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Webb e Hubble confirmam o ritmo de expansão do Universo
12 de março de 2024
 

Esta imagem de NGC 5468, uma galáxia situada a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, combina dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb. Esta é a galáxia mais distante em que o Hubble identificou estrelas variáveis Cefeidas. Estas são importantes pontos de referência para medir o ritmo de expansão do Universo. A distância calculada a partir das Cefeidas foi correlacionada com uma supernova do Tipo Ia na mesma galáxia. As supernovas do Tipo Ia são tão brilhantes que são utilizadas para medir distâncias cósmicas muito para além do alcance das Cefeidas, alargando as medições do ritmo de expansão do Universo para espaço ainda mais profundo.
Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)
 
     
 
 
 

O ritmo a que o Universo se está a expandir, de nome constante de Hubble, é um dos parâmetros fundamentais para compreender a evolução e o destino final do cosmos. No entanto, observa-se uma diferença persistente, designada por Tensão de Hubble, entre o valor da constante medido com uma vasta gama de indicadores de distância independentes e o seu valor previsto a partir do brilho remanescente do Big Bang. O Telescópio Espacial James Webb, da NASA/ESA/CSA, confirmou que o olhar perspicaz do Telescópio Espacial Hubble estava certo desde o início, eliminando qualquer dúvida remanescente sobre as medições do Hubble.

Uma das justificações científicas para a construção do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi a utilização do seu poder de observação para fornecer um valor exato para o ritmo de expansão do Universo. Antes do lançamento do Hubble, em 1990, as observações efetuadas por telescópios terrestres apresentavam incertezas enormes. Dependendo dos valores deduzidos para o ritmo de expansão, o Universo poderia ter entre 10 e 20 mil milhões de anos. Nos últimos 34 anos, o Hubble reduziu esta medição para uma precisão inferior a um por cento, uma idade de 13,8 mil milhões de anos. Isto foi conseguido através do refinamento da chamada "escada de distâncias cósmicas", medindo importantes pontos de referência conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas.

No entanto, o valor do Hubble não está de acordo com outras medições que mostram que o Universo estava a expandir-se mais rapidamente após o Big Bang. Estas observações foram feitas pelo satélite Planck da ESA, que mapeou a radiação cósmica de fundo em micro-ondas - um plano de como o Universo evoluiria em termos de estrutura depois do arrefecimento pós-Big Bang.

A solução simples para o dilema seria dizer que talvez as observações do Hubble estivessem erradas, como resultado de alguma imprecisão que se infiltrou nas suas medições das "réguas" do espaço profundo. Foi então que surgiu o Telescópio Espacial James Webb, permitindo aos astrónomos verificar os resultados do Hubble. As imagens infravermelhas das Cefeidas, pelo Webb, concordaram com os dados óticos do Hubble. O Webb confirmou que o olhar perspicaz do telescópio Hubble estava certo desde o início, eliminando qualquer dúvida remanescente sobre as medições do Hubble.

O resultado final é que a chamada Tensão de Hubble, entre o que acontece no Universo próximo e a expansão do Universo primitivo, continua a ser um enigma para os cosmólogos. Poderá haver algo entrelaçado no tecido do espaço que ainda não compreendemos.

Será que para resolver esta discrepância é necessária uma nova física? Ou será o resultado de erros de medição entre os dois diferentes métodos utilizados para determinar o ritmo de expansão do espaço?

 
No centro destas imagens lado a lado está uma classe especial de estrela utilizada como marco para medir o ritmo de expansão do Universo - uma estrela variável Cefeida. As duas imagens são muito pixelizadas porque são vistas muito ampliadas de uma galáxia distante. Cada um dos pixéis representa uma ou mais estrelas. A imagem do Telescópio Espacial James Webb é significativamente mais nítida nos comprimentos de onda do infravermelho próximo do que a do Hubble (que é principalmente um telescópio de luz visível-ultravioleta). Ao reduzir a confusão com a visão mais nítida do Webb, a Cefeida destaca-se mais claramente, eliminando qualquer potencial confusão. O Webb foi utilizado para observar uma amostra de Cefeidas e confirmou a exatidão das observações anteriores do Hubble, que são fundamentais para medir com precisão o ritmo de expansão e a idade do Universo.
Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)
 

O Hubble e o Webb juntaram-se agora para produzir medições definitivas, reforçando a ideia de que algo mais - e não erros de medição - está a influenciar o ritmo de expansão.

"Com os erros de medição eliminados, o que resta é a possibilidade real e excitante de termos compreendido mal o Universo", disse Adam Riess, físico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, EUA. Riess foi galardoado com o Prémio Nobel por ter codescoberto a aceleração da expansão do Universo, devido a um fenómeno misterioso agora designado por "energia escura".

Como verificação cruzada, uma primeira observação do Webb em 2023 confirmou que as medições do Hubble acerca da expansão do Universo eram exatas. No entanto, na esperança de aliviar a Tensão de Hubble, alguns cientistas especularam que erros invisíveis nas medições podem aumentar e tornar-se visíveis à medida que olhamos mais profundamente para o Universo. Em particular, a aglomeração estelar poderia afetar de forma sistemática as medições do brilho de estrelas mais distantes.

A equipa do levantamento SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), liderada por Riess, obteve observações adicionais com o Webb de objetos que são marcos cósmicos críticos, conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas, que podem agora ser correlacionados com os dados do Hubble.

"Agora, abrangemos toda a gama do que o Hubble observou e podemos excluir um erro de medição como causa da Tensão de Hubble com uma confiança muito elevada", disse Riess.

As primeiras observações da equipa do Webb em 2023 foram bem-sucedidas ao mostrar que o Hubble estava no caminho certo ao estabelecer firmemente a fidelidade dos primeiros degraus da chamada escada de distâncias cósmicas.

Os astrónomos utilizam vários métodos para medir as distâncias relativas no Universo, dependendo do objeto que está a ser observado. Coletivamente, estas técnicas são conhecidas como a escada de distâncias cósmicas - cada degrau ou técnica de medição depende do degrau anterior para ser calibrado.

Mas alguns astrónomos sugeriram que, avançando ao longo do "segundo degrau", a escada de distâncias cósmicas poderia ficar instável se as medições das Cefeidas se tornassem menos precisas com a distância. Tais imprecisões podem ocorrer porque a luz de uma Cefeida se pode misturar com a de uma estrela adjacente - um efeito que se pode tornar mais pronunciado com a distância, à medida que as estrelas se aglomeram no céu e se tornam mais difíceis de distinguir umas das outras.

O desafio observacional é o facto das imagens anteriores do Hubble, destas variáveis Cefeidas mais distantes, parecerem mais amontoadas e sobrepostas com estrelas vizinhas a distâncias cada vez maiores entre nós e as suas galáxias hospedeiras, exigindo uma contabilização cuidadosa deste efeito. A existência de poeira interveniente complica ainda mais a certeza das medições no visível. O Webb atravessa a poeira e isola naturalmente as Cefeidas das estrelas vizinhas porque a sua visão é mais nítida do que a do Hubble nos comprimentos de onda infravermelhos.

"A combinação do Webb com o Hubble dá-nos o melhor dos dois mundos. Verificamos que as medições do Hubble permanecem fiáveis à medida que avançamos na escada de distâncias cósmicas", disse Riess.

As novas observações do Webb incluem cinco galáxias hospedeiras de oito supernovas do Tipo Ia, contendo um total de 1000 Cefeidas, e vão até à galáxia mais distante onde as Cefeidas foram bem medidas - NGC 5468, a uma distância de 130 milhões de anos-luz. "Isto abrange toda a gama de galáxias onde efetuámos medições com o Hubble. Portanto, chegámos ao fim do segundo degrau da escada de distâncias cósmicas", disse o coautor Gagandeep Anand do STScI (Space Telescope Science Institute) em Baltimore, que opera os telescópios Webb e Hubble para a NASA.

Em conjunto, a confirmação da Tensão de Hubble pelo Hubble e pelo Webb permite que outros observatórios resolvam o mistério, incluindo o futuro Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA e a missão Euclid recentemente lançada pela ESA.

Atualmente, é como se a escada de distâncias observada pelo Hubble e pelo Webb tivesse fixado firmemente um ponto de ancoragem numa das margens de um rio, e o brilho remanescente do Big Bang observado pelo Planck no início do Universo estivesse fixado firmemente na outra margem. A forma como a expansão do Universo se alterou nos milhares de milhões de anos entre estes dois pontos ainda não foi diretamente observada. "Precisamos de descobrir se nos está a escapar alguma coisa sobre como ligar o início do Universo aos dias de hoje", disse Riess.

Estas descobertas foram publicadas na edição de 6 de fevereiro de 2024 da revista The Astrophysical Journal Letters.

// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// 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)

Cefeidas:
Wikipedia
SEDS

Supernova do Tipo Ia:
Wikipedia

NGC 5468:
Wikipedia

Energia escura:
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