O universo está a expandir mais depressa do que o esperado

As medições feitas recentemente com o Telescópio Espacial Hubble sugerem que o universo está a expandir mais depressa do que o previsto pelos modelos científicos – um indício de que algum ingrediente desconhecido pode estar a afetar o cosmos.

Por Michael Greshko
Publicado 21/12/2021, 11:56
Galáxia espiral Markarian 1337

Esta imagem, captada pelo Telescópio Espacial Hubble, mostra a galáxia espiral Markarian 1337, que está a cerca de 120 milhões de anos-luz de distância da Terra. Em 2006, os astrónomos observaram uma espécie de supernova a explodir nesta galáxia, fornecendo aos investigadores alguns dos dados necessários para determinar a atual taxa de expansão do universo.

Fotografia por Esa, Hubble & NASA, A. Riess et al.

É um dos maiores enigmas da astronomia moderna: com base em várias observações de estrelas e galáxias, o universo parece estar a separar-se mais depressa do que o previsto pelos nossos melhores modelos do cosmos. As evidências deste enigma acumulam-se há vários anos, levando alguns investigadores a considerar a situação como uma crise iminente na cosmologia.

Agora, um grupo de investigadores usou o Telescópio Espacial Hubble para compilar um enorme conjunto de dados e descobriu que as probabilidades de esta discrepância ser um acaso estatístico são de uma num milhão. Por outras palavras, parece cada vez mais provável que existe algum ingrediente fundamental no cosmos – ou algum efeito inesperado dos ingredientes conhecidos – que os astrónomos ainda não identificaram.

“Parece que o universo está sempre a surpreender-nos, mas isso é bom, porque ajuda-nos a aprender”, diz Adam Riess, astrónomo da Universidade Johns Hopkins que liderou o esforço recente para testar a anomalia.

Este enigma é conhecido por tensão de Hubble, em homenagem ao astrónomo Edwin Hubble. Em 1929, Edwin Hubble observou que, quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais depressa recua – uma observação que ajudou a pavimentar o trajeto rumo à noção que temos atualmente do universo, começando com o big bang e expandindo-se desde então.

Os investigadores tentam medir a atual taxa de expansão do universo usando sobretudo dois métodos: medindo distâncias até estrelas próximas e mapeando um ténue brilho que remonta à infância do universo. Estas abordagens fornecem uma maneira de testar a nossa compreensão sobre o universo ao longo de mais de 13 mil milhões de anos de história cósmica. As investigações também já descobriram alguns ingredientes cósmicos importantes, como a “energia escura”, a força misteriosa que se acredita estar a impulsionar a expansão acelerada do universo.

Mas estes dois métodos discordam sobre a atual taxa de expansão do universo em cerca de 8%. Esta diferença pode parecer irrisória, mas se for uma discrepância real, significa que o universo está agora a expandir-se mais depressa do que o efeito da energia escura poderia explicar – necessitando de uma reavaliação.

As descobertas feitas pelos investigadores, descritas em vários estudos submetidos à The Astrophysical Journal, usam tipos específicos de estrelas e explosões estelares para medir a distância entre o nosso planeta e as galáxias mais próximas. Este conjunto de dados inclui observações de 42 explosões estelares diferentes, mais do que o dobro da maior análise feita até agora. De acordo com o trabalho da equipa, a tensão entre a sua nova análise e os resultados das medições do cosmos primitivo atingiu cinco sigma, o limite estatístico usado na física de partículas para confirmar a existência de novas partículas.

Outros astrónomos continuam a apontar para a possibilidade de erros nos dados, o que significa que é possível que a tensão de Hubble seja apenas um artefacto.

“Não sei como é que este tipo de erro ainda permanece oculto, mas se estiver correto, trata-se apenas de algo que ninguém sugeriu”, diz Dan Scolnic, membro da equipa do estudo e astrónomo da Universidade Duke. “Verificámos todas as ideias que nos foram apresentadas e não conseguimos chegar a uma conclusão.”

Micro-ondas cósmicas e a escada de distância

A tensão de Hubble surge das tentativas de medir ou prever a atual taxa de expansão do universo, a chamada constante de Hubble. Com este conceito, os astrónomos podem estimar a idade do universo desde o big bang.

Uma forma de obter a constante de Hubble depende da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), um brilho fraco que se formou quando o universo tinha apenas 380.000 anos. Os telescópios como o do observatório Planck da Agência Espacial Europeia mediram a CMB, fornecendo um retrato detalhado de como a matéria e a energia estavam distribuídas no universo primitivo, bem como a física que as governava.

Usando um modelo que consegue prever muitas das propriedades do universo – conhecido por modelo Lambda Cold Dark Matter – os cosmologistas conseguem avançar matematicamente o universo infantil observado nas medições de CMB e prever qual deveria ser a constante de Hubble da atualidade. Este método prevê que o universo deve ter uma expansão de cerca de 67.36 quilómetros por segundo por megaparsec (um megaparsec é igual a 3.26 milhões de anos-luz).

Também há outras equipas que medem a constante de Hubble observando o universo “local”: as estrelas e galáxias mais recentes que estão relativamente perto de nós. Esta versão do cálculo requer dois tipos de dados: a rapidez com que uma galáxia se está a afastar de nós e a que distância está essa galáxia. Isto, por sua vez, exige aos astrónomos desenvolver o que se conhece por escada de distância cósmica.

A escada de distância cósmica dos novos estudos, criada pelo grupo de investigação SH0ES de Adam Riess, começa com medições das distâncias entre nós e determinados tipos de estrelas chamadas variáveis cefeida. As estrelas cefeida são valiosas porque, na sua essência, atuam como luzes estroboscópicas que têm uma potência conhecida: aumentam e diminuem de intensidade regularmente, e quanto mais brilhantes são, mais lentamente pulsam. Usando este princípio, os astrónomos conseguem estimar os brilhos intrínsecos das estrelas cefeida ainda mais distantes com base nas suas taxas de pulsação e, por fim, calcular a distância a que estamos dessas mesmas estrelas.

Para estender ainda mais a escada, os astrónomos adicionaram degraus com base nas explosões estelares chamadas supernovas do tipo 1a. Ao estudar as galáxias hospedeiras de estrelas cefeida e as supernovas do tipo 1a, os astrónomos conseguem determinar a relação entre o brilho das supernovas e as respetivas distâncias. Dado que as supernovas do tipo 1a são muito mais brilhantes do que as estrelas cefeida, podem ser observadas a distâncias muito maiores, permitindo aos astrónomos estender as suas medições até às galáxias nas profundezas do cosmos.

Considerar as variações

Contudo, medir com precisão todas estas estrelas e supernovas é incrivelmente complicado. Em termos técnicos, nem todas as cefeida e supernovas do tipo 1a parecem exatamente iguais: algumas podem ter composições, cores ou tipos diferentes de galáxias hospedeiras. Os astrónomos passaram muitos anos a tentar explicar toda esta variabilidade, mas é extremamente difícil saber se alguma fonte oculta de erro não estará a forçar a balança.

Para lidar com estas preocupações, uma equipa de investigação chamada colaboração Pantheon+ analisou exaustivamente 1.701 observações de supernovas do tipo 1a recolhidas desde 1981. Esta análise incluiu esforços para quantificar todas as incertezas e fontes de erro conhecidas.

“Nós levamos em consideração como era o clima e a visão de um telescópio em novembro de 1991 – e isso é difícil”, diz Dan Scolnic, da Universidade Duke, que chefia a Pantheon+ com Dillon Brout, investigador do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian.

As descobertas desta equipa corroboram a nova análise de Adam Riess e dos seus colegas do grupo SH0ES. Depois de realizar uma verificação cruzada e exaustiva dos fatores que poderiam afetar as observações das cefeida, a equipa gerou a sua estimativa mais precisa para a constante de Hubble: 73.04 quilómetros por segundo por megaparsec, mais ou menos 1.04. Resumindo, é cerca de 8% mais elevado do que o valor inferido através das medições de CMB feitas pelo observatório Planck.

A equipa também fez todos os esforços para testar as ideias de cientistas externos sobre as razões pelas quais a sua estimativa constante de Hubble era maior do que a contagem do observatório Planck. Ao todo, os investigadores testaram 67 variantes da sua análise – muitas das quais pioraram a tensão.

“Nós ouvimos atenciosamente, creio eu, uma série de preocupações e interrogações”, diz Adam Riess. “Mas não basta estalar os dedos...”

O universo desconhecido

Nos últimos anos, porém, Wendy Freedman, da Universidade de Chicago, tem vindo a trabalhar numa estimativa que não depende do pulsar das estrelas. Em vez disso, Wendy Freedman usa um grupo específico de estrelas gigantes vermelhas, que também agem como lâmpadas de potência conhecida. Começando a partir destas “velas padrão” alternativas, ou objetos com um brilho intrínseco conhecido, a estimativa independente de Wendy Freedman da constante de Hubble é de 69.8 quilómetros por segundo por megaparsec – ficando algures no meio das outras duas medições.

Apesar do trabalho minucioso da equipa, Wendy Freedman diz que há erros que ainda não foram descobertos e que podem estar a afetar a análise, talvez criando uma tensão ilusória. E acrescenta que algumas fontes de incerteza também são inevitáveis. Por um lado, existem apenas três galáxias perto o suficiente da Via Láctea cujas distâncias podemos medir diretamente, e a base da escada da distância cósmica depende deste trio.

“Três é um número reduzido, mas foi o que a natureza nos deu”, diz Wendy Freedman.

As equipas Pantheon+ e SH0ES analisaram extensivamente os resultados de Wendy Freedman e de outros especialistas, e algumas das suas várias análises examinam o que acontece se as estrelas preferidas por Wendy Freedman forem adicionadas à escada de distância cósmica, juntamente com as cefeida e as supernovas do tipo 1a. De acordo com este trabalho, a inclusão destas estrelas extra reduz ligeiramente a estimativa da constante de Hubble – mas não elimina a tensão.

E se a tensão de Hubble refletir realmente a nossa realidade física, então explicá-la provavelmente irá exigir a adição de outro item à nossa lista de ingredientes fundamentais do universo.

Uma das teorias mais aceites, que envolve a chamada energia escura primitiva, propõe que cerca de 50.000 anos depois do big bang houve um breve surto de energia escura. Em princípio, um pequeno pico de energia escura extra poderia alterar a expansão do universo primitivo o suficiente para resolver a tensão de Hubble sem mudar muito o modelo padrão de cosmologia.

Contudo, nesse processo, as estimativas dos cosmologistas para a idade do universo baixariam dos atuais 13.8 mil milhões de anos para os cerca de 13 mil milhões de anos.

“Há muitas questões em torno da razão pela qual temos de apresentar uma coisa nova que simplesmente aparece e desaparece – parece um pouco estranho”, diz Mike Boylan-Kolchin, astrofísico da Universidade do Texas em Austin. “Mas estamos numa situação em que, se estas coisas forem realmente tão discrepantes, talvez tenhamos de começar a olhar para os cantos mais estranhos do universo.”

Por enquanto, não existem quaisquer evidências definitivas sobre a presença de energia escura primitiva, embora já tenham surgido alguns indícios. Em setembro, o Telescópio de Atacama, uma instalação no Chile que mede a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, afirmou que um modelo que inclui a energia escura primitiva se ajusta melhor aos seus dados do que o modelo cosmológico padrão. Os dados do telescópio Planck discordam, pelo que são necessárias mais observações para desvendar este mistério.

Os outros observatórios também podem ajudar a esclarecer a tensão de Hubble. O satélite Gaia da Agência Espacial Europeia, por exemplo, tem mapeado a Via Láctea desde 2014, gerando estimativas cada vez mais precisas sobre a distância entre nós e muitas das estrelas da nossa galáxia, incluindo as cefeida. E o Telescópio Espacial James Webb – com lançamento previsto para este mês – deve ajudar os astrónomos a verificar as medições feitas pelo Hubble a determinadas estrelas.

“Estamos a trabalhar nos limites do que é possível”, diz Wendy Freedman. “Mas vamos esclarecer isto a fundo.”
 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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