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