Os cosmólogos estão lidando com um grande quebra-cabeça não resolvido: nem todos concordam sobre a rapidez com que o universo está se expandindo, e a solução desse quebra-cabeça pode levar a uma nova física. Para testar as falhas ocultas das medições tradicionais que dependem de marcadores como as supernovas, os astrónomos procuram constantemente novas formas de acompanhar a expansão cósmica. Num trabalho recente, investigadores, incluindo cientistas da Universidade de Tóquio, mediram o crescimento do Universo utilizando novas técnicas e dados dos telescópios mais avançados disponíveis. A sua abordagem tira partido do facto de que a luz de objetos muito distantes pode viajar por caminhos diferentes até nós. A comparação destas diferentes rotas ajuda a refinar os modelos do que está a acontecer nas maiores escalas do Universo, incluindo a forma como o próprio espaço se está a expandir.
Quão rápido o universo está se expandindo?
Sabemos que o universo é enorme e está cada vez maior. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão pode ser medida. Isto acaba por ser mais complicado do que parece, pois a expansão parece mais rápida quando olhamos para regiões mais distantes do espaço. Para cada 3,3 milhões de anos-luz (ou um megaparsec) de distância da Terra, os objetos a essa distância afastam-se de nós a cerca de 73 quilómetros por segundo. Dito de outra forma, o Universo está a expandir-se a uma taxa de 73 quilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), um valor conhecido como constante de Hubble.
Uma nova forma de medir a escada de distâncias e a constante de Hubble
Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora todos se basearam na chamada escada de distância. Essas escadas são formadas por objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas estrelas variáveis Cefeidas. Como se pensa que estes objetos são bem compreendidos, os astrónomos levantam a hipótese de que, mesmo quando observados noutras galáxias, podem ser usados para estimar distâncias com elevada precisão. Ao longo de décadas de observação de muitos desses objetos, o intervalo permitido para a constante de Hubble diminuiu. No entanto, há sempre alguma incerteza sobre o quão fiável é este método, por isso os cosmólogos estão ansiosos por testar alternativas.
No seu último estudo, uma equipa de astrónomos, incluindo o professor assistente do projeto Kenneth Wong e o investigador de pós-doutoramento Eric Paik, do Centro de Investigação para o Universo Primitivo da Universidade de Tóquio, demonstraram com sucesso uma técnica chamada cosmografia de atraso temporal. Eles argumentam que este método pode reduzir a dependência do campo em escalas de distância e também ter aplicações valiosas em outros ramos da cosmologia.
Usando lentes gravitacionais como ferramenta para medições cosmológicas
“Para medir a constante de Hubble usando cosmografia de lapso de tempo, é necessária uma galáxia realmente massiva que possa atuar como uma lente”, disse Wang. “A gravidade desta ‘lente’ desvia a luz dos objetos ocultos ao seu redor, então vemos uma versão distorcida deles. Isso é chamado de lente gravitacional. Se as condições forem adequadas, veremos várias imagens distorcidas, e cada uma escolherá um caminho ligeiramente diferente para se aproximar de nós, mostrando diferentes quantidades de luz durante essa mudança na luz. Na etapa, podemos medir a diferença combinando esses dados com uma estimativa da distribuição de massa da lente galáctica que temos. Permite que a aceleração de objetos distantes seja calculada com mais precisão.
A atração do Hubble: visões conflitantes do universo em expansão
Pode parecer surpreendente que os investigadores invistam tanto esforço no refinamento de um número que já foi medido muitas vezes. A razão é que este padrão está no cerne da forma como os cientistas reconstroem a história e a evolução do universo, e há uma grave inconsistência não resolvida. Um valor de 73 km/s/mpc para a constante de Hubble está de acordo com observações de objetos relativamente próximos. No entanto, existem outras maneiras de estimar a taxa de expansão cósmica que remontam a tempos mais remotos. Um método chave usa a radiação que preencheu o universo e retornou ao Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). Quando os cientistas analisaram a CMB para estimar a constante de Hubble, encontraram um valor inferior de 67 km/s/mpc.
Esta discrepância entre 73 km/s/mpc e 67 km/s/mpc é chamada de tensão de Hubble. O trabalho de Wong, Paic e dos seus colegas ajuda a iluminar o que pode estar a causar esta tensão, numa altura em que ainda não está claro se a diferença se deve simplesmente à incerteza experimental ou aponta para algo mais profundo.
A atração do Hubble está apontando para uma nova física?
“A nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações actuais e menos consistente com medições do universo primitivo. Esta é uma evidência de que a excitação do Hubble pode de facto surgir da física real e não de alguma fonte desconhecida de erro em diferentes métodos,” disse Wang. “As nossas medições são completamente independentes de outros métodos, tanto do universo inicial como do final do universo, por isso, se houver alguma incerteza sistemática nestes métodos, não devemos ser afetados por eles.”
“O foco principal deste trabalho foi melhorar o nosso método, e agora precisamos de aumentar o tamanho da amostra para melhorar a precisão e resolver a excitação do Hubble de forma decisiva,” disse Pack. “Neste momento, a nossa precisão é de cerca de 4,5%, e para reduzir a constante do Hubble a um nível que confirme definitivamente a atração do Hubble, precisamos de obter uma precisão de cerca de 1-2%.”
Mais lentes, mais quasares e maior precisão
Os pesquisadores estão esperançosos de que conseguirão alcançar essa precisão maior. No presente estudo, eles analisaram oito sistemas de lentes de retardo temporal. Cada sistema tem uma galáxia em primeiro plano que funciona como uma lente e bloqueia a nossa visão direta de um quasar distante (um buraco negro supermassivo que produz gás e poeira, fazendo-o brilhar intensamente). Eles incorporam novas observações de observatórios espaciais e terrestres de última geração, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. Olhando para o futuro, a equipe planeja expandir o número de sistemas de lentes que estuda, refinar suas medições e identificar ou eliminar cuidadosamente as fontes sistemáticas de erros restantes.
Incertezas na distribuição em massa e um esforço cosmológico global
“Uma das maiores fontes de incerteza é que não sabemos exactamente como a massa está distribuída na galáxia que faz a lente. Geralmente assume-se que a massa segue algum perfil geral que é consistente com as observações, mas isto é difícil de confirmar, e esta incerteza pode afectar directamente os nossos valores calculados,” disse Wang. “A excitação do Hubble é importante, porque pode apontar para uma nova era da ciência cósmica que revela uma nova física. O nosso projeto é o resultado de uma colaboração de uma década entre vários observatórios e investigadores independentes, destacando a importância da colaboração internacional na ciência.”
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (Grants 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), Max Planck Society (Max Planck Fellowship), Deutsche Forschungsgemeinschaft sob a Estratégia de Excelência da Alemanha (EXC-2094, 390783311) US National Science Foundation. NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), Moore Foundation (Grant 8548) e JSPS KAKENHI (Grant Nos. JP20K14511, JP24K07089, JP24H00).
