Os cosmólogos estão enfrentando um grande quebra-cabeça não resolvido: eles não concordam sobre a rapidez com que o universo está se expandindo, e resolvê-lo poderia levar a uma nova física. Para verificar a existência de erros ocultos nas medições tradicionais que dependem de marcadores como as supernovas, os astrónomos continuam a procurar novas formas de acompanhar a expansão do Universo. 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. O seu método explora o facto de que a luz de objetos extremamente distantes pode viajar até nós por vários caminhos diferentes. A comparação destas diferentes rotas ajuda a refinar os modelos do que está a acontecer 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 está cada vez maior. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão é mensurável. Acontece que isto é mais complicado do que parece, porque a expansão parece ser mais rápida quando olhamos para regiões mais distantes do espaço. Para cada 3,3 milhões de anos-luz (ou 1 megaparsec) da Terra, os objetos a essa distância parecem estar se afastando de nós a cerca de 73 quilômetros por segundo. Por outras palavras, o Universo está a expandir-se a uma taxa de 73 quilómetros por milhão de parsecs por segundo (km/s/Mpc), um valor chamado constante de Hubble.
Escada de distância e nova maneira de medir a constante de Hubble
Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora confiaram no que é chamado de escada de distância. Essas escadas são construídas a partir de objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas variáveis Cefeidas. Como estes objetos são considerados tão bem compreendidos, os astrónomos acreditam que podem ser usados para estimar distâncias com elevada precisão, mesmo que sejam observados noutras galáxias. Após décadas de observações de muitos desses objetos, o alcance permitido da constante de Hubble tornou-se ainda mais estreito. No entanto, há sempre alguma incerteza sobre a fiabilidade deste método, por isso os cosmólogos estão ansiosos por testar alternativas.
Em seu estudo mais recente, uma equipe de astrônomos, incluindo o professor assistente do programa Kenneth Wong e o pesquisador de pós-doutorado Eric Paic, do Centro de Pesquisa do Universo Primordial da Universidade de Tóquio, demonstraram com sucesso uma técnica chamada cosmologia de intervalo de tempo. Eles acreditam que esta abordagem poderia reduzir a dependência do campo de escadas de distância e também ter aplicações valiosas em outros ramos da cosmologia.
Usando lentes gravitacionais como ferramenta de medição cósmica
“Para usar a cosmologia de lapso de tempo para medir a constante de Hubble, é necessária uma galáxia muito massiva para atuar como uma lente”, disse Huang. “A gravidade desta ‘lente’ desvia a luz dos objetos escondidos atrás dela, por isso vemos versões distorcidas deles. Isto é chamado de lente gravitacional. Se as circunstâncias forem adequadas, vemos na verdade múltiplas imagens distorcidas, cada uma seguindo um caminho ligeiramente diferente para chegar até nós, levando um tempo diferente.” Ao procurarmos as mesmas mudanças ligeiramente inconsistentes nestas imagens, podemos medir a diferença no tempo que demoram a chegar até nós. Combinar estes dados com a distribuição de massa da lente que os distorce permite-nos calcular com mais precisão a aceleração de objetos distantes, e a constante de Hubble que medimos está bem dentro do intervalo suportado por outros modelos de estimativa.”
Tensão Hubble: Visões Contraditórias do Universo em Expansão
Pode parecer estranho que os investigadores se esforcem tanto para aperfeiçoar um número que já foi medido tantas vezes. A razão é que este valor é central para a reconstrução da história e evolução do universo pelos cientistas, e existem sérias diferenças não resolvidas. 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 extrapolar a taxa de expansão do universo ainda mais atrás no tempo. Um método chave utiliza radiação que preenche o universo e remonta ao Big Bang, a radiação cósmica de fundo (CMB). Quando os cientistas analisaram a CMB para estimar a constante de Hubble, obtiveram um valor inferior de 67 km/s/Mpc.
Essa incompatibilidade entre 73 km/s/Mpc e 67 km/s/Mpc é chamada de tensão de Hubble. O trabalho de Wong, Paic e colegas ajuda a esclarecer o que pode estar a causar esta tensão, e não está claro se a discrepância se deve simplesmente à incerteza experimental ou aponta para causas mais profundas.
A tensão do Hubble aponta para uma nova física?
“Nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações atuais e menos consistente com medições do universo primitivo. Isto prova que a tensão de Hubble pode de fato vir da física real e não apenas de alguma fonte desconhecida de erro em vários métodos”, disse Huang. “As nossas medições são completamente independentes de outros métodos, quer sejam do universo primitivo ou tardio, por isso, se houver quaisquer incertezas sistemáticas provenientes destes métodos, não devemos ser afetados por eles.”
“O foco principal deste trabalho é melhorar os nossos métodos, e agora precisamos de aumentar o tamanho da amostra para aumentar a precisão e resolver a tensão do Hubble de forma decisiva,” disse Pike. “Atualmente, nossa precisão é de cerca de 4,5%, e para realmente determinar a constante de Hubble a um nível que possa confirmar inequivocamente a tensão de Hubble, precisamos alcançar uma precisão de cerca de 1-2%.”
Mais lentes, mais quasares e mais precisão
Os pesquisadores estão otimistas de que podem alcançar níveis de precisão ainda mais elevados. 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 está a acumular gás e poeira, fazendo com que brilhe intensamente). Eles também incorporaram novas observações de observatórios espaciais e terrestres de última geração, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. No futuro, a equipe planeja expandir o número de sistemas de lentes que estuda, melhorar as medições e identificar ou eliminar cuidadosamente quaisquer fontes remanescentes de erro sistemático.
Incertezas na distribuição em massa e esforços cosmológicos globais
“Uma das maiores fontes de incerteza é que não sabemos exatamente como a massa está distribuída nas galáxias com lentes. Muitas vezes assume-se que a massa segue algum contorno simples que é consistente com as observações, mas é difícil saber com certeza, e esta incerteza afeta diretamente os valores que calculamos”, disse Huang. “A Tensão Hubble é importante porque pode anunciar uma nova era na cosmologia, revelando uma nova física. O nosso projeto é o resultado de uma colaboração de décadas entre vários observatórios e investigadores independentes, destacando a importância da colaboração científica internacional.”
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (doações 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), pela Sociedade Max Planck (bolsa Max Planck), pelo Centro Alemão de Pesquisa sob a Estratégia Alemã de Excelência (EXC-2094, 390783311), pela National Science Foundation (doações NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), a Fundação Moore (concessão 8548) e JSPS KAKENHI (números de concessão JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).
