Descoberta recente resolve a questão da velocidade da expansão do Universo

Já se passaram quase 100 anos desde que os cientistas descobriram que o Universo está se expandindo. Nas décadas que se seguiram, a precisão das medições, as interpretações e as implicações dessa descoberta foram uma fonte de debates acirrados. Sabemos agora que o Universo emergiu dramaticamente de um estado altamente comprimido em um evento conhecido como o Big Bang.

As medições da taxa de expansão atual – conhecida como constante de Hubble, ou H₀ (pronuncia-se “H-naught” em inglês) – melhoraram consideravelmente desde aqueles primeiros dias. No entanto, um novo debate agora domina a comunidade astronômica: duas medições independentes da constante de Hubble, que deveriam estar de acordo, apresentam resultados diferentes. Essa situação ficou conhecida como “tensão da H₀” ou a “tensão Hubble”.

Várias conferências, revisões de artigos e artigos em periódicos científicos foram dedicados a essa questão. Alguns se referem a ela como uma “crise” para a Cosmologia”, exigindo uma mudança de paradigma em nossa compreensão do Universo. A expansão do Universo é um aspecto fundamental de sua história desde o Big Bang e, portanto, é a base de muitos outros elementos dessa nossa compreensão.

Outros veem a tensão do H₀ simplesmente como um sinal de que as equipes de medição não compreendem totalmente seus dados e que, com dados melhores, a “crise” será resolvida. Mas a resolução deste impasse continua ilusória.

Os dois métodos de medição no centro desse debate são o “distance ladder” (“escada de distância”, em tradução livre, que usa como referência objetos de brilho intrínseco conhecidos pelos astrônomos, como estrelas chamadas “variáveis cefeidas”) e a “cosmic microwave background” (“radiação cósmica de fundo”). A “escada” é a mais antiga dos dois, e tem sido usada de várias formas desde a detecção inicial da expansão do Universo.

A primeira evidência da expansão do Universo veio de medições pioneiras da distância de objetos tênues semelhantes a nuvens que agora sabemos serem galáxias fora da Via Láctea. O astrônomo americano V.M. Slipher mediu as assinaturas químicas na luz desses objetos. Usando a técnica de espectroscopia para comparar essas assinaturas com as de moléculas conhecidas, ele descobriu que seus comprimentos de onda estavam esticados em comparação com os resultados padrão de laboratório.

Esse alongamento dos comprimentos de onda da luz de outras galáxias, conhecido como “redshift” (“desvio para o vermelho”), é causado pelo efeito Doppler. Esse fenômeno também é responsável pela mudança no tom de uma sirene quando um veículo de emergência se aproxima de nós e depois quando ele passa e se afasta. Em um artigo seminal de 1917, Slipher anunciou que quase todas as galáxias que ele havia observado estavam se afastando da Via Láctea.

Os dados de Slipher seriam usados por Edwin Hubble em seu famoso estudo de 1929 mostrando que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se afasta de nós e, portanto, maior é seu desvio para o vermelho. A razão entre redshift e distância é a constante de Hubble.

A expansão do Universo, no entanto, já havia sido prevista pelos teóricos. No início da década de 1920, Alexander Friedmann e Georges Lemaître perceberam independentemente que a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, então recém-publicada, poderia prever um Universo em expansão, e que as implicações disso seriam redshifts de galáxias que aumentam com a distância.

“Escada de distância”

As galáxias distantes estão sendo arrastadas para longe de nós devido à expansão do Universo. As medições da constante de Hubble dependem da determinação da conexão entre a distância desses objetos e a velocidade com que eles estão se afastando.

Por esse motivo, as unidades de H₀ são convencionalmente “quilômetros por segundo por megaparsec”, referindo-se à velocidade de um objeto a um megaparsec de distância (uma unidade de distância usada pelos astrônomos, equivalente a cerca de 3,26 milhões de anos-luz).

Assim como Slipher fez há um século, as velocidades de recessão podem ser prontamente medidas usando espectroscopia. No entanto, medições precisas da distância das galáxias são notoriamente difíceis, e é aí que entra a escada de distância.

O degrau mais baixo da “escada” representa objetos no céu que estão próximos o suficiente de nós para que possamos usar métodos diretos para medir sua distância, como o método de paralaxe, em que o movimento da Terra ao redor do Sol gera mudanças periódicas na posição angular dos objetos. Os degraus subsequentes representam medições de conjuntos de objetos progressivamente mais distantes.

Estes objetos são escolhidos pela facilidade de medir suas distâncias relativas, mas, como uma régua sem números, sua distância absoluta precisa ser calibrada. Função exercida justamente pelos objetos nos degraus mais baixos da “escada”.

Neste ponto, as cefeidas – estrelas brilhantes e maciças que pulsam – são particularmente úteis como degraus devido à estreita correlação entre seu período de pulsação e brilho, descoberta feita por Henrietta Swan Leavitt em 1908. O degrau mais alto da “escada” geralmente é formado por supernovas do Tipo 1a (explosões que ocorrem quando certas estrelas chegam ao fim de suas vidas), que também foram usadas para fornecer evidências definitivas de que a velocidade de expansão do Universo está aumentando.

Microondas cósmicas

O outro método de medição no centro do debate sobre a constante de Hubble é a radiação cósmica de fundo (CMB). Essa é a “luz” na forma de micro-ondas emitida quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhares de anos, muito antes da formação de estrelas ou planetas. Em vez disso, um plasma quente preenchia todo o espaço, quase perfeitamente uniforme, exceto pelas ondas sonoras que se acredita terem sua origem no Big Bang.

A física do Universo nessa época é surpreendentemente simples, de modo que podemos fazer previsões robustas sobre as propriedades dessas ondas. Quando combinados com medições de precisão, nossos modelos matemáticos nos informam qual era a taxa de expansão do Universo nesse período inicial. E com um modelo para o histórico de expansão subsequente, podemos fazer uma previsão extremamente precisa do H₀.

Agora, vamos dar uma olhada no que cada método encontra para H₀. A medição mais precisa da “escada de distância” vem da equipe científica SH0ES, liderada pelo ganhador do Prêmio Nobel Adam Riess. Sua última medição fornece H₀ = 73,2 km por segundo por megaparsec. Já a medição mais precisa da radiação cósmica de fundo, feita pela equipe do satélite Planck, da Agência Espacial Europeia, é H₀ = 67,4 km por segundo por megaparsec.

Embora essas duas medições estejam dentro de uma faixa de 10% uma da outra, a diferença é enorme em comparação com a precisão em nível de porcentagem de cada medição. Ela também está acima do limite estatístico conhecido como “5 sigma”, convencionalmente considerado pelos cientistas como indicativo de um evento que não se deve puramente ao acaso.

Então, o que poderia estar causando essa grande discrepância entre as duas medições? Um dos culpados poderia ser o fato de o modelo usado para prever o H₀ a partir da CMB estar errado. Talvez um modelo alternativo para o Universo conciliasse a previsão da CMB com a medição da “escada de distância”. Nos últimos anos, houve uma intensa atividade entre os teóricos nesse sentido.

O principal obstáculo é que a evolução do Universo é fortemente limitada por uma série de medições robustas acumuladas ao longo de décadas. Além disso, a medição de H₀ da CMB é corroborada por medições independentes de precisão comparável usando levantamentos de galáxias. A última medição desse tipo da colaboração Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi) fornece H₀ = 68,5 km por segundo por megaparsec, com precisão aproximada de 1% – de acordo com o valor da CMB.

Criatividade

Os teóricos, portanto, tiveram que ser criativos. Uma sugestão é que o Universo muito antigo passou por uma fase repentina de expansão acelerada antes de a CMB ser emitida. Isso fez com que os primeiros átomos se formassem mais cedo do que as expectativas padrão. A ideia é que a medição “padrão” de H₀ da CMB negligenciou esse efeito e inferiu que a constante de Hubble era menor do que realmente é.

O desafio para soluções desse tipo é que elas também devem prever os outros padrões detalhados observados na CMB, que foram medidos com precisão primorosa pelo satélite Planck e outros telescópios.

Outras soluções propostas incluem a existência de campos magnéticos que afetaram a formação dos primeiros átomos, ou até mesmo que a Terra reside em uma parte atípica do Universo que se expandiu de uma forma excepcionalmente grande. Infelizmente, nenhuma das soluções propostas é convincente e capaz de se ajustar a todos os dados e observações disponíveis.

Uma linha de raciocínio alternativa, embora mais prosaica, é que nosso quadro físico do Universo está correto, mas que uma ou mais medições negligenciaram algum efeito observacional. Isso alimentou um intenso questionamento das medições do SH0ES e do Planck, tanto pela comunidade astronômica quanto pelas próprias equipes responsáveis. Até o momento, porém, não foram descobertos erros em nenhuma das análises.

O caminho à frente

Então, qual é o caminho à frente? Algumas técnicas altamente promissoras que utilizam degraus alternativos na “escada de distância” surgiram recentemente como concorrentes da medição SH0ES.

Uma equipe liderada por Wendy Freedman, pioneira americana dos estudos modernos de H₀, usou estrelas específicas que se enquadram em uma categoria conhecida como “ponta do ramo gigante vermelho” (TRGB, na sigla em inglês) para fazer novas calibrações de distâncias de supernovas. Esse método pode evitar as incertezas inerentes ao uso de Cefeidas. Curiosamente, ele fornece H₀ = 69,8 – uma constante entre Planck e SH0ES, embora com incertezas maiores.

Além disso, a equipe de Freedman recentemente encontrou uma discrepância entre as distâncias de galáxias inferidas com as estrelas TRGB e as Cefeidas usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Se corroborada por análises futuras, essa discrepância colocaria a abordagem da “escada de distância” em uma base muito mais incerta.

A qualidade das medições de H₀ inevitavelmente melhorará com os novos dados do JWST, novas amostras de supernovas e técnicas inovadoras, como usando as ondas gravitacionais emitidas pela fusão de buracos negros. Mas ainda não se sabe se esses esforços resolverão a “tensão Hubble” ou a piorarão.

Por enquanto, nossa compreensão do Universo continua a ser prejudicada pela discordância nas medições da sua taxa de expansão. Cem anos após sua concepção, a constante de Hubble continua a nos confundir.

Alex Hall, Royal Society University Research Fellow, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh

_{Este texto foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.}

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