Os cosmólogos estão lidando com um grande quebra-cabeça: 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 verificar erros ocultos em medições tradicionais que dependem de marcadores como as supernovas, os astrónomos estão constantemente à procura de 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 de alguns dos telescópios mais avançados disponíveis. A sua abordagem tira partido do facto de que a luz de objetos extremamente distantes pode chegar até nós através de vários caminhos diferentes. A comparação destas diferentes rotas ajuda a refinar modelos do que acontece nas maiores escalas do universo, incluindo como o próprio espaço se estende.
Quão rápido o universo está se expandindo?
Sabemos que o universo é enorme e que cresce continuamente. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão pode ser medida. Isto acaba por ser mais complicado do que parece, porque a expansão é 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 uma velocidade de cerca de 73 quilómetros por segundo. Por outras palavras, 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.
Escadas de distância e uma nova forma de medir a constante de Hubble
Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora todos se basearam nas chamadas escadas de distância. Essas escadas são construídas a partir de objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas variáveis Cefeidas. Como esses objetos são considerados bem estudados, os astrônomos acreditam que mesmo que sejam observados em outras galáxias, eles podem ser usados para estimar distâncias com alta precisão. Ao longo de décadas de observações de muitos desses objetos, o intervalo permitido da constante de Hubble tornou-se mais estreito. No entanto, sempre houve alguma incerteza sobre o quão confiável é esta abordagem, por isso os cosmólogos estão ansiosos para testar alternativas.
No seu último estudo, uma equipa de astrónomos, incluindo o professor assistente Kenneth Wong e o pós-doutorando Eric Paik, do Centro de Investigação do Universo Primitivo da Universidade de Tóquio, demonstraram com sucesso uma técnica chamada cosmografia de lapso de tempo. Eles argumentam que este método pode reduzir a dependência do campo em escalas de distância e também pode ter aplicações valiosas em outras áreas da cosmologia.
Usando lentes gravitacionais como ferramenta de medição de espaço
“Para medir a constante de Hubble com cosmografia de lapso de tempo, é necessária uma galáxia realmente massiva que possa funcionar como uma lente”, disse Wong. “A gravidade desta ‘lente’ desvia a luz dos objetos atrás dela, ao seu redor, então vemos uma versão distorcida deles. Isso é chamado de lente gravitacional. Nas circunstâncias certas, veremos múltiplas imagens distorcidas, e cada uma seguirá um caminho ligeiramente diferente para chegar até nós, levando uma quantidade de tempo diferente. Ao procurar as mesmas mudanças nessas imagens ligeiramente incompatíveis, podemos medir a diferença no tempo que elas levaram para chegar até nós. Combinando esses dados com estimativas da distribuição de massa da lente galáctica que os distorce nos permite calcular com mais precisão a aceleração de objetos distantes que medimos como estando dentro dos intervalos suportados por outros métodos de estimativa.
A tensão Hubble: visões conflitantes sobre o universo em expansão
Pode parecer estranho que os investigadores se esforcem tanto para refinar um número que já foi medido muitas vezes. A razão é que este valor está no cerne da forma como os cientistas reconstroem a história e a evolução do universo, e há uma discrepância séria. O valor da constante de Hubble de 73 km/s/Mpc é consistente com observações de objetos relativamente próximos. No entanto, existem outras maneiras de inferir a taxa de expansão cósmica que remontam a muito mais tempo atrás. Um método chave usa radiação que preenche o universo e remonta ao Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). Quando os cientistas analisam a CMB para estimar a constante de Hubble, obtêm 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, Paich e dos seus colegas ajuda a esclarecer o que pode estar a causar esta tensão, numa altura em que ainda não está claro se a discrepância se deve simplesmente à incerteza experimental ou aponta para algo mais profundo.
A tensão do Hubble aponta para uma nova física?
“A nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações modernas e menos consistente com medições do Universo primitivo. Isto sugere que a tensão de Hubble pode de facto surgir da física real e não apenas de uma fonte desconhecida de erro nos vários métodos,” disse Wong. “As nossas medições são completamente independentes de outros métodos, tanto do Universo primitivo como do Universo tardio, por isso, se existirem quaisquer incertezas sistemáticas nestes métodos, elas não deverão afectar-nos.”
“O foco principal deste trabalho tem sido melhorar a nossa metodologia, e agora precisamos de aumentar o tamanho da amostra para aumentar a precisão e resolver de forma decisiva a tensão do Hubble,” disse Pake. “No momento, nossa precisão é de cerca de 4,5%, e para realmente fixar a constante de Hubble a um nível que confirme definitivamente a tensão de Hubble, precisamos chegar a cerca de 1-2% de precisão.”
Mais lentes, mais quasares e maior precisão
Os pesquisadores estão otimistas de que poderão atingir esse nível mais alto de precisão. No presente estudo, eles analisaram oito sistemas de lentes de lapso de tempo. Cada sistema contém uma galáxia em primeiro plano que atua como uma lente e bloqueia a nossa visão direta de um quasar distante (um buraco negro supermassivo que acumulou gás e poeira, fazendo com que brilhe intensamente). Eles também incluíram novas observações de observatórios espaciais e terrestres avançados, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. Olhando para o futuro, a equipe planeja aumentar o número de sistemas de lentes que estuda, refinar suas medições e identificar ou eliminar cuidadosamente quaisquer fontes sistemáticas de erro remanescentes.
Incertezas na distribuição de massa e cosmologia global
“Uma das maiores fontes de incerteza é o fato de não sabermos exatamente como a massa está distribuída nas galáxias em lente. Geralmente, presume-se que a massa segue algum perfil simples que corresponde às observações, mas é difícil ter certeza, e essa incerteza pode afetar diretamente os valores que calculamos”, disse Wong. “A tensão do Hubble é significativa porque pode apontar para uma nova era na cosmologia, revelando uma nova física. O nosso projeto é o resultado de décadas de colaboração entre muitos observatórios e investigadores independentes, sublinhando a importância da colaboração internacional na ciência.”
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (doações 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), pela Max Planck Society (Max Planck Fellowship), pela Deutsche Forschungsgemeinschaft sob a Estratégia de Excelência Alemã (EXC-2094, 390783311), pela National Science Foundation dos EUA (doações NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), a Fundação Moore (concessão 8548) e JSPS KAKENHI (números de concessão JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).
