3554: Expansão do Universo pode não ser uniforme

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Um mapa que mostra o ritmo de expansão do Universo em diferentes direcções do céu com base em dados do XMM-Newton da ESA, do Chandra da NASA e dos observatórios de raios-X ROSAT liderados pela Alemanha.
O mapa mostra todo o céu no sistema de coordenadas galáctico, com o centro da nossa própria Galáxia, a Via Láctea, localizado no centro do mapa, e o plano da galáxia – onde residem a maior parte das estrelas – orientado horizontalmente no mapa (note que as estrelas da Via Láctea não estão no mapa). O ritmo da expansão do Universo, indicado em termos da chamada constante de Hubble, é visto em diferentes cores, com tons roxos indicando um ritmo mais lento e os tons laranja/amarelo indicando um ritmo mais rápido.
Crédito: K. Migkas et al. 2020

Os astrónomos assumem há décadas que o Universo está a expandir-se ao mesmo ritmo em todas as direcções. Um novo estudo com base em dados do XMM-Newton da ESA, do Chandra da NASA e dos observatórios de raios-X ROSAT liderados pela Alemanha sugere que esta premissa chave da cosmologia pode estar errada.

Konstantinos Migkas, investigador doutorado em astronomia e astrofísica da Universidade de Bona, Alemanha, e seu supervisor Thomas Reiprich, propuseram-se originalmente a verificar um novo método que permitiria aos astrónomos testar a chamada hipótese de isotropia. De acordo com esta suposição, o Universo possui, apesar de algumas diferenças locais, as mesmas propriedades em cada direcção a larga escala.

Amplamente aceite como uma consequência da bem estabelecida física fundamental, a hipótese tem sido suportada por observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Remanescente directo do Big Bang, esta radiação cósmica de fundo em micro-ondas reflete o estado do Universo na sua infância, com apenas 380.000 anos de idade. A sua distribuição uniforme no céu sugere que naqueles primeiros dias o Universo devia estar a expandir-se rapidamente e ao mesmo ritmo em todas as direcções.

No entanto, no Universo de hoje, isso pode já não ser verdade.

“Juntamente com colegas da Universidade de Bona e da Universidade de Harvard, analisámos o comportamento de mais de 800 enxames de galáxias no Universo actual,” diz Konstantinos. “Se a hipótese de isotropia estivesse correta, as propriedades dos enxames seriam uniformes no céu. Mas na verdade vimos diferenças significativas.”

Os astrónomos usaram medições de temperatura em raios-X do gás extremamente quente que permeia os enxames e compararam os dados com a sua luminosidade no céu. Os enxames da mesma temperatura e localizados a uma distância semelhante devem aparecer igualmente brilhantes. Mas não foi isso que os astrónomos observaram.

“Vimos que os enxames com as mesmas propriedades, com temperaturas idênticas, pareciam menos brilhantes do que o esperado numa direcção do céu, e mais brilhantes do que o esperado noutra direcção,” diz Thomas. “A diferença foi bastante significativa, em torno de 30%. Estas diferenças não são aleatórias, mas têm um padrão claro, dependendo da direcção em que observamos o céu.”

Antes de desafiar o modelo cosmológico amplamente aceite, que fornece a base para estimar as distâncias dos enxames, Konstantinos e colegas examinaram primeiro outras explicações possíveis. Talvez existam nuvens de poeira ou gás por detectar obscurecendo a vista e fazendo com que os enxames de uma determinada área pareçam mais escuros. Os dados, no entanto, não suportam este cenário.

Em algumas regiões do espaço, a distribuição de enxames pode ser afectada por fluxos em massa, movimentos de matéria a larga escala provocados pela atracção gravitacional de estruturas extremamente massivas, como grandes grupos de enxames. Esta hipótese, no entanto, também parece improvável. Konstantinos acrescenta que as descobertas surpreenderam a equipa.

“Caso o Universo seja realmente aniso-trópico, mesmo que apenas nos últimos milhares de milhões de anos, isso significará uma enorme mudança de paradigma, porque a direcção de cada objecto teria que ser levada em consideração na análise das suas propriedades,” explica. “Por exemplo, hoje, estimamos a distância de objectos muito distantes no Universo aplicando um conjunto de equações e parâmetros cosmológicos. Pensamos que estes parâmetros são os mesmos em todos os lugares. Mas se as nossas conclusões estiverem corretas, não seria esse o caso e teríamos que rever todas nossas conclusões anteriores.”

“Este é um resultado extremamente fascinante,” comenta Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “Estudos anteriores sugeriram que o Universo actual pode não estar a expandir-se uniformemente em todas as direcções, mas este resultado – a primeira vez que tal teste foi realizado com enxames galácticos em raios-X – tem um significado muito maior e também revela um grande potencial para investigações futuras.”

Os cientistas especulam que este efeito possivelmente desigual na expansão cósmica possa ser causado pela energia escura, o componente misterioso do cosmos que representa a maioria – cerca de 69% – da sua energia total. Actualmente sabemos muito pouco sobre a energia escura, à excepção que parece ter acelerado a expansão do Universo ao longo dos últimos milhares de milhões de anos.

O próximo telescópio da ESA, Euclid, que está desenhado para observar milhares de milhões de galáxias e examinar a expansão do cosmos, a sua aceleração e a natureza da energia escura, pode ajudar a resolver este mistério no futuro.

“As descobertas são realmente interessantes mas a amostra incluída no estudo é ainda relativamente pequena para tirar conclusões tão profundas,” diz René Laureijs, cientista do projecto Euclid na ESA. “É o melhor que se pode fazer com os dados disponíveis, mas se realmente quisermos repensar o modelo cosmológico amplamente aceite, precisamos de mais dados.”

E o Euclid poderá fazer exactamente isso. A nave, com lançamento previsto para 2022, poderá não encontrar somente evidências de que a energia escura está realmente a esticar o Universo de maneira desigual em direcções diferentes, como também permitirá que os cientistas recolham mais dados sobre as propriedades de uma grande quantidade de enxames de galáxias, o que pode apoiar ou refutar as descobertas actuais.

Em breve, mais dados virão também do instrumento eROSITA de raios-X, construído pelo Instituto Max Planck para Física Extraterrestre. O instrumento, a bordo do recém-lançado satélite russo-alemão Spektr-RG, realizará o primeiro levantamento de todo o céu em raios-X de média energia, com foco na descoberta de dezenas de milhares de enxames de galáxias e de núcleos galácticos activos.

Astronomia On-line
14 de Abril de 2020

 

spacenews

 

“Lupas” cósmicas fornecem medição da expansão do Universo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Cada uma destas imagens obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble revela quatro imagens distorcidas de um quasar de fundo em redor do núcleo central de uma galáxia massiva no plano da frente.
As múltiplas imagens do quasar foram produzidas pela gravidade da galáxia no plano da frente, que actua como uma lupa cósmica distorcendo a luz do quasar num efeito chamado lente gravitacional. Os quasares são “holofotes” cósmicos distantes produzidos por buracos negros activos.
As imagens do Hubble foram obtidas entre 2003 e 2004 com o instrumento ACS (Advanced Camera for Surveys).
Crédito: NASA, ESA, S. H. Suyu (Instituto Max Planck para Astrofísica, Universidade Técnica de Munique e Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica) e K. C. Wong (Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio)

Uma equipa de astrónomos usou o Telescópio Espacial Hubble para medir o ritmo de expansão do Universo usando uma técnica que é completamente independente de qualquer método anterior.

A determinação do valor exacto da rapidez com que o Universo se expande é importante para a determinação da idade, tamanho e destino do cosmos. Resolver este mistério tem sido um dos maiores desafios da astrofísica dos últimos anos. O novo estudo acrescenta evidências à ideia de que novas teorias podem ser necessárias para explicar o que os cientistas estão a descobrir.

O resultado dos cientistas reforça ainda mais uma discrepância preocupante entre o ritmo de expansão, de nome Constante de Hubble, calculada a partir de medições do Universo local e o ritmo previsto pela radiação de fundo no Universo inicial, um tempo antes da existência das estrelas e galáxias.

Este valor mais recente representa a medição mais precisa, até ao momento, usando o método de lentes gravitacionais, em que a gravidade de uma galáxia em primeiro plano actua como uma lupa gigante, ampliando e distorcendo a luz de objectos de fundo. Este estudo mais recente não se baseou na técnica tradicional da “escada de distâncias cósmicas” para medir distâncias precisas de galáxias usando vários tipos de estrelas como “marcadores”. Em vez disso, os investigadores empregaram a física exótica das lentes gravitacionais para calcular o ritmo de expansão do Universo.

A equipa de astronomia que fez as novas medições da Constante de Hubble chama-se H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring). COSMOSGRAIL é o acrónimo de “Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses”, um grande projeto internacional cujo objectivo é monitorizar lentes gravitacionais. “Wellspring” refere-se ao suprimento abundante de sistemas de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais.

A equipa de investigação derivou o valor H0LiCOW para a Constante de Hubble por meio de técnicas de observação e análise que têm sido bastante refinadas ao longo das últimas duas décadas.

H0LiCOW e outras medições recentes sugerem uma expansão mais rápida no Universo local do que o esperado, com base em observações do satélite Planck da ESA de como o cosmos se comportou há mais de 13 mil milhões de anos.

A diferença entre os dois valores tem importantes contribuições para a compreensão dos parâmetros físicos subjacentes do Universo e pode exigir nova física para explicar a incompatibilidade.

“Se estes resultados não estiverem de acordo, pode ser uma dica de que ainda não entendemos completamente como a matéria e a energia evoluíram ao longo do tempo, principalmente no início do Universo,” disse Sherry Suyu, líder da equipa H0LiCOW, do Instituto Max Planck para Astrofísica na Alemanha, da Universidade Técnica de Munique e do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica em Taipei, Taiwan.

A equipa H0LiCOW usou o Hubble para observar a luz de seis quasares distantes, os brilhantes “holofotes” de gás que orbitam buracos negros super-massivos no centro de galáxias. Os quasares são objectos de fundo ideais por vários motivos: por exemplo, são brilhantes, extremamente distantes e estão espalhados por todo o céu. O telescópio observou como a luz de cada quasar era multiplicada em quatro imagens pela gravidade de uma galáxia massiva em primeiro plano. As galáxias estudadas estão entre 3 mil milhões e 6,5 mil milhões de anos-luz. A distância média dos quasares é de 5,5 mil milhões de anos-luz da Terra.

A luz de cada imagem quasar com efeito de lente gravitacional segue um caminho ligeiramente diferente através do espaço até alcançar a Terra. A dimensão deste percurso depende da quantidade de matéria que distorce o espaço ao longo da linha de visão até ao quasar. Para traçar cada caminho, os astrónomos monitorizam a oscilação da luz do quasar à medida que o seu buraco negro devora material. Quando a luz pisca, cada imagem na lente aumenta de brilho a diferentes momentos.

Esta sequência de oscilação na luz permite que os investigadores meçam os atrasos entre cada imagem à medida que viaja ao longo do seu caminho até à Terra. Para entender completamente estes atrasos, a equipa primeiro usou o Hubble para fazer mapas precisos da distribuição da matéria em cada galáxia. Os astrónomos depois puderam deduzir com confiança as distâncias de cada galáxia ao quasar, e da Terra à galáxia e ao quasar de fundo. Ao comparar estes valores de distância, os investigadores mediram o ritmo de expansão do Universo.

“A duração de cada atraso indica a rapidez com que o Universo se expande,” disse Kenneth Wong, membro da equipa e do Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio, autor principal do artigo mais recente da colaboração H0LiCOW. “Se os atrasos forem mais curtos, então o Universo está a expandir-se mais depressa. Se forem mais longos, então o ritmo de expansão é mais lento.”

O processo de atraso no tempo é análogo a quatro comboios que deixam a mesma estação exactamente ao mesmo tempo e que viajam à mesma velocidade para chegar ao mesmo destino. No entanto, cada um dos comboios chega ao destino em tempos diferentes. Isto porque cada comboio segue um caminho diferente e a distância de cada percurso não é a mesma. Alguns comboios viajam por colinas. Outros por vales, e outros contornam montanhas. A partir dos vários tempos de chegada, podemos inferir que cada comboio viajou uma distância diferente para chegar à mesma estação. Da mesma forma, o padrão de oscilação não aparece ao mesmo tempo porque parte da luz é “atrasada” ao viajar por curvas criadas pela gravidade da matéria densa na galáxia interveniente.

Os investigadores calcularam um valor da Constante de Hubble de 73 quilómetros por segundo por mega-parsec (com 2,4% de incerteza). Isto significa que a cada 3,3 milhões de anos-luz adicionais que uma galáxia está da Terra, esta parece estar a mover-se 73 km por segundo mais depressa, devido à expansão do Universo.

A medição da equipa também se aproxima do valor de 74 da Constante de Hubble calculado pela equipa SH0ES (Super-nova H0 for the Equation of State), que usou a técnica da escada de distâncias cósmicas. A medição da equipa SH0ES baseia-se na medição das distâncias de galáxias perto e longe da Terra usando variáveis Cefeidas e super-novas como marcadores para as galáxias.

Os valores das equipas SH0ES e H0LiCOW diferem significativamente do número 67 do Planck, fortalecendo a tensão nas medições da Constante de Hubble no Universo moderno e no valor previsto com base nas observações do Universo primitivo.

“Um dos desafios que superámos foi a criação de programas de monitorização dedicados, através do COSMOGRAIL, para obter os tempos de vários destes sistemas de lentes,” disse Frédéric Courbin, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, líder do projecto COSMOGRAIL.

Suyu acrescentou: “Ao mesmo tempo, foram desenvolvidas novas técnicas de modelagem de massa a fim de medir a distribuição de matéria numa galáxia, incluindo modelos que desenhámos para fazer uso das imagens de alta resolução do Hubble. As imagens permitiram-nos reconstruir, por exemplo, as galáxias que hospedam os quasares. Estas imagens, juntamente com imagens adicionais de campo mais amplo obtidas com telescópios terrestres, também nos permitem caracterizar o ambiente do sistema de lentes, que afecta a curvatura da luz. As novas técnicas de modelagem de massa, em combinação com os atrasos no tempo, ajudam-nos a medir com precisão as distâncias das galáxias.”

Com início em 2012, a equipa H0LiCOW possui agora imagens do Hubble e informações de atraso de tempo para 10 quasares sobre o efeito de lentes gravitacionais e galáxias intervenientes. A equipa vai continuar a procurar e a seguir novos quasares em colaboração com investigadores de dois novos programas. Um deles, de nome STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), está a procurar novos sistemas de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais. O segundo, chamado SHARP (Strong-lensing at High Angular Resolution Program), usa ópticas adaptativas com os telescópios Keck para obter imagens desses sistemas de lentes gravitacionais. O objectivo da equipa é observar mais 30 sistemas de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais e assim reduzir a incerteza de 2,4% para 1%.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para o próximo ano, poderá ajudá-los a atingir a meta de 1% de incerteza muito mais depressa graças à sua capacidade em mapear as velocidades das estrelas numa galáxia que actua como lente gravitacional, o que permitirá aos astrónomos desenvolver modelos mais precisos da distribuição de matéria escura numa galáxia.

O trabalho da equipa H0LiCOW também abre caminho para o estudo de centenas de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais que os astrónomos estão a descobrir graças a levantamentos como o DES (Dark Energy Survey) ou PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), e com o futuro LSST (Large Synoptic Survey Telescope) da NSF (National Science Foundation), que deverá descobrir milhares de fontes adicionais.

Além disso, o WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) da NASA vai ajudar os astrónomos a resolver o desacordo no valor da Constante de Hubble, rastreando a história da expansão do Universo. A missão também vai usar várias técnicas, como a amostragem de milhares de super-novas e outros objectos a várias distâncias, para ajudar a determinar se a discrepância é resultado de erros de medição, técnicas observacionais, ou se os astrónomos precisam de ajustar a teoria a partir da qual derivam as suas previsões.

A equipa apresentou os seus resultados na 235.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Honolulu, Hawaii.

Astronomia On-line
17 de Janeiro de 2020

spacenews

 

2946: Crise na Cosmologia. O Universo está a expandir-se muito mais rápido do que pensávamos

CIÊNCIA

(dr) Colaboração TNG Uma simulação de computador da distribuição da matéria no Universo

O Universo está a expandir-se muito mais rápido do que os cientistas previam e a criar uma verdadeira “crise na Cosmologia”. O motivo por trás desta expansão ainda é um mistério.

Uma equipa de cientistas confirmou este problema ao analisar os dados recolhidos através de uma nova tecnologia de telescópio que depende de espelhos que mudam de forma.

De acordo com o artigo científico, publicado recentemente no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, as medições precisas da taxa na qual o Universo se está a expandir não correspondem ao modelo padrão que os cientistas têm usado há décadas.

“É aqui que reside a crise da Cosmologia”, constatou Chris Fassnacht, astrofísico e co-autor do estudo, num comunicado à imprensa e citado pelo Science Alert. Estudos científicos publicados no início deste ano chegaram a conclusões semelhantes.

“Esta incompatibilidade tem crescido e chegou agora a um ponto impossível de ser descartado. A disparidade não poderia ocorrer apenas por acaso“, frisou Adam Riess, cientista vencedor do Prémio Nobel, acrescentando que estas descobertas “podem ser o desenvolvimento mais emocionante da Cosmologia das últimas décadas”.

O mistério da constante Hubble

O Universo está constantemente a crescer. Durante várias décadas, os cientistas tentaram medir a rapidez desse crescimento – um número que ficou conhecido como constante de Hubble.

Os cientistas reúnem a história do Universo através do estudo do brilho da radiação que resta do Big Bang, chamado de fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Quando analisam o CMB, os investigadores olham para o passado, para uma luz que viaja a uma velocidade constante.

Com base nessas observações, os cientistas descobriram que, após o Big Bang, o Universo expandiu-se muito rapidamente, e que essa expansão diminuiu à medida que a gravidade da matéria escura recuou. Mas, recentemente, os cientistas encontraram um problema.

As medidas do Universo contemporâneo mostram que se está a expandir muito mais rápido do que aquilo que o modelo padrão prevê. O estudo de Riess, de Abril deste ano, descobriu que o Universo se está a expandir 9% mais rápido do que o previsto pelos cálculos baseados no CMB.

Se estes valores não batem certo, torna-se muito claro que falta uma peça neste puzzle.

Afinal, o Universo é mais novo do que pensávamos

Volvidos mais de 10 mil milhões de anos após a sua formação, o Universo parece ter ainda muito por contar….

Nova tecnologia confirma dilema

Para o mais recente estudo, os cientistas usaram um sistema de espelhos de ponta no telescópio Keck Observatory, no Havai. O dispositivo usa espelhos flexíveis que podem corrigir distorções causadas pela atmosfera da Terra e tornar imagens de objectos no céu extremamente nítidas.

A equipa apontou o telescópio para três sistemas de galáxias brilhantes e altamente activas – chamados quasares – e estudaram-nas com base num processo chamado lente gravitacional, que mede a maneira como a luz é curvada à medida que viaja em orno de objectivos maciços no seu caminho em direcção à Terra.

Um objecto massivo distorce a luz em várias direcções, e isso permite que os cientistas consigam observar versões diferentes e distorcidas do mesmo quasar. Assim, a equipa pode comparar essas imagens de modo a calcular quanto tempo a luz de um quasar demora a chegar até nós, e, desta forma, recolher informações sobre quanto é que o Universo se expandiu durante esse tempo de viagem.

G Chen / C Fassnacht / UC Davs
O sistema quasar

Os novos resultados mostraram, tal como os estudos anteriormente publicados, que o Universo está a expandir mais rápido do que o que o modelo padrão prevê. “Uma diferença na constante de Hubble entre o Universo inicial e o tardio significa que falta algo no nosso modelo padrão actual”, concluiu a astrofísica Sherry Suyu, em comunicado.

A cientista coloca ainda uma hipótese em cima da mesa: “poderia ser uma energia escura exótica, ou uma nova partícula relativista, ou alguma outra nova física ainda por descobrir”.

Os cientistas ainda não sabem qual é a peça que falta neste puzzle, mas há quem culpe a matéria escura, a força invisível e misteriosa que poderia ter acelerado a expansão ao empurrar e sobrecarregar a sua gravidade.

Pode ser que a nova tecnologia de telescópio com base em espelhos nos leve a um modelo cosmológico mais completo do Universo. Até lá, os cientistas prometem não desistir de desvendar este mistério.

ZAP //

Por ZAP
2 Novembro, 2019

 

2900: 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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Cientistas portugueses propõem solução para dois “problemas” do Universo

CIÊNCIA

Um estudo realizado por investigadores da Universidade de Aveiro concluiu que as partículas que terão sido responsáveis por um período acelerado de expansão no início do Universo, os ‘inflatões’, podem constituir a ‘matéria escura’ que existe nas galáxias.

João Rosa é investigador do Departamento de Física e do Centro de Investigação e Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da Universidade de Aveiro
© Direitos reservados

João Rosa, investigador do Departamento de Física e do Centro de Investigação e Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da Universidade de Aveiro, disse à Lusa que a investigação, publicada recentemente na revista Physical Review Letters , propõe “soluções para dois grandes problemas em aberto” na área da cosmologia: a inflação do universo e a ‘matéria escura’.

Segundo o investigador, a teoria da inflação, proposta em 1981 pelo físico americano Alan Guth, avança que nas “primeiras fracções de segundos” após o Big Bang, o Universo teve uma “expansão acelerada”.

“A expansão do Universo só pode ser acelerada se o Universo tiver matéria num estado diferente da matéria que nós conhecemos hoje como os protões e os electrões”, afirmou João Rosa, acrescentando que a teoria da inflação propõe assim “a existência de novas partículas elementares”, denominadas pelos investigadores como ‘inflatões’.

Por sua vez, a origem da ‘matéria escura’, designação dada pelos especialistas a “partículas que não emitem luz” existentes nas galáxias e que exercem força gravitacional sobre a matéria luminosa (estrelas), permanece desconhecida.

“Temos aqui dois problemas que indicam a existência de novas partículas. É quase uma questão natural que se coloca: Será que estas partículas que são precisas para originar esta inflação, podem ser as mesmas partículas que hoje inferimos como sendo a ‘matéria escura’?”, inquiriu o investigador.

Apesar desta “nem sempre ser uma ligação óbvia”, uma vez que os modelos convencionais apontam que depois da explosão inicial do Universo existiu um arrefecimento e que os ‘inflatões’ se transformaram em outras partículas após a inflação (teoria da inflação fria), a investigação coordenada por João Rosa concluiu que os ‘inflatões’ “não se transformaram” e que acabaram por ser “uma fonte de calor” para o Universo.

“Nos modelos de inflação quente, como o próprio nome indica, não há este arrefecimento porque os inflatões estão num estado de energia muito grande, mas conseguem transferir lentamente uma pequena parte da sua energia para o resto do Universo e mantê-lo quente, como se fossem uma fonte de calor permanente”, sublinhou.

Segundo o modelo teórico desenvolvido pelos investigadores, os ‘inflatões’, que “sobreviveram desde a inflação até aos dias de hoje”, não emitem luz e são “extremamente frios”, uma vez que perderam a sua energia ao manter o Universo quente.

À Lusa, João Rosa adiantou que a equipa da UA vai continuar a “procurar modelos teóricos que possam explicar diferentes questões que permanecem em aberto”, esperando que a proposta apresentada “possa ser tida em consideração” em futuras observações astronómicas.

Diário de Notícias
Lusa
28 Maio 2019 — 23:00


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“Vendo a dobrar” pode ajudar a resolver debate sobre rapidez da expansão do Universo

Imagem, pelo Telescópio Espacial Hubble, de um quasar com imagem dupla.
Crédito: NASA, Tommaso Treu/UCLA e Birrer et al.

A questão de quão rapidamente o Universo está a expandir-se tem intrigado os astrónomos há quase um século. Estudos diferentes continuam a obter novas respostas – o que faz com que alguns investigadores se perguntem se estão a negligenciar um mecanismo-chave na “maquinaria” que impulsiona o cosmos.

Agora, ao descobrirem uma nova maneira de medir quão rapidamente o cosmos se está a expandir, uma equipa liderada por astrónomos da UCLA (University of California, Los Angeles) deu um passo em direcção à resolução do debate. A investigação do grupo foi publicada na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

No coração da disputa está a constante de Hubble, um número que relaciona as distâncias com os desvios para o vermelho das galáxias – quanto a luz é esticada enquanto viaja até à Terra através do Universo em expansão. As estimativas da constante de Hubble variam de 67 a 73 quilómetros por segundo por megaparsec, o que significa que dois pontos no espaço separados por 1 megaparsec (o equivalente a 3,26 milhões de anos-luz) estão a afastar-se um do outro a uma velocidade entre 67 e 73 quilómetros por segundo.

“A constante de Hubble ancora a escala física do Universo,” disse Simon Birrer, académico pós-doutorado da UCLA e autor principal do estudo. Sem um valor preciso para a constante de Hubble, os astrónomos não podem determinar com precisão os tamanhos de galáxias remotas, a idade do Universo ou a história de expansão do cosmos.

A maioria dos métodos para derivar a constante de Hubble tem dois ingredientes: uma distância até uma determinada fonte de luz e o desvio para o vermelho dessa fonte de luz. Procurando uma fonte de luz que não tinha sido usada nos cálculos de outros cientistas, Birrer e colegas voltaram-se para os quasares, fontes de radiação alimentadas por enormes buracos negros. Para a sua investigação, os cientistas escolheram um subconjunto específico de quasares – aqueles cuja luz foi curvada pela gravidade de uma galáxia interveniente e pelo seu efeito de lente gravitacional, que produz duas imagens do quasar lado a lado no céu.

A luz das duas imagens toma percursos diferentes até à Terra. Quando o brilho do quasar flutua, as duas imagens piscam uma após a outra, e não ao mesmo tempo. O atraso no tempo entre essas duas cintilações, juntamente com informações sobre o campo gravitacional da galáxia “intrometida”, pode ser usado para traçar a viagem da luz e deduzir as distâncias à Terra, tanto do quasar como da galáxia no plano da frente. O conhecimento dos desvios para o vermelho do quasar e da galáxia permitiu que os cientistas estimassem a rapidez com que o Universo está a expandir-se.

A equipa da UCLA, como parte da colaboração internacional H0liCOW, tinha aplicado anteriormente a técnica no estudo de quasares com imagem quadruplicada, imagens de um quasar que aparece quatro vezes em redor de uma galáxia no plano da frente. Mas as imagens quádruplas não são tão comuns – pensa-se que os quasares com imagem dupla sejam aproximadamente cinco vezes mais abundantes do que os de imagem quádrupla.

Para demonstrar a técnica, a equipa estudou um quasar conhecido como SDSS J1206+4332; contaram com dados do Telescópio Espacial Hubble, dos observatórios Gemini e W. M. Keck e da rede COSMOGRAIL (Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses) – um programa gerido pela Escola Politécnica Federal de Lausanne, Suíça, cujo objectivo é determinar a constante de Hubble.

Tommaso Treu, professor de física e astronomia na UCLA e autor sénior do artigo, disse que os investigadores obtiveram fotos do quasar, todos os dias, durante vários anos, para medir com precisão o desfasamento de tempo entre as imagens duplas. Então, para obter a melhor estimativa possível da constante de Hubble, combinaram os dados reunidos desse quasar com dados previamente recolhidos pela sua colaboração H0liCOW de três quasares de imagem quadruplicada.

“A beleza desta medição é que é altamente complementar e independente das outras,” salientou Treu.

A equipa apresentou uma estimativa da constante de Hubble de aproximadamente 72,5 quilómetros por segundo por megaparsec, um número em linha com o que outros cientistas haviam determinado em pesquisas anteriores que usaram distâncias de super-novas – explosões estelares em galáxias remotas – como medições fundamentais. No entanto, ambas as estimativas são cerca de 8% mais altas do que uma que se baseia num brilho fraco de todo o céu chamado fundo cósmico de micro-ondas, uma relíquia que remonta a 380.000 anos após o Big Bang, quando a luz viajou pela primeira vez livremente pelo espaço.

“Se houver uma diferença real entre esses valores, significa que o Universo é um pouco mais complicado,” explicou Treu.

Por outro lado, também pode ser que uma medição – ou todas as três – estejam erradas.

Os investigadores estão agora à procura de mais quasares a fim de melhorar a precisão da sua medição da constante de Hubble. Treu disse que uma das lições mais importantes do novo artigo é que os quasares com imagens duplas dão aos cientistas muitas mais fontes de luz úteis para os seus cálculos da constante de Hubble. No entanto, por agora, a equipa foca a sua pesquisa em 40 quasares de imagens quadruplicadas, devido ao seu potencial para fornecer informações ainda mais úteis do que os quasares com imagens duplas.

Astronomia On-line
25 de Janeiro de 2019

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1409: Medir a expansão do Universo acaba de se complicar

NASA/CXC/M.WEISS
A fonte das emissões agora detectadas não pode ser fruto da fusão, mas antes de acreção

Uma equipa de cientistas acaba de descobrir que as explosões de raios-X “super-suaves” podem ter origem quer em processos de acreção, quer em fenómenos de fusão nuclear – uma descoberta que torna mais complicada a medição da expansão do Universo.

Durante décadas, astrónomos e astrofísicos basearam as medições da expansão do Universo num determinado tipo de super-nova: as anãs-brancas. Contudo, a descoberta agora divulgada pela Universidade de Tecnologia do Texas, nos Estados Unidos, pode pôr este pressuposto em causa.

A emissão de raios-X “super suaves”, uma gama de raios-X de energia mais baixa, tem sido, até então, considerada como resultado da fusão nuclear que ocorre na superfície de uma anã branca, uma estrela pequena e muito densa.

Um novo estudo, publicado a semana passada na Nature Astronomy, dá conta de uma nova detecção de emissões super-brandas que claramente não são impulsionadas pela fusão nuclear, mostrando que a fusão não é a única forma de ocorrerem. Ou seja, o novo estudo vem desconstruir o que se acreditava até então, frisando que as emissões de raios X “super-suaves” podem ter outra origem.

De acordo com a publicação, os astrónomos detectaram uma uma explosão de raios-X de uma anã branca na Pequena Nuvem de Magalhães a cerca de 200.000 anos-luz, o que indica que a estrela está a puxar o material de uma gigante vermelha companheira a um ritmo tão alto que pode ser a anã branca de mais rápido crescimento já observada.

O evento, apelidado de ASASSN16-oh, foi observado pela primeira vez na Pequena Nuvem de Magalhães pelo telescópio All-Sky Automated Survey, localizado na Polónia. Observações adicionais do Swift Observatory da NASA e do Chandra X-ray Observatory vieram depois ajudar a verificar a descoberta.

“No passado, fontes de raios-X super-suaves foram associadas à fusão nuclear na superfície de anãs brancas”, disse Maccarone, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Texas, em comunicado. “Quando uma anã branca captura material de uma estrela companheira, o material acumula-se na sua superfície e aquece e, eventualmente, a fusão nuclear ocorre, como numa bomba de hidrogénio”, explicou.

“Mas esta emissão é oriunda de uma região menor do que a superfície da anã branca e temos fortes argumentos contra qualquer tipo de explosão que tenha ocorrido na anã branca”. Em particular, explicou, “não há linhas de emissão amplas em raios-X ou espectros ópticos, portanto não pode haver vento forte a ser gerado”, considerou.

“Em alguns casos, a fusão nuclear pode ser constante na superfície de uma anã branca, mas não pode começar imediatamente como uma fusão constante. Deve haver uma explosão de algum tipo quando a fusão começar”.

“Em alguns casos, a fusão nuclear pode ser constante na superfície de uma anã branca, mas não pode começar imediatamente como uma fusão constante. Deve haver uma explosão de algum tipo quando a fusão começar”.

Por tudo isto, acreditam os cientistas, a fonte das emissões agora detectadas não pode ser fruto da fusão, mas antes de acreção, o processo de acumulação de material na superfície de um astro. Neste caso em particular, na superfície da anã-branca.

Duas formas de emissão

No novo estudo, os cientistas sustentam que o sistema em causa consiste numa estrela gigante vermelha altamente evoluída e uma anã-branca com um disco de emissão extremamente grande à sua volta. A velocidade de entrada de material através do disco é instável e, quando o material começa a fluir mais rapidamente, o brilho do sistema dispara para cima da superfície.

“O que estamos a observar aqui é um episódio transitório de uma emissão super-suave, mas sem nenhum dos sinais que associamos à fusão nuclear”, disse Maccarone. “Se uma nova [emissão] ocorresse, esperávamos ver o material a afastar-se da anã branca – o que não acontece aqui. Em vez disso, o que estamos a ver é uma emissão quente do disco que transporta o material da estrela companheira até à anã branca. A massa está a ocorrer numa taxa maior do que em qualquer sistema que tenhamos detectado no passado”.

Sinteticamente, a nova descoberta frisa que existem duas formas para a emissão deste tipo de raios: a acreção e a fusão nuclear. “Os nossos resultados vão contra o consenso de longa data sobre como a emissão de raios-X nas anãs-brancas é produzida (…) Sabemos que a emissão de raios-X pode ser feita de duas formas diferentes”, acrescentou.

“Estou animado com este resultado”, disse Maccarone, notando que este é um “fenómenos totalmente novo e, sempre que é encontrado, é muito emocionante”.

Por mais emocionante que seja, a descoberta pode mudar a forma como os astrofísicos medem a expansão do cosmos – essa pode ser a sua grande virtude. Acreditava-se, até então, que este tipo de super-novas eram uma das formas principais da expansão do Universo, onde as anãs-brancas cresciam em massa explodindo, eventualmente como super-novas do Tipo Ia.

“Estes sistemas são também a forma como medimos a expansão do Universo”, disse Maccarone. Neste sentido, medir a expansão do Universo acaba de se complicar. Para perceber este crescimento, é preciso entender a origem das super-novas do Tipo Ia, que acabam agora de ganhar uma nova forma de produzir explosões de raios-X. Os cientistas precisam agora de refinar o método de medição, tendo em conta o fenómeno da acreção.

SA, ZAP // EuropaPress / AstronomyNow

Por SA
13 Dezembro, 2018

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1202: ONDAS GRAVITACIONAIS PODEM EM BREVE FORNECER MEDIÇÃO DA EXPANSÃO DO UNIVERSO

Cientistas da Universidade de Chicago estimam, com base na primeira deteção de uma colisão de duas estrelas de neutrões pelo LIGO, que podem ter uma medição extremamente precisa da velocidade de expansão do Universo dentro de 5 a 10 anos.
Crédito: Robin Dienel/Instituto Carnegie

Há vinte anos, os cientistas ficaram chocados ao perceber que o nosso Universo não está apenas a expandir-se, mas que está a expandir-se mais depressa com o passar do tempo.

A determinação da taxa exacta de expansão, chamada constante de Hubble, em honra ao famoso astrónomo Edwin Hubble, tem sido surpreendentemente difícil. Desde então, os cientistas usaram dois métodos para calcular o valor, com resultados angustiantemente diferentes. Mas a surpreendente captura de ondas gravitacionais do ano passado, oriundas de uma colisão de estrelas de neutrões, forneceu uma terceira forma de calcular a constante de Hubble.

Esse foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas num novo estudo publicado no dia 17 de Outubro na revista Nature, três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, dada a rapidez com que os investigadores viram a primeira colisão entre estrelas de neutrões, podem ter uma medida muita precisa da constante de Hubble dentro de cinco a dez anos.

“A constante de Hubble diz-nos o tamanho e idade do Universo; é o ‘santo Graal’ desde o nascimento da cosmologia. O seu cálculo, recorrendo às ondas gravitacionais, poderá dar-nos uma perspectiva inteiramente nova do Universo,” comenta o autor Daniel Holz, professor de física na Universidade de Chicago que foi co-autor do primeiro cálculo do género aquando da descoberta de 2017. “A questão é: quando é que muda o jogo para a cosmologia?”

Em 1929, Edwin Hubble anunciou que, com base nas suas observações de galáxias para lá da Via Láctea, estas pareciam estar a afastar-se de nós – e que quanto mais distante a galáxia, mais rápido estava a retroceder. Esta é uma pedra fundamental da teoria do Big Bang e iniciou uma busca de quase um século pela taxa exacta a que isto ocorre.

Para calcular a taxa de expansão do Universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância até um objecto distante; o outro é quão rápido o objecto se afasta de nós devido à expansão do Universo. Se pudermos vê-lo com um telescópio, o segundo valor é relativamente fácil de determinar, porque a luz que vemos quando olhamos para uma estrela distante desvia-se para o vermelho à medida que se afasta. Os astrónomos há mais de um século que usam este truque para ver a velocidade com que um objecto se move – é como o efeito Doppler, no qual uma sirene muda de tom quando a ambulância passa por nós.

Grandes questões nos cálculos

Mas obter uma medida exacta da distância é muito mais difícil. Tradicionalmente, os astrofísicos usam uma técnica chamada escada de distâncias cósmicas, na qual o brilho de certas estrelas variáveis e super-novas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam até ao objecto em questão. “O problema, é que para lá chegar, existem muitos passos com muitas suposições,” comenta Holz.

Talvez as super-novas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensa. Talvez estejamos a confundir alguns tipos de super-novas com outros, ou exista algum erro desconhecido nas nossas medições das distâncias até estrelas próximas. “Há muita astrofísica complicada que pode prejudicar as leituras de várias maneiras,” realça.

A outra maneira importante de calcular a constante de Hubble é olhar para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas – o pulso de luz criada no início do Universo, que ainda é vagamente detectável. Embora também seja útil, este método baseia-se igualmente em suposições sobre como o Universo funciona.

O surpreendente é que, embora os cientistas que fazem cada cálculo estejam confiantes nos seus resultados, estes não são iguais. Um diz que o Universo está a expandir-se quase 10% mais depressa do que o outro. “Esta é uma grande questão da cosmologia,” afirma o autor principal do estudo, Hsin-Yu Chen, na altura estudante da Universidade de Chicago e agora membro da Iniciativa Black Hole da Universidade de Harvard.

Então os detectores do LIGO captaram a sua primeira ondulação no tecido do espaço-tempo a partir da colisão de duas estrelas no ano passado. Isto não somente abalou o observatório, mas o próprio campo da astronomia: ser capaz de sentir a onda gravitacional e ver a luz do rescaldo da colisão com um telescópio deu aos cientistas uma nova e poderosa ferramenta. “Foi uma espécie de constrangimento de riquezas,” comenta Holz.

As ondas gravitacionais fornecem uma maneira completamente diferente de calcular a constante de Hubble. Quando duas estrelas massivas colidem uma com a outra, emitem ondulações no tecido do espaço-tempo que podem ser detectadas na Terra. Medindo esse sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e da energia das estrelas em colisão. Quando comparam essa leitura com a força das ondas gravitacionais, podem inferir a que distância elas estão.

Esta medição é mais limpa e contém menos suposições sobre o Universo, o que deve torná-la mais precisa, disse Holz. Juntamente com Scott Hughes do MIT, ele sugeriu a ideia de fazer esta medição com ondas gravitacionais emparelhadas com observações telescópicas em 2005. A única questão é a frequência com que os cientistas podiam captar estes eventos, e quão bons seriam os dados.

‘Só vai ficar mais interessante’

O artigo prevê que, assim que os cientistas tenham detectado 25 leituras de colisões de estrelas de neutrões, possam medir a expansão do Universo com uma precisão de 3%. Com 200 leituras, esse número diminui para 1%.

“Para mim foi uma grande surpresa quando entrámos nas simulações,” disse Chen. “Ficou claro que poderíamos alcançar precisão e que poderíamos alcançá-la rapidamente.”

Os cientistas dizem que um novo número preciso para a constante de Hubble seria fascinante, não importa a resposta. Por exemplo, uma razão possível para a incompatibilidade nos outros dois métodos é que a natureza da própria gravidade pode ter mudado com o tempo. A leitura também pode lançar luz sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do Universo.

“Com a colisão que vimos no ano passado, tivemos sorte – estava perto de nós, foi relativamente fácil de encontrar e analisar,” comenta Maya Fishbach, estudante da Universidade de Chicago e outra autora do estudo. “As detecções futuras estarão muito mais distantes, mas assim que tivermos a próxima geração de telescópios, poderemos encontrar também contrapartes para essas detecções distantes.”

Está planeado que os detectores do LIGO comecem uma nova campanha de observações em Fevereiro de 2019, juntamente com os seus homólogos italianos no VIRGO. Graças a uma actualização, a sensibilidade dos detectores será muito maior – expandindo o número e distância de eventos astronómicos que podem captar.

“Só vai ficar mais interessante,” conclui Holz.

Astronomia On-line
26 de Outubro de 2018

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180: Nada de energia escura: matemáticos propõem nova explicação para aceleração cósmica

(dv) UC Davis

Matemáticos propuseram uma explicação diferente para a expansão acelerada do universo, que não necessita de energia escura.

De acordo com o estudo, publicado na Proceedings of the Royal Society A, as equações originais de Einstein para a relatividade geral já predizem a aceleração cósmica devido a uma “instabilidade”, e não precisam desse elemento alusivo.

Pouco depois de Albert Einstein ter escrito as equações para a relatividade geral, descrevendo a gravidade, o físico incluiu um factor “anti-gravidade” chamado de “constante cosmológica” para equilibrar a atracção gravitacional e produzir um universo estático.

Mais tarde, Einstein classificou a constante cosmológica como o seu maior erro.

Sabemos há algum tempo que o universo não é estático: Não só está em expansão, como essa expansão está a acelerar. Para explicar isso, os cosmólogos invocaram uma força misteriosa chamada “energia escura”.

Quando os cosmólogos modernos começaram a estudar a aceleração cósmica, trataram a constante cosmológica de Einstein como permutável com a energia escura, dado o novo conhecimento. Essa explicação, no entanto, não satisfazia os matemáticos Blake Temple e Zeke Vogler, da Universidade da Califórnia, e Joel Smoller, da Universidade de Michigan.

“Propusemo-nos a encontrar a melhor explicação possível para a aceleração anómala das galáxias dentro da teoria original de Einstein, sem a energia escura”, disse Temple.

De acordo com os autores, a teoria original deu previsões corretas em todos os outros contextos, e não há prova directa da energia escura. Então, por que adicionar um factor incerto, como a energia escura ou a constante cosmológica, a equações que já parecem corretas?

No artigo, os matemáticos argumentam que as equações estão de facto corretas, e é a hipótese de um universo com galáxias em expansão uniforme que está errada, com ou sem energia escura, porque essa configuração é instável.

Os modelos cosmológicos começam a assumir que toda a matéria está em expansão, mas distribuída uniformemente no espaço a todo momento. Isso é chamado de “Universo de Friedmann”, a partir de um conjunto de equações que governam a expansão métrica do espaço em modelos homogéneos e isotrópicos, dentro do contexto da teoria da relatividade geral.

Temple, Smoller e Vogler resolveram as equações da relatividade geral sem invocar a energia escura. As soluções mostram que o espaço-tempo de Friedmann é na verdade instável: qualquer perturbação – por exemplo, se a densidade da matéria é um pouco menor do que a média – empurra o espaço-tempo para um universo acelerado.

Temple compara isso a um pêndulo invertido. Em posição normal, é estável no ponto mais baixo. Mas se o virar ao contrário, o pêndulo pode se equilibrar se for correctamente centrado, no entanto, qualquer rajada pequena irá fazê-lo cair.

Isso diz-nos que não devemos esperar medir um universo de Friedmann, porque é instável. O que devemos medir, em vez disso, são espaços-tempos locais que aceleram mais rápido.

Notavelmente, esses espaços-tempos locais criados pela instabilidade exibem precisamente a mesma gama de acelerações cósmicas obtidas em teorias de energia escura.

De acordo com Temple, o que isso mostra é que a aceleração das galáxias pode ter sido predita na teoria original da relatividade geral, sem invocar a energia escura ou constante cosmológica.

“A matemática não é controversa, a instabilidade não é controversa. O que não sabemos é se a nossa galáxia está próxima do centro de uma grande região de sub-densidade da matéria no universo”, disse Temple.

Segundo os autores, a hipótese inclui previsões testáveis que distinguem o modelo dos de energia escura.

 
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