Quão rápido o universo está se expandindo?

Sabemos que o universo é enorme e está constantemente crescendo. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão pode ser medida. Isso se revela mais complicado do que parece, pois a expansão parece mais rápida quando observamos regiões mais distantes do espaço. Para cada 3,3 milhões de anos-luz (ou um megaparsec) de distância da Terra, objetos nessa distância parecem estar se afastando de nós a cerca de 73 quilômetros por segundo. Em outras palavras, o universo se expande a 73 quilômetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), um valor conhecido como constante de Hubble.

Escadas de distância e uma nova maneira de medir a constante de Hubble

Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora todos eles se basearam em chamadas escadas de distância. Essas escadas são construídas a partir de objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas estrelas variáveis de Cepheid. Como esses objetos são considerados bem compreendidos, os astrônomos assumem que, mesmo quando observados em outras galáxias, podem ser usados para estimar distâncias com alta precisão. Ao longo de décadas de observações de muitos desses objetos, a faixa permitida para a constante de Hubble se tornou mais estreita. No entanto, sempre houve alguma incerteza sobre a confiabilidade dessa abordagem, então os cosmologistas estão ansiosos para testar alternativas.

Em seu estudo mais recente, uma equipe de astrônomos, que inclui o professor assistente do projeto Kenneth Wong e o pesquisador de pós-doutorado Eric Paic, do Centro de Pesquisa sobre o Universo Inicial da Universidade de Tóquio, demonstrou com sucesso uma técnica chamada cosmografia de atraso de tempo. Eles argumentam que esse método pode reduzir a dependência da área em escadas de distância e pode ter aplicações valiosas em outras áreas da cosmologia.

Usando a lente gravitacional como uma ferramenta de medição cósmica

“Para medir a constante de Hubble usando a cosmografia de atraso de tempo, você precisa de uma galáxia realmente massiva que possa atuar como uma lente”, disse Wong. “A gravidade dessa ‘lente’ desvia a luz de objetos ocultos atrás dela ao seu redor, então vemos uma versão distorcida deles. Isso é chamado de lente gravitacional. Se as circunstâncias forem adequadas, conseguiremos ver várias imagens distorcidas, e cada uma terá seguido uma trajetória ligeiramente diferente para chegar até nós, levando diferentes quantidades de tempo. Ao procurar mudanças idênticas nessas imagens que estão ligeiramente fora de sincronia, podemos medir a diferença de tempo que elas levaram para nos alcançar. A combinação desses dados com estimativas sobre a distribuição da massa da lente galáctica que as está distorcendo é o que nos permite calcular a aceleração de objetos distantes de forma mais precisa. A constante de Hubble que medimos está bem dentro das faixas suportadas por outros modos de estimativa.”

A tensão de Hubble: visões conflitantes do universo em expansão

Pode parecer intrigante que os pesquisadores invistam tanto esforço para refinar um número que já foi medido muitas vezes. A razão é que esse valor está no cerne de como os cientistas reconstroem a história e a evolução do universo, e existe uma discrepância séria não resolvida. O valor de 73 km/s/Mpc para a constante de Hubble concorda com observações de objetos relativamente próximos. No entanto, existem outras maneiras de inferir a taxa de expansão cósmica que olham muito mais longe no tempo. Um método chave utiliza a radiação que preenche o universo e remonta ao Big Bang, conhecido como fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Quando os cientistas analisam o CMB para estimar a constante de Hubble, obtêm um valor mais baixo de 67 km/s/Mpc.

Essa discrepância entre 73 km/s/Mpc e 67 km/s/Mpc é chamada de tensão de Hubble. O trabalho de Wong, Paic e seus colegas ajuda a iluminar o que pode estar causando essa tensão, em um momento em que ainda não está claro se a discrepância se deve simplesmente a incertezas experimentais ou aponta para algo mais profundo.

A tensão de Hubble aponta para novas físicas?

“Nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações atuais e menos consistente com medições do universo primitivo. Isso é uma evidência de que a tensão de Hubble pode realmente surgir de uma física real e não apenas de alguma fonte desconhecida de erro nos vários métodos”, disse Wong. “Nossa medição é completamente independente de outros métodos, tanto do universo primitivo quanto do tardio, então, se houver incertezas sistemáticas nesses métodos, não devemos ser afetados por elas.”

“O foco principal deste trabalho foi melhorar nossa metodologia, e agora precisamos aumentar o tamanho da amostra para melhorar a precisão e resolver definitivamente a tensão de Hubble”, disse Paic. “Neste momento, nossa precisão é de cerca de 4,5%, e para realmente definir a constante de Hubble a um nível que confirmaria definitively a tensão de Hubble, precisamos chegar a uma precisão de cerca de 1-2%.”

Mais lentes, mais quasares e maior precisão

Os pesquisadores estão otimistas de que podem alcançar esse nível de precisão mais alto. No estudo atual, eles analisaram oito sistemas de lentes de atraso de tempo. Cada sistema contém uma galáxia em primeiro plano que atua como uma lente e bloqueia nossa visão direta de um quasar distante (um buraco negro supermassivo que está absorvendo gás e poeira, fazendo com que brilhe intensamente). Eles também incorporaram novas observações de observatórios de ponta, tanto espaciais quanto terrestres, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. Olhando para o futuro, a equipe planeja expandir o número de sistemas de lentes que estudam, refinar suas medições e identificar ou eliminar cuidadosamente quaisquer fontes sistemáticas de erro restantes.

Incertezas na distribuição de massa e um esforço cosmológico global

“Uma das maiores fontes de incerteza é o fato de não sabermos exatamente como a massa nas galáxias lente está distribuída. Normalmente, se assume que a massa segue algum perfil simples que é consistente com observações, mas é difícil ter certeza, e essa incerteza pode influenciar diretamente os valores que calculamos”, disse Wong. “A tensão de Hubble é importante, pois pode apontar para uma nova era na cosmologia revelando novas físicas. Nosso projeto é o resultado de uma colaboração de décadas entre múltiplos observatórios independentes e pesquisadores, destacando a importância da colaboração internacional na ciência.”

Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (subvenções 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), pela Sociedade Max Planck (Bolsa Max Planck), pela Deutsche Forschungsgemeinschaft sob a Estratégia de Excelência da Alemanha (EXC-2094, 390783311), pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA (subvenções NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), pela Fundação Moore (subvenção 8548) e pela JSPS KAKENHI (números de subvenção JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).