calcular a distância a galáxias que contêm quilonovas.

Darach Watson é professor associado no Cosmic Dawn Center e coautor do estudo. Ele explica: "As supernovas, que até agora têm sido utilizadas para medir as distâncias das galáxias, nem sempre emitem a mesma quantidade de luz. Além disso, exigem que se calibre primeiro a distância utilizando outro tipo de estrelas, as chamadas Cefeidas, que, por sua vez, também têm de ser calibradas. Com as quilonovas podemos contornar estas complicações que introduzem incertezas nas medições".

Confirmação de um dos dois métodos

Para demonstrar o seu potencial, os astrofísicos aplicaram o método a uma quilonova descoberta em 2017. O resultado é uma constante de Hubble mais próxima da do método da radiação de fundo, mas os investigadores ainda não se atrevem a afirmar que o método da quilonova pode resolver a tensão de Hubble:

"Só temos este estudo de caso até agora e precisamos de muitos mais exemplos antes de podermos estabelecer um resultado robusto", adverte Albert Sneppen. "Mas o nosso método, pelo menos, contorna algumas fontes conhecidas de incerteza e é um sistema muito 'limpo' de estudo. Não requer calibração, nem fator de correção".

// Instituto Niels Bohr (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)

Quer saber mais?

Universo:
A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
Universo (Wikipedia)
Lei de Hubble (Wikipedia)
Determinando a constante de Hubble (Wikipedia)
Idade do Universo (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Big Bang (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)
Indicadores de distâncias cósmicas (Wikipedia)
"Escada" de distâncias cósmicas (Wikipedia)

Quilonova:
Wikipedia

Estrelas de neutrões:
Wikipedia
Universidade de Maryland