Mistério Da Taxa De Expansão Do Universo Aumenta Com Novos Dados Do Hubble

Astrónomos usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA dizem que eles cruzaram um limiar importante ao revelar uma discrepância entre as duas principais técnicas para medir a taxa de expansão do universo. O estudo recente reforça o argumento de que novas teorias podem ser necessárias para explicar as forças que moldaram o cosmos.

Uma breve recapitulação: o universo está ficando maior a cada segundo. O espaço entre as galáxias está se alongando, como massa crescendo no forno. Mas quão rápido o universo está se expandindo? Como o Hubble e outros telescópios procuram responder a essa pergunta, eles se deparam com uma intrigante diferença entre o que os cientistas predizem e o que eles observam.

Esta é uma visão do telescópio terrestre da Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da nossa Via Láctea. A imagem inserida, tirada pelo Telescópio Espacial Hubble, revela um dos muitos aglomerados estelares espalhados pela galáxia anã. Os membros do cluster incluem uma classe especial de estrela pulsante chamada de variável Cefeida, que ilumina e escurece a uma taxa previsível que corresponde ao seu brilho intrínseco. Uma vez que os astrónomos determinam esse valor, eles podem medir a luz dessas estrelas para calcular uma distância precisa da galáxia. Quando as novas observações do Hubble são correlacionadas com uma técnica independente de medição de distância para a Grande Nuvem de Magalhães (usando trigonometria direta), os pesquisadores foram capazes de fortalecer a fundação da chamada "escada da distância cósmica". Este "ajuste fino"

Créditos: NASA, ESA, Riess (STScI / JHU) e Palomar Digitized Sky SurveyAdicionar legenda

As medições do Hubble sugerem uma taxa de expansão mais rápida no universo moderno do que o esperado, com base em como o universo surgiu há mais de 13 bilhões de anos. Essas medições do universo primordial vêm do satélite Planck da Agência Espacial Europeia. Essa discrepância foi identificada em artigos científicos nos últimos anos, mas não está claro se as diferenças nas técnicas de medição são as culpadas, ou se a diferença pode resultar de medições sem sorte.

Os últimos dados do Hubble diminuem a possibilidade de que a discrepância seja apenas de 1 em 100.000. Este é um ganho significativo de uma estimativa anterior, menos de um ano atrás, de uma chance de 1 em 3.000.

Essas medições mais precisas do Hubble até agora reforçam a ideia de que a nova física pode ser necessária para explicar a incompatibilidade. 

"A tensão de Hubble entre o início e o fim do universo pode ser o desenvolvimento mais excitante da cosmologia em décadas", disse o pesquisador e ganhador do Nobel Adam Riess, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial (STScI) e da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore, Maryland. "Esse descompasso tem crescido e agora chegou a um ponto que é realmente impossível descartar como uma casualidade. Essa disparidade não poderia acontecer plausivelmente apenas por acaso".

Apertar os parafusos na "escada de distância cósmica"

Os cientistas usam uma "escada de distância cósmica" para determinar o quão longe as coisas estão no universo. Esse método depende de fazer medições precisas das distâncias de galáxias próximas e, em seguida, mover-se para galáxias cada vez mais distantes, usando suas estrelas como marcadores de milepost. Os astrónomos usam esses valores, juntamente com outras medidas da luz das galáxias, que se tornam vermelhas ao passar por um universo que se estende, para calcular a rapidez com que o cosmos se expande com o tempo, um valor conhecido como constante de Hubble. Riess e sua equipe SH0ES (Supernovae H0 para a Equação do Estado) estão em uma missão desde 2005 para refinar essas medições de distância com o Hubble e ajustar a constante de Hubble.

Neste novo estudo, os astrónomos usaram o Hubble para observar 70 estrelas pulsantes chamadas variáveis ​​cefeidas na Grande Nuvem de Magalhães. As observações ajudaram os astrónomos a "reconstruirem" a escada de distância, melhorando a comparação entre as cefeidas e seus primos mais distantes nos hospedeiros galácticos de super novas. A equipe de Riess reduziu a incerteza em seu valor constante de Hubble para 1,9% de  uma estimativa anterior  de 2,2%.

Como as medições da equipe se tornaram mais precisas, seu cálculo da constante de Hubble permaneceu em desacordo com o valor esperado derivado das observações da expansão do início do universo. Essas medições foram feitas pelo Planck, que mapeia o fundo cósmico de microondas, um resquício de relíquia de 380.000 anos após o Big Bang.

As medições foram cuidadosamente examinadas, de modo que os astrónomos não podem atualmente ignorar a lacuna entre os dois resultados como devido a um erro em qualquer medida ou método. Ambos os valores foram testados de várias maneiras.

"Não são apenas dois experimentos discordando", explicou Riess. "Estamos medindo algo fundamentalmente diferente. Um é uma medida de quão rápido o universo está expandindo hoje, como o vemos. O outro é uma previsão baseada na física do universo primitivo e em medições de quão rápido ele deveria estar se expandindo. Se esses valores não estiverem de acordo, haverá uma forte probabilidade de que estamos perdendo alguma coisa no modelo cosmológico que conecta as duas eras. "

Como o novo estudo foi feito

Os astrónomos têm usado as variáveis ​​Cefeidas como parâmetros cósmicos para medir as distâncias intergalácticos próximas por mais de um século. Mas tentar coletar um monte dessas estrelas consumia tanto tempo que era quase inatingível. Assim, a equipe empregou um novo método inteligente, chamado DASH (Drift And Shift), usando o Hubble como uma câmara "aponte e dispare" para capturar imagens rápidas das estrelas pulsantes extremamente brilhantes, o que elimina a necessidade demorada de precisão. apontando.

"Quando o Hubble usa apontamentos precisos bloqueando estrelas-guia, ele pode observar apenas uma Cefeida por cada órbita de Hubble de 90 minutos ao redor da Terra. Assim, seria muito caro para o telescópio observar cada Cepheid", explicou o membro da equipe Stefano Casertano. também de STScI e Johns Hopkins. "Em vez disso, procuramos por grupos de cefeidas perto o suficiente um do outro que pudessem se mover entre eles sem recalibrar o telescópio apontando. Essas cefeidas são tão brilhantes que só precisamos observá-las por dois segundos. Essa técnica nos permite observar uma Uma dúzia de cefeidas para a duração de uma órbita. Portanto, ficamos no controle do giroscópio e mantemos o 'DASHing' muito rápido ”.

Os astrónomos do Hubble então combinaram seu resultado com outro conjunto de observações, feito pelo Projeto Araucária, uma colaboração entre astrónomos de instituições no Chile, nos EUA e na Europa. Este grupo fez medições de distância para a Grande Nuvem de Magalhães, observando o escurecimento da luz quando uma estrela passa na frente de seu parceiro, eclipsando os sistemas de estrelas binárias.

As medições combinadas ajudaram a Equipe SH0ES a refinar o verdadeiro brilho das Cefeidas. Com esse resultado mais preciso, a equipe poderia "apertar os parafusos" do resto da escada de distância que se estende mais para o espaço.

A nova estimativa da constante de Hubble é de 74 quilómetros por segundo por megaparsec. Isso significa que a cada 3,3 milhões de anos-luz de distância mais longe uma galáxia é de nós, parece estar se movendo 74 quilómetros por segundo mais rápido, como resultado da expansão do universo. O número indica que o universo está se expandindo a uma taxa 9% mais rápida do que a previsão de 67 quilómetros por segundo por megaparsec, que vem das observações de Planck sobre o universo primordial, juntamente com nossa compreensão atual do universo.

Então, o que poderia explicar essa discrepância?

Uma explicação para o descompasso envolve uma aparência inesperada de energia escura no universo jovem, que agora é composto por 70% do conteúdo do universo. Proposto por astrónomos da Johns Hopkins, a teoria é apelidada de "energia escura primitiva" e sugere que o universo evoluiu como uma peça de três atos.

Os astrónomos já levantaram a hipótese de que a energia escura existiu durante os primeiros segundos após o big bang e empurrou a matéria pelo espaço, iniciando a expansão inicial. A energia escura também pode ser a razão para a expansão acelerada do universo hoje. A nova teoria sugere que houve um terceiro episódio de energia escura não muito depois do big bang, que expandiu o universo mais rápido do que os astrónomos previram. A existência dessa "energia escura primitiva" poderia explicar a tensão entre os dois valores constantes de Hubble, disse Riess.

Outra ideia é que o universo contém uma nova partícula subatómica que viaja perto da velocidade da luz. Tais partículas velozes são coletivamente chamadas de "radiação escura" e incluem partículas previamente conhecidas como neutrinos, que são criadas em reações nucleares e decaimentos radioativos.

Outra possibilidade atraente é que a matéria escura (uma forma invisível de matéria não composta de protões, neutrões e eletrões) interage mais fortemente com matéria normal ou radiação do que se supunha anteriormente.

Mas a verdadeira explicação ainda é um mistério.

Riess não tem uma resposta para esse problema, mas sua equipe continuará a usar o Hubble para reduzir as incertezas na constante de Hubble. Seu objetivo é diminuir a incerteza para 1%, o que deve ajudar os astrónomos a identificar a causa da discrepância.

Os resultados da equipe foram aceites para publicação no  The Astrophysical Journal .

O Telescópio Espacial Hubble é um projeto de cooperação internacional entre a NASA e a ESA (Agência Espacial Européia). O Centro de Voos Espaciais Goddard, da NASA, em Greenbelt, Maryland, administra o telescópio. O Instituto de Ciência do Telescópio Espacial (STScI) em Baltimore, Maryland, conduz operações científicas do Hubble. O STScI é operado pela NASA pela Associação de Universidades de Pesquisa em Astronomia, em Washington, DC.

Instituto de Ciência do Telescópio Espacial Donna Weaver / Ray Villard , Baltimore, Md. 
410-338-4493 / 410-338-4514 
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Instituto de Ciência do Telescópio Espacial Adam Riess , Baltimore, Md. 
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ariess@stsci.eduClaire Andreoli 

Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA, Greenbelt, Md. 
301-286-1940 
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