Novas observações do Telescópio Espacial James Webb sugerem que uma nova característica do Universo - e não uma falha nas medições telescópicas - pode estar por detrás do mistério de uma década sobre a razão pela qual o Universo se está a expandir mais rapidamente hoje do que na sua infância, há milhares de milhões de anos.

Os novos dados confirmam as medições, pelo Telescópio Espacial Hubble, das distâncias entre estrelas e galáxias próximas, oferecendo um controlo cruzado crucial para resolver o desfasamento nas medições da misteriosa expansão do Universo. Conhecida como a tensão de Hubble, a discrepância permanece inexplicada mesmo pelos melhores modelos cosmológicos.

"A discrepância entre o ritmo observado de expansão do Universo e as previsões do modelo padrão sugere que a nossa compreensão do Universo pode estar incompleta", afirmou o laureado com o Prémio Nobel e principal autor do estudo, Adam Riess, professor de Física e Astronomia na Universidade Johns Hopkins. "Com dois telescópios emblemáticos da NASA a confirmarem agora as descobertas um do outro, temos de levar este problema [da tensão do Hubble] muito a sério - é um desafio, mas também uma oportunidade incrível para aprender mais sobre o nosso Universo".

Publicada na revista The Astrophysical Journal, a investigação baseia-se na descoberta de Riess de que a expansão do Universo está a acelerar devido a uma misteriosa "energia escura" que permeia vastas extensões de espaço entre estrelas e galáxias.

Uma representação da evolução do Universo ao longo de 13,77 mil milhões de anos. À esquerda temos o momento mais antigo que podemos agora estudar, quando um período de "inflação" produziu uma explosão exponencial de crescimento no Universo (o tamanho é ilustrado na extensão vertical da grelha). Durante os vários milhares de milhões de anos seguintes, a expansão do Universo abrandou gradualmente à medida que a matéria do Universo se puxava sobre si própria através da gravidade. Mais recentemente, a expansão começou a acelerar de novo à medida que os efeitos repulsivos da energia escura passaram a dominar a expansão do Universo. Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

A equipa de Riess utilizou a maior amostra de dados do Webb recolhidos durante os seus primeiros dois anos no espaço para verificar a medição do telescópio Hubble do ritmo de expansão do Universo, um valor conhecido como a constante de Hubble. Utilizaram três métodos diferentes para medir distâncias a galáxias que albergavam supernovas, concentrando-se em distâncias previamente medidas pelo telescópio Hubble e conhecidas por produzirem as medições "locais" mais precisas deste valor. As observações de ambos os telescópios alinharam-se estreitamente, revelando que as medições do Hubble são exatas e excluindo uma imprecisão suficientemente grande para atribuir a tensão a um erro do Telescópio Hubble.

Ainda assim, a constante de Hubble continua a ser um quebra-cabeças porque as medições baseadas em observações telescópicas do Universo atual produzem valores mais elevados em comparação com as projeções feitas usando o "modelo padrão da cosmologia", um quadro amplamente aceite de como o Universo funciona, calibrado com dados do fundo cósmico de micro-ondas, a ténue radiação remanescente do Big Bang.

Ao passo que o modelo padrão produz uma constante de Hubble de cerca de 67-68 quilómetros por segundo por megaparsec, as medições baseadas em observações telescópicas dão regularmente um valor mais elevado de 70 a 76, com uma média de 73 km/s/Mpc. Este desfasamento deixa os cosmólogos perplexos há mais de uma década, porque uma diferença de 5-6 km/s/Mpc é demasiado grande para ser explicada simplesmente por falhas na medição ou nas técnicas de observação (Megaparsecs são distâncias enormes. Um megaparsec corresponde a 3,26 milhões de anos-luz, e um ano-luz é a distância que a luz percorre num ano: 9,4 biliões de quilómetros).

A equipa de Riess refere que uma vez que os novos dados do Webb excluem a existência de vieses significativos nas medições do Hubble, a tensão de Hubble pode resultar de factores desconhecidos ou de lacunas na compreensão da física por parte dos cosmólogos, lacunas estas ainda por descobrir.

"Os dados do Webb são como se estivéssemos a olhar, pela primeira vez, para o Universo em alta definição e melhoram realmente a relação sinal-ruído das medições", disse Siyang Li, um estudante da Universidade Johns Hopkins e que também trabalhou neste estudo.

A nova investigação cobriu cerca de um-terço da amostra completa de galáxias do Hubble, usando como ponto de referência a distância conhecida a uma galáxia chamada NGC 4258. Apesar do conjunto de dados ser mais pequeno, a equipa atingiu uma precisão impressionante, mostrando diferenças entre as medições inferiores a 2% - muito inferiores aos cerca de 8-9% da discrepância da tensão do Hubble.

Para além da sua análise de estrelas pulsantes chamadas variáveis Cefeidas, o "padrão de ouro" para medir distâncias cósmicas, a equipa cruzou medições baseadas em estrelas ricas em carbono e nas gigantes vermelhas mais brilhantes das mesmas galáxias. Todas as galáxias observadas pelo Webb, juntamente com as suas supernovas, produziram uma constante de Hubble de 72,6 km/s/Mpc, quase idêntico ao valor de 72,8 km/s/Mpc encontrado pelo Hubble para as mesmas galáxias.

O estudo incluiu amostras de dados do Webb de dois grupos que trabalham independentemente para aperfeiçoar a constante de Hubble, um da equipa SH0ES de Riess (Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy) e outro do Programa Hubble de Carnegie-Chicago, bem como de outras equipas. As medições combinadas permitem a determinação mais precisa, até à data, da exatidão das distâncias medidas com as estrelas Cefeidas do Telescópio Hubble, que são fundamentais para a determinação da constante de Hubble.

Três vistas de NGC 4258, também conhecida como Messier 106, que está a cerca de 23 milhões de anos-luz de distância na direção da constelação de Cães de Caça. As duas primeiras imagens mostram-na no visível, tal como vista pelo Observatório Nacional de Kitt Peak e pelo Telescópio Espacial Hubble. A imagem da direita é do Telescópio Espacial James Webb no infravermelho. Crédito: ESA/Webb, NASA e CSA, J. Glenn, KPNO/NOIRLab/NSF/AURA, equipa do Legado Hubble (STScI/AURA), R. Gendler, M.T. Patterso, T.A. Rector, D. de Martin e M. Zamani

Embora a constante de Hubble não tenha um efeito prático no Sistema Solar, na Terra ou na nossa vida quotidiana, revela a evolução do Universo a escalas extremamente grandes, com vastas áreas do próprio espaço a esticarem-se e a empurrarem galáxias distantes umas das outras, como passas numa massa a levedar. É um valor chave que os cientistas utilizam para mapear a estrutura do Universo, aprofundar a sua compreensão do seu estado 13-14 mil milhões de anos após o Big Bang e para calcular outros aspetos fundamentais do cosmos.

A resolução da tensão de Hubble pode revelar novos conhecimentos sobre outras discrepâncias do modelo cosmológico padrão que surgiram nos últimos anos, disse Marc Kamionkowski, cosmólogo de Johns Hopkins que ajudou a calcular a constante de Hubble e que recentemente ajudou a desenvolver uma possível nova explicação para a tensão.

O modelo padrão explica a evolução das galáxias, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas do Big Bang, as abundâncias dos elementos químicos no Universo e muitas outras observações importantes baseadas nas leis conhecidas da física. No entanto, não explica completamente a natureza da matéria escura e da energia escura, componentes misteriosas do Universo que se estima serem responsáveis por 96% da sua constituição e pela expansão acelerada.

"Uma explicação possível para a tensão de Hubble seria se houvesse algo em falta na nossa compreensão do Universo primitivo, como uma nova componente da matéria - a energia escura primitiva - que desse ao Universo um impulso inesperado após o Big Bang", disse Kamionkowski, que não esteve envolvido no novo estudo. "E há outras ideias, como propriedades engraçadas da matéria escura, partículas exóticas, a alteração da massa dos eletrões ou campos magnéticos primordiais, que podem realizar o truque. Os teóricos têm licença para serem bastante criativos".

// Universidade Johns Hopkins (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

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)

Supernovas:
Wikipedia 
Tipo Ia (Wikipedia)

Cefeidas:
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SEDS

Estrelas de carbono:
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Matéria escura:
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Energia escura:
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