769: HUBBLE E GAIA UNEM FORÇAS PARA ALIMENTAR ENIGMA CÓSMICO

Usando dois dos mais poderosos telescópios espaciais – o Hubble da NASA e o Gaia da ESA – os astrónomos fizeram as medições mais precisas, até à data, da velocidade de expansão do Universo. Este valor é calculado determinando as distâncias entre galáxias próximas usando um tipo especial de estrela chamada variáveis Cefeidas como réguas cósmicas. Através da comparação do seu brilho intrínseco, medido pelo Hubble, com o brilho aparente visto da Terra, os cientistas podem calcular as suas distâncias. O Gaia refina ainda mais esta régua medindo geometricamente as distâncias às variáveis Cefeidas dentro da nossa Galáxia, a Via Láctea. Isto permite com que os astrónomos calibrem com mais precisão as distâncias às Cefeidas noutras galáxias.
Crédito: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

Usando o poder e a sinergia de dois telescópios espaciais, os astrónomos fizeram a medição mais precisa até à data da expansão do Universo.

Os resultados alimentam ainda mais a incompatibilidade entre as medições da expansão do Universo próximo e as do Universo distante – antes mesmo de existirem estrelas e galáxias.

Esta chamada “tensão” implica que poderá haver nova física subjacente às fundações do Universo. As possibilidades incluem a força da interacção da matéria escura, a energia escura sendo ainda mais exótica do que se pensava anteriormente, ou uma nova partícula desconhecida na tapeçaria do espaço.

Combinando observações do Telescópio Espacial Hubble da NASA e do observatório Gaia da ESA, os astrónomos refinaram ainda mais o valor anteriores da constante de Hubble, o ritmo a que o Universo se expande desde o Big Bang há 13,8 mil milhões de anos.

Mas à medida que as medições se tornam mais precisas, a determinação da constante de Hubble pela equipa tornou-se cada vez mais desfasada da de outro observatório espacial, a missão Planck da ESA, que apresenta um valor previsto diferente para a constante de Hubble.

O Planck mapeou o universo primitivo como este aparecia apenas 360.000 anos após o Big Bang. Todo o céu está impresso com a assinatura do Big Bang codificada em micro-ondas. O Planck mediu os tamanhos das ondulações nesta radiação cósmica de fundo em micro-ondas produzida por pequenas irregularidades no Big Bang. Os detalhes refinados dessas ondulações codificam quanta matéria escura e matéria comum existe, a trajectória do universo naquela época e outros parâmetros cosmológicos.

Essas medições, ainda em avaliação, permitem aos cientistas prever como o Universo inicial teria evoluído para a expansão que podemos medir hoje. No entanto, essas previsões não correspondem às novas medições do nosso Universo próximo e contemporâneo.

“Com a adição dos novos dados do Gaia e do Telescópio Espacial Hubble, temos agora uma séria tensão com os dados da radiação cósmica de fundo em micro-ondas,” afirma George Efstathiou, membro da equipa do Planck e analista pertencente ao Instituto Kavli para Cosmologia em Cambridge, Inglaterra, que não esteve envolvido no novo trabalho.

“A tensão parece ter-se transformado numa incompatibilidade total entre os nossos pontos de vista do Universo inicial e do actual,” comenta o líder da equipa e prémio Nobel Adam Riess, do STScI (Space Telescope Science Institute) e da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland. “Neste ponto, claramente não é apenas um erro grosseiro em qualquer das medições. É como se prevíssemos a altura de uma criança a partir de um gráfico de crescimento e depois descobríssemos que o adulto se havia tornado muito mais alto. Estamos muito perplexos.”

Em 2005, Riess e os membros da equipa SHOES (Super-nova H0 for the Equation of State) decidiram medir a expansão do Universo com uma precisão sem precedentes. Nos anos seguintes, ao refinarem as suas técnicas, esta equipa reduziu a incerteza da expansão até valores nunca antes alcançados. Agora, com o poder combinado do Hubble e do Gaia, reduziram essa incerteza até apenas 2,2%.

Dado que a constante de Hubble é necessária para estimar a idade do Universo, a resposta há muito procurada é um dos números mais importantes da cosmologia. Tem o nome do astrónomo Edwin Hubble, que há quase um século atrás descobriu que o Universo estava a expandir-se uniformemente em todas as direcções – um achado que deu origem à cosmologia moderna.

As galáxias parecem recuar da Terra proporcionalmente às suas distâncias, o que significa que quanto mais longe estão, mais rapidamente parecem estar a afastar-se. Esta é uma consequência da expansão do Universo e não um valor real da velocidade espacial. Ao medir o valor da constante de Hubble ao longo do tempo, os astrónomos podem construir uma imagem da nossa evolução cósmica, inferir a composição do Universo e descobrir pistas sobre o seu destino final.

Os dois principais métodos de medir este número fornecem resultados incompatíveis. Um método é o directo, a construção de uma “escada de distâncias cósmicas” a partir de medições de estrelas no nosso Universo local. O outro método usa a radiação cósmica de fundo em micro-ondas para medir a trajectória do Universo após o Big Bang e depois usa a física para descrever o Universo e para extrapolar a actual velocidade de expansão. Juntas, as medições devem fornecer um teste total do nosso conhecimento básico do chamado “Modelo Padrão” do Universo. No entanto, as peças não encaixam.

Usando o Hubble e dados recém-divulgados do Gaia, a equipa de Riess determinou que o actual ritmo de expansão é 73,5 km por segundo por megaparsec. Isto significa que por cada 3,3 milhões de anos-luz que uma galáxia está mais longe de nós, parece mover-se 73,5 km/s mais depressa. No entanto, os resultados do Planck prevêem que o Universo devia estar a expandir-se a apenas 67,0 km/s/Mpc. À medida que as medições das equipas se tornam cada vez mais precisas, o abismo entre elas continua a aumentar e agora é cerca de quatro vezes maior do que a sua incerteza combinada.

Ao longo dos anos, a equipa de Riess refinou o valor da constante de Hubble através da simplificação e fortalecimento da “escada de distâncias cósmicas”, usada para medir distâncias precisas de galáxias próximas e distantes. Eles compararam essas distâncias com a expansão do espaço, medida pelo esticamento da luz de galáxias próximas. Usando a velocidade aparente exterior a cada distância, calcularam a constante de Hubble.

Para medir as distâncias entre galáxias próximas, a sua equipa usou um tipo especial de estrela como “régua” cósmica. Estas estrelas pulsantes, chamadas Variáveis Cefeidas, aumentam e diminuem de brilho a ritmos que correspondem ao seu brilho intrínseco. Ao comparar o brilho intrínseco com o seu brilho aparente visto da Terra, os cientistas podem calcular as suas distâncias.

O Gaia refinou ainda mais este parâmetro, medindo geometricamente a distância de 50 Cefeidas na Via Láctea. Essas medições foram combinadas com medições precisas dos seus brilhos pelo Hubble. Isto permitiu que os astrónomos calibrassem com mais precisão as Cefeidas e depois usassem aquelas vistas para lá da Via Láctea como marcadores.

“Quando usamos Cefeidas, precisamos da distância e do brilho,” explicou Riess. O Hubble forneceu a informação do brilho e o Gaia forneceu a informação de paralaxe necessária para determinar com precisão as distâncias. A paralaxe é a aparente mudança na posição de um objecto devido a uma mudança no ponto de vista do observador. Os gregos antigos usaram esta técnica para medir a distância da Terra à Lua.

“O Hubble é realmente incrível como um observatório de propósito geral, mas o Gaia é o novo padrão de ouro para calibrar a distância. Foi construído especificamente para medir a paralaxe,” acrescentou Stefano Casertano do STScI e membro do SHOES. “O Gaia dá-nos uma nova capacidade de recalibrar todas as medidas passadas de distância, e parece confirmar o nosso trabalho anterior. Nós obtemos o mesmo valor para a constante de Hubble se substituirmos todas as calibrações anteriores da escada de distância cósmica apenas com as paralaxes do Gaia. É um cruzamento entre dois observatórios muito poderosos e precisos.”

O objectivo da equipa de Riess é trabalhar com o Gaia para atravessar o limite de refinar a constante de Hubble para um valor de apenas 1% no início da década de 2020. Entretanto, os astrofísicos vão provavelmente a continuar a lutar para revisitar as suas ideias sobre a física do Universo primitivo.

Os resultados mais recentes da equipa de Riess foram publicados na edição de 12 de Julho da revista The Astrophysical Journal.

Astronomia on-line
17 de Julho de 2018

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