3858: Novas medições de distância reforçam desafio ao modelo básico do Universo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista que ilustra um disco contendo água em órbita de um buraco negro super-massivo no núcleo de uma galáxia distante. Graças à observação da emissão maser destes discos, os astrónomos podem usar a geometria para medir a distância das galáxias, um requisito fundamental para o cálculo da Constante de Hubble.
Crédito: Sophia Dangello, NRAO/AUI/NSF

Um novo conjunto de medições precisas de distância, feitas com uma colecção internacional de radiotelescópios, aumentou muito a probabilidade de os teóricos precisarem de rever o “modelo padrão” que descreve a natureza fundamental do Universo.

As novas medições de distância permitiram aos astrónomos refinar o seu cálculo da Constante de Hubble, o ritmo de expansão do Universo, um valor importante para testar o modelo teórico que descreve a composição e evolução do Universo. O problema é que as novas medições exacerbam uma discrepância entre os valores medidos anteriormente da Constante de Hubble e o valor previsto pelo modelo quando aplicado a medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas feitas pelo satélite Planck.

“Descobrimos que as galáxias estão mais próximas do que o previsto pelo modelo padrão cosmológico, corroborando um problema identificado noutros tipos de medições de distância. Tem havido um debate sobre se este problema está no próprio modelo ou nas medições usadas para o testar. O nosso trabalho utiliza uma técnica de medição de distância completamente independente de todas as outras, e reforçamos a disparidade entre valores medidos e previstos. É provável que o modelo cosmológico básico envolvido nas previsões seja o problema,” disse James Braatz, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory).

Braatz lidera o MCP (Megamaser Cosmology Project), um esforço internacional para medir a Constante de Hubble, encontrando galáxias com propriedades específicas que se prestam a produzir distâncias geométricas precisas. O projeto utilizou o VLBA (Very Long Baseline Array), o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o GBT (Green Bank Telescope), juntamente com o telescópio Effelsberg na Alemanha. A equipa relatou os seus últimos resultados na revista The Astrophysical Journal Letters.

Edwin Hubble, que o Telescópio Espacial Hubble homenageia com o seu nome, foi o primeiro a calcular o ritmo de expansão do Universo (a Constante de Hubble) em 1929, medindo distâncias de galáxias e as suas velocidades de recessão. Quanto mais distante estiver uma galáxia, maior será a sua velocidade de recessão da Terra. Hoje, a Constante de Hubble continua a ser uma propriedade fundamental da cosmologia observacional e foco de muitos estudos modernos.

A medição da velocidade de recessão das galáxias é relativamente simples. Determinar distâncias cósmicas, no entanto, tem sido uma tarefa difícil para os astrónomos. Para objectos na nossa própria Via Láctea, os astrónomos podem obter distâncias medindo a aparente mudança na posição do objecto quando visto de lados opostos da órbita da Terra em torno do Sol, um efeito chamado paralaxe. A primeira medição da paralaxe de uma estrela ocorreu em 1838.

Para lá da nossa Galáxia, as paralaxes são demasiado pequenas para serem medidas, de modo que os astrónomos confiam em objectos denominados “velas padrão”, assim chamados porque o seu brilho intrínseco é presumivelmente conhecido. A distância de um objecto de brilho conhecido pode ser calculada com base em quão ténue o objecto parece ser na Terra. Estas velas padrão incluem uma classe de estrelas chamada variáveis Cefeidas e um tipo específico de explosão estelar de nome super-nova do Tipo Ia.

Outro método para estimar o ritmo de expansão envolve a observação de quasares distantes cuja luz é dobrada pelo efeito gravitacional de uma galáxia em primeiro plano em várias imagens. Quando o quasar varia de brilho, a alteração aparece nas diferentes imagens em momentos diferentes. A medição dessa diferença de tempo, juntamente com os cálculos da geometria da curvatura da luz, produz uma estimativa do ritmo de expansão.

As determinações da Constante de Hubble com base nas velas padrão e nos quasares que sofrem efeito de lente gravitacional produziram valores de 73-74 km/s/Mpc (quilómetros por segundo – a velocidade; por megaparsec – distância em unidades favorecida pelos astrónomos).

No entanto, as previsões da Constante de Hubble a partir do modelo cosmológico padrão, quando aplicadas a medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas – a radiação remanescente do Big Bang – produzem um valor de 67,4, uma diferença significativa e preocupante. Esta diferença, que os astrónomos dizem estar para lá dos erros experimentais nas observações, tem sérias implicações para o modelo padrão.

O modelo é chamado Modelo Lambda-CDM (Cold Dark Matter), onde “Lambda” refere-se à constante cosmológica de Einstein e é uma representação da energia escura. O modelo divide a composição do Universo principalmente entre matéria comum, matéria escura e energia escura, e descreve como o Universo evoluiu desde o Big Bang.

O MCP concentra-se em galáxias com discos de gás molecular, contendo água, que orbitam buracos negros super-massivos nos seus centros. Se o disco em órbita for visto quase de lado, a partir da perspectiva da Terra, pontos brilhantes de emissão de rádio, chamados masers – análogos a lasers visíveis, mas no rádio -, podem ser usados para determinar o tamanho físico do disco e a sua extensão angular e, portanto, através da geometria, a sua distância. A equipa do projeto usa uma colecção mundial de radiotelescópios para fazer as medições de precisão necessárias para esta técnica.

No seu trabalho mais recente, a equipa refinou as suas medições de distância para quatro galáxias, a distâncias entre 168 milhões de anos-luz e 431 milhões de anos-luz. Combinadas com medições de distância anteriores de duas outras galáxias, os seus cálculos produziram um valor para a Constante de Hubble de 73,9 km/s/Mpc.

“Testar o modelo padrão da cosmologia é um problema realmente complexo, que requer as melhores medições da Constante de Hubble. A discrepância entre os valores previstos e medidos da Constante de Hubble aponta para um dos problemas mais fundamentais de toda a física, de modo que gostaríamos de ter várias medições independentes que corroboram o problema e testam o modelo. O nosso método é geométrico e completamente independente de todos os outros, e reforça a discrepância,” disse Dom Pesce, investigador do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica, autor principal do artigo mais recente.

“O método de maser para a medição do ritmo de expansão do Universo é elegante e, ao contrário dos outros, baseia-se na geometria. Ao medir posições e dinâmicas extremamente precisas de pontos maser no disco de acreção em torno de um buraco negro distante, podemos determinar a distância à galáxia hospedeira e, em seguida, o ritmo de expansão. O nosso resultado desta técnica única reforça o argumento de um problema-chave na cosmologia observacional,” disse Mark Reid, do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica, membro da equipa do MCP.

“A nossa medição da Constante de Hubble está muito próxima de outras medições recentes e é estatisticamente muito diferente das previsões com base na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e no modelo cosmológico padrão. Tudo indica que o modelo padrão precisa de revisão,” disse Braatz.

Os astrónomos têm várias maneiras de ajustar o modelo para resolver a discrepância. Algumas incluem alterar pressupostos sobre a natureza da energia escura, afastando-se da constante cosmológica de Einstein. Outras analisam mudanças fundamentais na física de partículas, como por exemplo a mudança de números ou tipos de neutrinos ou as possibilidades de internações entre eles. Existem outras possibilidades, ainda mais exóticas, e de momento os cientistas não têm evidências claras de discriminar entre elas.

“Este é um caso clássico de interacção entre observação e teoria. O Modelo Lambda-CDM tem funcionado muito bem durante anos, mas agora as observações apontam claramente para um problema que precisa de ser resolvido, e parece que o problema está no modelo,” conclui Pesce.

Astronomia On-line
16 de Junho de 2020

 

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