Uma nova possível explicação para a tensão de Hubble

8 de dezembro de 2023

A imagem mostra a distribuição da matéria no espaço - (azul; os pontos amarelos representam galáxias individuais). A Via Láctea (verde) encontra-se numa zona com pouca matéria. As galáxias na bolha movem-se na direção das densidades de matéria mais elevadas (setas vermelhas). Assim, o Universo parece estar a expandir-se mais rapidamente no interior da bolha.
Crédito: AG Kroupa/Universidade de Bona

O Universo está a expandir-se. A velocidade a que se expande é descrita pela chamada constante de Hubble-Lemaitre. Mas há uma controvérsia acerca do valor preciso desta constante: diferentes métodos de medição fornecem valores contraditórios. A chamada "tensão de Hubble" constitui um quebra-cabeças para os cosmólogos. Os investigadores das Universidades de Bona e de St. Andrews propõem agora uma nova solução: utilizando uma teoria alternativa da gravidade, a discrepância entre os valores medidos pode ser facilmente explicada - a tensão de Hubble desaparece. O estudo foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A expansão do Universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. A velocidade a que o fazem é proporcional à distância que as separa. Por exemplo, se a galáxia A estiver duas vezes mais longe da Terra do que a galáxia B, a sua distância de nós também aumenta duas vezes mais depressa. O astrónomo americano Edwin Hubble foi um dos primeiros a reconhecer esta relação.

Para calcular a velocidade a que duas galáxias se afastam uma da outra, é necessário saber a distância que as separa. No entanto, isto também requer uma constante pela qual esta distância deve ser multiplicada. Esta é a chamada constante de Hubble-Lemaitre, um parâmetro fundamental em cosmologia. O seu valor pode ser determinado, por exemplo, observando as regiões muito distantes do Universo. Isto dá uma velocidade de quase 244.000 quilómetros por hora por megaparsec de distância (um megaparsec corresponde a pouco mais de três milhões de anos-luz).

244.000 quilómetros por hora por megaparsec - ou 264.000?

"Mas também podemos olhar para corpos celestes que estão muito mais perto de nós - as chamadas supernovas do Tipo Ia, que são uma determinada categoria de explosão estelar", explica o prof. Dr. Pavel Kroupa do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bona. É possível determinar com grande exatidão a distância de uma supernova do Tipo Ia à Terra. Também sabemos que os objetos brilhantes mudam de cor quando se afastam de nós - e quanto mais depressa se afastam, mais forte é a mudança. Isto é semelhante a uma ambulância, cuja sirene soa mais grave à medida que se afasta de nós.

Se calcularmos agora a velocidade das supernovas do Tipo Ia a partir da sua mudança de cor e a correlacionarmos com a sua distância, chegamos a um valor diferente para a constante de Hubble-Lemaitre - ou seja, um pouco menos de 264.000 quilómetros por hora por megaparsec de distância. "O Universo parece, portanto, estar a expandir-se mais rapidamente na nossa vizinhança - ou seja, até uma distância de cerca de três mil milhões de anos-luz - do que na sua totalidade", diz Kroupa. "E não deveria ser esse o caso."

No entanto, foi recentemente feita uma observação que pode explicar este facto. De acordo com esta observação, a Terra está localizada numa região do espaço onde existe relativamente pouca matéria - comparável a uma bolha de ar num bolo. A densidade da matéria é maior à volta da bolha. As forças gravitacionais emanam desta matéria circundante, que puxa as galáxias na bolha para as orlas da cavidade. "É por isso que se estão a afastar de nós mais depressa do que seria de esperar", explica o Dr. Indranil Banik, da Universidade de St. Andrews. Os desvios poderiam, portanto, ser simplesmente explicados por uma "subdensidade" local.

De facto, outro grupo de investigação mediu recentemente a velocidade média de um grande número de galáxias que se encontram a 600 milhões de anos-luz de nós. "Descobriu-se que estas galáxias se afastam de nós quatro vezes mais depressa do que o modelo padrão da cosmologia permite", explica Sergij Mazurenko, do grupo de investigação de Kroupa, que participou no estudo atual.

"Bolha" na "massa" do Universo

Isto deve-se ao facto de o modelo padrão não prever essas subdensidades ou "bolhas" - elas não deveriam realmente existir. Em vez disso, a matéria deveria estar distribuída uniformemente no espaço. Se fosse esse o caso, seria difícil explicar quais as forças que impulsionam as galáxias para a sua alta velocidade.

"O modelo padrão baseia-se numa teoria sobre a natureza da gravidade apresentada por Albert Einstein", diz Kroupa. "No entanto, as forças gravitacionais podem comportar-se de forma diferente do que Einstein esperava". Os grupos de trabalho das Universidades de Bona e de St. Andrews utilizaram uma teoria da gravidade modificada numa simulação em computador. Esta "dinâmica newtoniana modificada" (abreviatura inglesa MOND, "Modified Newtonian dynamics") foi proposta há quatro décadas pelo físico israelita prof. Dr. Mordehai Milgrom. Atualmente, ainda é considerada uma teoria "forasteira". "Contudo, nos nossos cálculos, a teoria MOND prevê com exatidão a existência de tais bolhas", diz Kroupa.

Se se assumisse que a gravidade se comporta de facto de acordo com os pressupostos de Milgrom, a tensão de Hubble desapareceria: de facto, haveria apenas uma constante para a expansão do Universo e os desvios observados dever-se-iam a irregularidades na distribuição da matéria.

// Universidade de Bona (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico (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)

MOND (Modified Newtonian dynamics):
Wikipedia

Supernovas:
Wikipedia
Tipo Ia (Wikipedia)