Usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, astrónomos descobriram que o Universo está a expandir-se entre 5-9% mais rápido do que o esperado.
"Esta descoberta surpreendente pode ser uma pista importante para entender as partes misteriosas do Universo que compõem 95% de tudo o que não emite luz, como a energia escura, a matéria escura e a radiação escura," afirma Adam Riess, líder do estudo e Prémio Nobel, do STScI (Space Telescope Science Institute) e da Universidade Johns Hopkins, ambos em Baltimore, no estado americano de Maryland.
Os resultados serão publicados na revista The Astrophysical Journal.
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Esta imagem captada pelo Hubble mostra uma das galáxias no estudo que refinou a medição da velocidade de expansão do Universo, com o nome constante de Hubble.
A galáxia, UGC 9391, contém dois tipos de objetos que os astrónomos
usam para calcular com precisão as distâncias, um factor determinante no cálculo da constante de Hubble: variáveis cefeidas (círculos vermelhos) e supernovas do Tipo Ia (cruz azul, que indica a posição da supernova 2003du).
Os astrónomos calibram as supernovas com as cefeidas em galáxias como UGC 9391 para que possam calcular
com precisão as distâncias. UGC 9391 está a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância.
Crédito: NASA, ESA e A. Reiss (STScI/JHU)
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A equipa de Riess fez a descoberta refinando a taxa de expansão atual do Universo até uma precisão sem precedentes, reduzindo a incerteza até apenas 2,4%. A equipa fez os requintes através do desenvolvimento de técnicas inovadoras que melhoram a precisão das medições de distância a galáxias distantes.
A equipa procurou galáxias que continham tanto estrelas Cefeidas como supernovas do Tipo Ia. As Cefeidas pulsam a ritmos que correspondem ao seu verdadeiro brilho, que pode então ser comparado com o seu brilho aparente, visto da Terra, para determinar com precisão a sua distância. As supernovas do Tipo Ia, outro critério cósmico usado normalmente, são explosões estelares que atingem o mesmo brilho e são brilhantes o suficiente para serem vistas a distâncias relativamente mais longas.
Através da medição de aproximadamente 2400 cefeidas em 19 galáxias e da comparação do brilho observado de ambos os tipos de objeto, os cientistas mediram com precisão o seu verdadeiro brilho e calcularam as distâncias de cerca de 300 supernovas do Tipo Ia em galáxias distantes.
A equipa comparou essas distâncias com a expansão do espaço, medida pelo alongamento da luz de galáxias que se afastam. Eles usaram estes dois valores para calcular quão rápido o Universo se expande com o tempo, ou a constante de Hubble.
O valor refinado da constante de Hubble é de 73,00±1,75 km/s por megaparsec (um megaparsec equivale a 3,26 milhões de anos-luz). O novo valor significa que a distância entre objetos cósmicos será o dobro daqui a 9,8 mil milhões de anos.
No entanto, esta calibração refinada apresenta-nos com um puzzle, porque não encaixa totalmente com a velocidade de expansão prevista para o Universo, para a sua trajetória vista pouco depois do Big Bang. As medições da radiação cósmica de fundo, pelo WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) e pela missão do satélite Planck da ESA, forneceram previsões da constante de Hubble que são 5 e 9% mais pequenas, respetivamente.
"Se sabemos as quantidades iniciais das 'coisas' no universo, como energia escura e matéria escura, e se temos a física correta, então podemos ir de uma medição no momento logo após o Big Bang e usar esse conhecimento para prever quão rápido o Universo deve estar a expandir-se hoje," afirma Riess. "No entanto, se esta discrepância se mantiver, parece que não temos um correto entendimento, e isso muda o valor atual da constante de Hubble."
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Esta ilustração mostra os três passos que os astrónomos usam para medir a expansão do Universo com uma precisão sem precedentes, reduzindo a incerteza total até 2,4%.
Crédito: NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Reiss (STScI/JHU)
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A comparação da velocidade de expansão do Universo com o WMAP, Planck e Hubble é como construir uma ponte, explica Riess. Na costa distante estão as observações da radiação cósmica de fundo no início do Universo. Na costa próxima estão as medições feitas pela equipa de Riess usando o Hubble.
"Começamos nas duas extremidades, e esperamos encontrar-nos no meio, caso os planos e as medições estejam corretas," afirma Riess. "Mas agora as extremidades não se encontram exatamente no meio e queremos saber porquê."
Existem algumas explicações possíveis para o excesso de velocidade do Universo. Uma possibilidade é que a energia escura, que já se sabe estar a acelerar o Universo, pode estar a empurrar galáxias para longe umas das outras como uma força ainda maior - ou cada vez maior.
Outra ideia é que o cosmos continha uma nova partícula subatómica no início da sua história que viajava perto da velocidade da luz. Estas partículas velozes são coletivamente referidas como "radiação escura" e incluem partículas previamente conhecidas como, por exemplo, os neutrinos. Um valor superior de radiação escura poderá estar a confundir os nossos melhores esforços para prever a atual velocidade de expansão desde a sua trajetória pós-Big Bang.
O maior valor da aceleração poderá também significar que a matéria escura possui algumas características estranhas e inesperadas. A matéria escura é a espinha dorsal do Universo, a partir da qual as galáxias são construídas até às grandes estruturas que vemos hoje.
E, finalmente, um Universo mais rápido poderá dizer aos astrónomos que a teoria da gravidade de Einstein está incompleta.
"Nós sabemos tão pouco sobre as partes escuras do Universo, que é importante medir como empurram e puxam o espaço ao longo da história cósmica," comenta Lucas Macri da Universidade Texas A&M em College Station, colaborador-chave do estudo.
As observações do Hubble foram feitas com a visão aguçada do instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) e realizadas pela equipa SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), que trabalha para refinar a precisão da constante de Hubble até um valor que permite compreender melhor o comportamento do Universo.
A equipa SH0ES continua a usar o Hubble para reduzir ainda mais a incerteza na constante de Hubble, com o objetivo de alcançar uma precisão de 1%. Os telescópios atuais, como o satélite Gaia da ESA, e os telescópios do futuro, como o JWST (James Webb Space Telescope), um observatório infravermelho, e o WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), também podem ajudar os astrónomos a obter melhores medições da velocidade de expansão.
Antes do Hubble ser lançado em 1990, as estimativas da constante de Hubble variavam por um fator de dois. No final dessa década, o projeto H0KP (Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale) refinou o valor da constante de Hubble até um erro de apenas 10%, cumprindo um dos objetos principais do telescópio. A equipa SH0ES reduziu a incerteza no valor da constante de Hubble por 76% desde o início da sua investigação em 2005.
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