Os cosmologistas estão enfrentando um grande enigma não resolvido: eles não concordam sobre a velocidade com que o universo está se expandindo, e resolver esse mistério pode apontar para novas físicas. Para verificar possíveis erros ocultos nas medições tradicionais que dependem de marcadores como supernovas, os astrônomos buscam constantemente novas maneiras de rastrear a expansão cósmica. Em trabalhos recentes, pesquisadores, incluindo cientistas da Universidade de Tóquio, mediram o crescimento do universo utilizando novas técnicas e dados de alguns dos telescópios mais avançados disponíveis. Sua abordagem tira proveito do fato de que a luz de objetos extremamente distantes pode viajar até nós por diferentes caminhos. Comparar essas rotas diferentes ajuda a refinar os modelos do que está acontecendo nas maiores escalas do universo, incluindo como o próprio espaço está se esticando.
Quão rápido o universo está se expandindo?
Sabemos que o universo é imenso e está crescendo continuamente. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão pode ser medida. Isso, por sua vez, é 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, objetos a essa distância parecem estar se afastando de nós a cerca de 73 quilômetros por segundo. Em outras palavras, o universo se expande a 73 quilômetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), um valor conhecido como constante de Hubble.
Escadas de distância e uma nova maneira de medir a constante de Hubble
Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora todos dependiam das chamadas escadas de distância. Essas escadas são construídas a partir de objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas estrelas variáveis de Cepheid. Como esses objetos são considerados bem compreendidos, os astrônomos assumem que, mesmo quando observados em outras galáxias, podem ser usados para estimar distâncias com alta precisão. Ao longo de décadas de observações de muitos desses objetos, a faixa permitida para a constante de Hubble se tornou mais estreita. No entanto, sempre houve uma certa incerteza quanto à confiabilidade dessa abordagem, portanto, os cosmologistas estão ansiosos para testar alternativas.
No seu estudo mais recente, uma equipe de astrônomos, incluindo o Professor Assistente do Projeto Kenneth Wong e o pesquisador pós-doutorado Eric Paic do Centro de Pesquisa para o Universo Primitivo da Universidade de Tóquio, demonstrou com sucesso uma técnica chamada cosmografia de atraso no tempo. Eles argumentam que esse método pode reduzir a dependência do campo em escadas de distância e também pode ter aplicações valiosas em outros ramos da cosmologia.
Usando lentes gravitacionais como uma ferramenta de medição cósmica
“Para medir a constante de Hubble usando a cosmografia de atraso no tempo, você precisa de uma galáxia realmente massiva que possa agir como uma lente”, disse Wong. “A gravidade dessa ‘lente’ desvia a luz de objetos que estão ocultos atrás dela ao seu redor, então vemos uma versão distorcida deles. Isso é chamado de lente gravitacional. Se as circunstâncias forem favoráveis, veremos na verdade várias imagens distorcidas, e cada uma delas terá tomado um caminho ligeiramente diferente para chegar até nós, levando diferentes quantidades de tempo. Ao procurar mudanças idênticas nessas imagens que estão ligeiramente fora de sincronia, podemos medir a diferença no tempo que levaram para nos alcançar. Acoplar esses dados com estimativas sobre a distribuição da massa da lente galáctica que as está distorcendo é o que nos permite calcular a aceleração de objetos distantes com mais precisão. A constante de Hubble que medimos está bem dentro das faixas suportadas por outros modos de estimativa.”
A tensão de Hubble: visões conflitantes do universo em expansão
Pode parecer confuso que os pesquisadores invistam tanto esforço para refinar um número que já foi medido muitas vezes. A razão é que esse valor está no centro de como os cientistas reconstroem a história e a evolução do universo, e há uma séria discrepância não resolvida. O valor de 73 km/s/Mpc para a constante de Hubble concorda com as observações de objetos relativamente próximos. No entanto, existem outras maneiras de inferir a taxa de expansão cósmica que analisam períodos muito mais antigos. Um método chave utiliza a radiação que preenche o universo e remonta ao Big Bang, conhecida como fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Quando os cientistas analisam o CMB para estimar a constante de Hubble, eles obtêm um valor mais baixo de 67 km/s/Mpc.
Essa discrepância entre 73 km/s/Mpc e 67 km/s/Mpc é chamada de tensão de Hubble. O trabalho de Wong, Paic e seus colegas ajuda a esclarecer o que pode estar causando essa tensão, em um momento em que ainda não está claro se a discrepância se deve simplesmente a incertezas experimentais ou aponta para algo mais profundo.
A tensão de Hubble aponta para novas físicas?
“Nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações da atualidade e menos consistente com medições do universo primitivo. Isso é uma evidência de que a tensão de Hubble pode, de fato, surgir de física real e não apenas de alguma fonte desconhecida de erro nos diversos métodos”, disse Wong. “Nossa medição é completamente independente de outros métodos, tanto do universo primitivo quanto do tardio, então, se houver incertezas sistemáticas nesses métodos, não devemos ser afetados por elas.”
“O foco principal deste trabalho foi melhorar nossa metodologia, e agora precisamos aumentar o tamanho da amostra para melhorar a precisão e resolver decisivamente a tensão de Hubble”, disse Paic. “No momento, nossa precisão está em torno de 4,5%, e para realmente definir a constante de Hubble a um nível que confirmaria definitivamente a tensão de Hubble, precisamos chegar a uma precisão de cerca de 1-2%.”
Mais lentes, mais quasares e maior precisão
Os pesquisadores estão otimistas de que podem alcançar esse nível mais alto de precisão. No estudo atual, eles analisaram oito sistemas de lentes de atraso no tempo. Cada sistema contém uma galáxia em primeiro plano que atua como uma lente e bloqueia nossa visão direta de um quasar distante (um buraco negro supermassivo que está acumulando gás e poeira, fazendo com que brilhe intensamente). Eles também incorporaram novas observações de observatórios espaciais e terrestres de ponta, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. A perspectiva é que a equipe planeja expandir o número de sistemas de lentes que estudam, refinar suas medições e identificar ou eliminar cuidadosamente quaisquer fontes sistemáticas restantes de erro.
Incertezas na distribuição de massa e um esforço global em cosmologia
“Uma das maiores fontes de incerteza é o fato de que não sabemos exatamente como a massa nas galáxias de lente está distribuída. Geralmente se assume que a massa segue algum perfil simples que é consistente com observações, mas é difícil ter certeza disso, e essa incerteza pode influenciar diretamente os valores que calculamos”, disse Wong. “A tensão de Hubble é importante, pois pode apontar para uma nova era na cosmologia que revela novas físicas. Nosso projeto é o resultado de uma colaboração de décadas entre vários observatórios e pesquisadores independentes, destacando a importância da colaboração internacional na ciência.”
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (subvenções 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), pela Max Planck Society (bolsa Max Planck), pela Deutsche Forschungsgemeinschaft sob a Estratégia de Excelência da Alemanha (EXC-2094, 390783311), pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA (subvenções NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), pela Moore Foundation (subvenção 8548) e pela JSPS KAKENHI (números de subvenção JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).