3016: Cientistas continuam a refinar o ritmo de expansão do Universo

CIÊNCIA

A análise da equipa abre caminho para melhores medições, no futuro, usando os telescópios do CTA.
Crédito: Daniel López/IAC

Utilizando tecnologias e técnicas de ponta, uma equipa de astrofísicos da Universidade de Clemson, Carolina do Sul, EUA, acrescentou uma nova abordagem para quantificar uma das leis mais fundamentais do Universo.

Num artigo publicado na passada sexta-feira, dia 8 de Novembro, na revista The Astrophysical Journal, os cientistas Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli e Dieter Hartmann colaboraram com outros seis cientistas espalhados pelo mundo para conceber uma nova medição da Constante de Hubble, a unidade de medida usada para descrever o ritmo de expansão do Universo.

“O objectivo da cosmologia é entender a evolução do nosso Universo – como evoluiu no passado, o que está a fazer agora e o que acontecerá no futuro,” disse Ajello, professor associado no departamento de física e astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade de Clemson. “O nosso conhecimento baseia-se em vários parâmetros – incluindo a Constante de Hubble – que procuramos medir com a maior precisão possível. Neste artigo, a nossa equipa analisou dados obtidos com telescópios espaciais e no solo para obter uma das mais recentes medições de quão rápido o Universo está a expandir-se.”

O conceito de um Universo em expansão foi introduzido pelo astrónomo americano Edwin Hubble (1889-1953), que o Telescópio Espacial Hubble honra com o seu nome. No início do século XX, Hubble tornou-se um dos primeiros astrónomos a deduzir que o Universo era composto por várias galáxias. A sua subsequente pesquisa levou à sua descoberta mais famosa: a de que as galáxias estavam a afastar-se umas das outras a uma velocidade proporcional à sua distância.

Hubble originalmente determinou que este ritmo de expansão rondava os 500 km/s/Mpc (quilómetros por segundo por mega-parsec; um mega-parsec é equivalente a 3,26 milhões de anos-luz). Hubble concluiu que uma galáxia a dois mega-parsecs da Via Láctea estava a afastar-se ao dobro da velocidade de uma galáxia situada a apenas um mega-parsec. Esta estimativa ficou conhecida como a Constante de Hubble, que provou pela primeira vez que o Universo estava a expandir-se. Os astrónomos têm vindo a recalibrá-la desde então – com resultados um tanto ou quanto confusos.

Com a ajuda das tecnologias aeroespaciais, os astrónomos apresentaram medições que diferem significativamente dos cálculos originais de Hubble – diminuindo o ritmo de expansão para o intervalo entre 50 e 100 km/s/Mpc. E, na última década, instrumentos ultra-sofisticados, como o satélite Planck, aumentaram a precisão das medições originais de Hubble de maneira relativamente dramática.

No novo artigo científico, a equipa colaborativa comparou os dados mais recentes da atenuação de raios-gama do Telescópio Espacial de Raios-gama Fermi e dos Telescópios IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) para elaborar as suas estimativas a partir de modelos da luz extra-galática de fundo. Esta nova estratégia levou a uma medição de aproximadamente 67,5 km/s/Mpc.

Os raios-gama são a forma mais energética de luz. A luz extra-galática de fundo (LEF) é uma “neblina” cósmica composta de toda a radiação (ultravioleta, luz visível, infravermelha) emitida pelas estrelas ou pela poeira nas suas proximidades. Quando a LEF e os raios-gama interagem, deixam uma impressão observável – uma perda gradual de fluxo – que os cientistas foram capazes de analisar ao formular a sua hipótese.

“A comunidade astronómica está a investir uma quantidade muito grande de dinheiro e recursos na cosmologia de precisão com todos os diferentes parâmetros, incluindo a Constante de Hubble,” disse Dieter Hartmann, professor de física e astronomia. “A nossa compreensão destas constantes fundamentais definiu o Universo como o conhecemos agora. Quando o nosso conhecimento das leis se torna mais preciso, a nossa definição do Universo também se torna mais precisa, o que leva a novas ideias e descobertas.”

Uma analogia comum da expansão do Universo é um balão pontilhado de pontos, cada ponto representando uma galáxia. Quando o balão incha, os pontos afastam-se cada vez mais uns dos outros.

“Há quem teorize que o balão vai expandir-se até um ponto particular no tempo e que depois volta a colapsar,” explicou Desai, assistente no departamento de física e astronomia. “Mas a ideia mais aceite é a de que o Universo vai continuar a expandir-se até que tudo esteja tão distante que não haverá mais luz observável. Nesse ponto, o Universo sofrerá uma morte fria. Mas isso não é motivo para preocupações. Se tal acontecer, será daqui a biliões de anos.”

Mas se a analogia do balão está correta, o que é que está a fazer com que o balão inche?

“A matéria – as estrelas, os planetas, até nós – é apenas uma pequena fracção da composição geral do Universo,” explicou Ajello. “A grande maioria do Universo é composta por energia escura e matéria escura. E pensamos que é a energia escura que está a ‘inchar o balão’. A energia escura está a afastar os objectos astronómicos uns dos outros. A gravidade, que atrai objectos uns para os outros, é a força mais forte a nível local, razão pela qual algumas galáxias continuam a colidir. Mas a distâncias cósmicas, a energia escura é a força dominante.”

“É incrível estarmos a usar raios-gama para estudar cosmologia. A nossa técnica permite-nos usar uma estratégia independente – uma nova metodologia independente das existentes – para medir propriedades cruciais do Universo,” disse Alberto Dominguez, da Universidade Complutense de Madrid, ex-investigador do grupo de Ajello. “Os nossos resultados mostram a maturidade alcançada ao longo da última década pelo campo relativamente recente da astrofísica de alta energia. A análise que desenvolvemos abre caminho para melhores medições no futuro, usando o CTA (Cherenkov Telescope Array), que ainda está em desenvolvimento e que será a mais ambiciosa rede de telescópios terrestres de alta energia de sempre.”

Muitas das mesmas técnicas utilizadas neste presente trabalho estão relacionadas com trabalhos anteriores realizados por Ajello e colegas. Num projecto anterior, publicado na revista Science, Ajello e a sua equipa foram capazes de medir toda a luz estelar já emitida na história do Universo.

“O que sabemos é que os fotões dos raios-gama de fontes extra-galáticas viajam pelo Universo em direcção à Terra, onde podem ser absorvidos pela interacção com os fotões da luz das estrelas,” explicou Ajello. “O ritmo de interacção depende da distância que viajam. E a distância que viajam depende da expansão. Se a expansão for baixa, viajam uma pequena distância. Se a expansão for grande, percorrem uma distância muito grande. De modo que a quantidade de absorção que medimos depende fortemente do valor da Constante de Hubble. O que fizemos foi ‘voltar isto do avesso’ e usá-la para restringir o ritmo de expansão do Universo.”

Astronomia On-line
12 de Novembro de 2019

 

 

2899: Uma crise cosmológica

CIÊNCIA

Os quasares vistos sob o efeito de lentes gravitacionais: HE0435-1223 (esquerda), PG1115+ 080 (centro) e RXJ1131-1231 (direita).
Crédito: G. Chen, C. Fassnacht, UC Davis

Um grupo de astrónomos liderados pela Universidade da Califórnia em Davis obteve novos dados que sugerem que o Universo está a expandir-se mais rapidamente do que se pensava anteriormente.

O estudo vem no seguimento de um aceso debate sobre a rapidez a que o Universo está a crescer; as medições até agora estão em desacordo.

A nova medição da Constante de Hubble pela equipa, o ritmo de expansão do Universo, envolveu um método diferente. Usaram o Telescópio Espacial Hubble da NASA em combinação com o sistema de ópticas adaptativas do Observatório W. M. Keck para observar três sistemas de lentes gravitacionais. Esta é a primeira vez que a tecnologia de ópticas adaptativas no solo foi usada para obter a Constante de Hubble.

“Quando comecei a trabalhar neste problema há mais de 20 anos, a instrumentação disponível limitava a quantidade de dados úteis que podíamos obter com as observações, disse o co-autor Chris Fassnacht, professor de física da UC Davis. “Neste projecto, estamos pela primeira vez a usar as ópticas adaptativas do Observatório Keck para uma análise completa. Há muitos anos que acho que as observações com ópticas adaptativas podem contribuir muito para este esforço.”

Os resultados da equipa foram publicados na última edição da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Para descartar qualquer viés, a equipa realizou uma análise cega; durante o processamento, mantiveram a resposta final escondida de si próprios até estarem convencidos de que haviam abordado o maior número possível de fontes de erros. Isto impediu-os de fazer ajustes para chegar ao valor “correto”, evitando o viés de confirmação.

“Quando achámos que tínhamos resolvido todos os problemas possíveis com a análise, desvendámos a resposta com a regra de que tínhamos que publicar qualquer valor que encontrássemos, mesmo que fosse um valor ‘maluco’. É sempre um momento tenso e emocionante,” disse o autor principal Geoff Chen, estudante do departamento de física da UC Davis.

O valor revelou-se consistente com as medições da Constante de Hubble obtidas a partir de observações de objectos “locais” próximos da Terra, como super-novas do Tipo Ia ou sistemas com lentes gravitacionais; a equipa de Chen usou estes últimos objectos na sua análise cega.

Os resultados da equipa aumentam as evidências de que há um problema com o modelo padrão da cosmologia, que mostra que o Universo estava a expandir-se muito depressa no início da sua história, que depois a expansão diminuiu devido à atracção gravitacional da matéria escura e agora a expansão está a acelerar novamente devido à energia escura, uma força misteriosa.

Este modelo da história de expansão do Universo é montado usando medições tradicionais da Constante de Hubble, que são obtidas a partir de observações “distantes” do fundo cósmico de micro-ondas – radiação remanescente do Big Bang de quando o Universo começou há 13,8 mil milhões de anos.

Recentemente, muitos grupos começaram a usar várias técnicas e a estudar diferentes partes do Universo para obter a Constante de Hubble e descobriram que o valor obtido das observações “locais” vs. “distantes” discorda.

“E é aqui que reside a crise da cosmologia,” diz Fasnacht. “Embora a Constante de Hubble seja constante em qualquer lugar do espaço num determinado momento, ela não é constante no tempo. Portanto, quando comparamos as Constantes de Hubble obtidas com várias técnicas, comparamos o Universo primitivo (usando observações distantes) com a parte mais moderna do Universo (usando observações locais e próximas).”

Isto sugere que ou há um problema com as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o que a equipa diz ser improvável, ou o modelo padrão cosmológico precisa de ser alterado de alguma forma, usando nova física para corrigir a discrepância.

Metodologia

Usando o sistema de ópticas adaptativas do Observatório Keck com o seu instrumento de segunda geração NIRC2 (Near-Infrared Camera), acoplado ao telescópio Keck II, Chen e a sua equipa obtiveram medições locais de três sistemas bem conhecidos de quasares com lentes gravitacionais: PG1115+ 080, HE0435-1223 e RXJ1131-1231.

Os quasares são galáxias activas extremamente brilhantes, geralmente com jactos massivos alimentados por um buraco negro super-massivo que devora vorazmente o material em seu redor.

Embora os quasares geralmente estejam extremamente longe, os astrónomos são capazes de os detectar usando lentes gravitacionais, um fenómeno que actua como uma lupa natural. Quando uma galáxia suficientemente massiva, mais próxima da Terra, “passa em frente” da luz de um quasar muito mais distante, a galáxia pode agir como uma lente; o seu campo gravitacional distorce o espaço, curvando a luz do quasar de fundo em várias imagens e fazendo com que pareça mais brilhante.

Às vezes, o brilho do quasar pisca, e como cada imagem corresponde a um percurso ligeiramente diferente do quasar até ao telescópio, este piscar aparece em momentos ligeiramente diferentes para cada imagem – nem todos chegam à Terra ao mesmo tempo.

Com HE0435-1223, PG1115+ 080 e RXJ1131-1231, a equipa mediu cuidadosamente esses atrasos de tempo, que são inversamente proporcionais ao valor da Constante de Hubble. Isto permite que os astrónomos descodifiquem a luz destes quasares distantes e recolham informações sobre a expansão do Universo durante o tempo em que a luz viajou até à Terra.

“Um dos ingredientes mais importantes no uso de lentes gravitacionais para medir a Constante de Hubble é a captura de imagens sensíveis e de alta resolução,” disse Chen. “Até agora, as melhores medições da Constante de Hubble baseadas em lentes gravitacionais envolviam todas dados do Telescópio Hubble. Quando revelámos o valor, descobrimos duas coisas. A primeira era que tínhamos valores consistentes com medições anteriores baseadas em dados do Telescópio Espacial Hubble, provando que os dados das ópticas adaptativas podem fornecer uma alternativa poderosa aos dados do Telescópio Hubble no futuro. Em segundo lugar, descobrimos que a combinação dos dados de ópticas adaptativas e do Telescópio Hubble fornece um resultado mais preciso.”

Os próximos passos

Chen e a sua equipa, assim como muitos outros grupos espalhados pelo planeta, estão a fazer mais pesquisas e observações para melhor investigar esta crise cosmológica. Agora que a equipa de Chen provou que o sistema de ópticas adaptativas do Observatório Keck é tão poderoso quanto o Telescópio Espacial Hubble, os astrónomos podem adicionar esta metodologia ao seu conjunto de técnicas para medir a Constante de Hubble.

“Agora podemos testar este método com mais sistemas de quasares com lentes gravitacionais para melhorar a precisão da nossa medição da Constante de Hubble. Talvez isto nos leve a um mais completo modelo cosmológico do Universo,” conclui Fassnacht.

Astronomia On-line
25 de Outubro de 2019

 

2336: Nova medição da constante de Hubble faz crescer mistério da expansão do Universo

Num artigo a ser publicado brevemente, cientistas da Universidade de Chicago anunciam uma nova medição da expansão do Universo usando gigantes vermelhas.
Crédito: Norval Glover

Cientistas da Universidade de Chicago fizeram uma nova medição da rapidez com que o Universo se está a expandir – usando um tipo de estrela totalmente diferente dos empreendimentos anteriores. Este valor cai no centro de uma questão muito debatida em astrofísica que pode exigir um modelo inteiramente novo do Universo.

Os cientistas sabem há quase um século que o Universo está a expandir-se, mas o valor exacto de quão rápido está a crescer teima em manter-se elusivo. Em 2001, a professora Wendy Freedman liderou uma equipa que usou estrelas distantes para fazer uma medição histórica desse valor, de nome constante de Hubble – mas não está de acordo com outra medição importante, e a tensão entre os dois números tem persistido mesmo quando cada lado faz leituras cada vez mais precisas.

Num novo artigo a ser publicado em breve na revista The Astrophysical Journal, Freedman e a sua equipa anunciaram uma nova medição da constante de Hubble usando uma classe estelar conhecida como gigante vermelha. As suas observações, feitas com o Telescópio Espacial Hubble da NASA, indicam que o ritmo de expansão do nosso canto do Universo é ligeiramente inferior a 70 quilómetros por segundo por megaparsec – um pouco menos que a sua medição anterior, mas tal não alivia a tensão.

“A constante de Hubble é o parâmetro cosmológico que define a escala, o tamanho e a idade do Universo; é uma das formas mais directas que temos de quantificar como o Universo evolui,” explicou Freedman, professora de astronomia e astrofísica e astrónoma de renome mundial. “A discrepância que vimos antes ainda não desapareceu, mas esta nova evidência sugere que ainda não se sabe se existe uma razão imediata e convincente para acreditar que há algo fundamentalmente defeituoso no nosso modelo actual do Universo.”

Um número por trás da teoria do Universo

A constante de Hubble, assim chamada em homenagem ao astrónomo pioneiro Edwin Hubble, sustenta tudo no Universo – desde a nossa estimativa de quando o Big Bang teve lugar até à quantidade de matéria escura existente. Ajuda os cientistas a esboçar uma teoria da história e estrutura do Universo; e, inversamente, se existirem falhas nessa teoria, uma medição precisa da constante de Hubble pode ajudar à sua detecção.

Há vinte anos, a equipa do Projecto Chave do Telescópio Espacial Hubble, liderada por Freedman, anunciou que tinha medido o valor usando estrelas distantes chamadas Cefeidas, que pulsam em intervalos regulares. O seu programa concluiu que o valor da constante de Hubble era de 72 km/s/Mpc. À medida que os astrónomos refinavam as suas análises e recolhiam novos dados, esse número permaneceu relativamente estável, em aproximadamente 73 km/s/Mpc.

Mas, mais recentemente, os cientistas adoptaram uma abordagem muito diferente: a construção de um modelo baseado na estrutura ondulante da luz remanescente dos primeiros momentos do Big Bang, chamada Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB – Cosmic Microwave Background). Se corressem um modelo para a frente no tempo, extrapolando os primeiros momentos do Universo, alcançavam um valor de 67 km/s/Mpc. Este desacordo é significativo – quase 10% – e continuou a solidificar-se com o tempo.

Ambos os campos procuraram algo que pudesse estar a causar a incompatibilidade. “Naturalmente, surgem dúvidas sobre se a discrepância está a vir de algum aspecto que os astrónomos ainda não entendem sobre as estrelas que estamos a medir, ou se o nosso modelo cosmológico do Universo ainda está incompleto,” disse Freedman. “Ou talvez ambos precisem de ser melhorados.”

Mapeando as estrelas

Uma parte central do desafio em medir o Universo é que é muito difícil calcular com precisão as distâncias de objectos distantes. A equipa de Freedman analisou originalmente dois tipos de estrelas que possuem características confiáveis que permitem aos astrónomos usá-las em combinação com medições cosmológicas: as super-novas do Tipo Ia, que explodem com um brilho uniforme; e as variáveis Cefeidas, estrelas que pulsam em intervalos regulares que podem ser combinados com os seus picos de brilho. Mas ainda é possível que exista algo sobre as cefeidas que os cientistas ainda não tenham entendido completamente, o que pode estar a introduzir erros.

A equipa de Freedman procurou verificar os seus resultados estabelecendo um caminho novo e inteiramente independente para a constante de Hubble usando um tipo de estrela totalmente diferente.

Certas estrelas terminam as suas vidas como um tipo de estrela muito luminosa chamada gigante vermelha. A certo ponto, a estrela sofre um evento catastrófico chamado flash de hélio, no qual a temperatura sobe para cerca de 100 milhões K e a estrutura da estrela é re-arranjada, o que acaba diminuindo dramaticamente a sua luminosidade (isto acontecerá um dia com o nosso próprio Sol, que também se tornará numa gigante vermelha). Os astrónomos podem ver o ponto onde todas as luminosidades das estrelas caem, e podem usar isso como uma maneira de determinar a distância.

“O princípio é simples,” explicou Freedman. “Imagine que está perto de uma luz da rua e que sabe que esta está a 3 metros de distância. A intervalos regulares, na rua, consegue ver mais postes de luz, luzes estas que ficam progressivamente mais fracas quanto mais longe estiverem. Ao sabermos a distância e quão brilhante a luz está de si, e medindo depois quão mais ténues as luzes mais distantes parecem ser, podemos estimar as distâncias de todas as outras luzes da rua.”

A equipa de Freedman colocou isto em acção usando as câmaras sensíveis do Telescópio Espacial Hubble, em busca dos novos “postes de luz” cósmicos. Ao comparar as luminosidades aparentes das gigantes vermelhas distantes com as próximas que medimos com outros métodos, e combinando estas leituras com aquelas das super-novas do Tipo Ia, Freedman e a sua equipa foram capazes de determinar a distância de cada uma das galáxias hospedeiras.

O próximo passo é simples: a rapidez com que essa galáxia se afasta de nós é o resultado da sua distância vezes a constante de Hubble. Felizmente, a velocidade de uma galáxia é fácil de medir – a luz que vem das galáxias muda dependendo da rapidez com que a galáxia se afasta de nós.

Os seus cálculos forneceram uma constante de Hubble de 69,8 quilómetros por segundo por megaparsec – no meio dos valores previamente determinados.

“O nosso pensamento inicial foi que, se há um problema a ser resolvido entre as cefeidas e o fundo cósmico de micro-ondas, o método da gigante vermelha pode ser o factor de desempate,” disse Freedman.

“O método da gigante vermelha é independente das cefeidas e é incrivelmente preciso. As estrelas usadas são de menor massa, têm diferentes histórias evolutivas e estão localizadas em diferentes regiões de galáxias distantes,” disse Taylor Hoyt, estudante da Universidade de Chicago e co-autor do artigo.

Mas os resultados não parecem favorecer fortemente uma resposta sobre a outra.

“Estamos a trabalhar na fronteira do que é actualmente conhecido sobre cosmologia,” salientou Freedman. “Estes resultados sugerem que ainda não temos a resposta final. O ónus da prova é alto quando as alegações de uma nova física estão presentes, mas é isso que a torna excitante,” disse. “Qualquer que seja a resolução do conflito, é importante. Nós ou confirmamos o nosso modelo padrão da cosmologia, ou aprendemos algo novo sobre o Universo.”

Astronomia On-line
19 de Julho de 2019

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