Desde o início dos anos 20o século, sabemos que o universo está se expandindo. Exatamente com que rapidez está se expandindo, no entanto, continua sendo uma questão controversa. Até agora, a nossa compreensão teórica do Universo previa uma taxa de expansão cerca de 8% mais lenta do que a que calculamos a partir das nossas observações reais. Esta discrepância é conhecida como tensão de Hubble, e a razão por trás dela é uma das grandes questões não respondidas da física.
A explicação potencial mais óbvia é que nossas medições são imprecisas. No entanto, um novo artigo publicado em 9 de dezembro em O Jornal Astrofísico valida ainda mais as nossas observações existentes, cruzando os dados do Telescópio Espacial Hubble com novas observações do Telescópio Espacial James Webb, e descobrindo que os dois concordam quase perfeitamente.
O que é a Constante de Hubble e como a medimos?
A taxa na qual o universo está se expandindo é expressa como um valor chamado Constante de Hubble, geralmente abreviado como “H0”. Uma peculiaridade do nosso universo é que a sua taxa de expansão varia com a distância – quanto mais longe um objeto está, mais rápido ele se afasta de nós. Para refletir este facto, a constante é expressa em unidades de quilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), sendo um megaparsec uma unidade de distância equivalente a cerca de 300.000 anos-luz.
Nosso melhor modelo teórico para o universo, o modelo Lambda/Chilly Darkish Matter (“ΛCDM”), prevê um valor para H0 de 67–68 km/s/Mpc. Nossas observações, no entanto, colocam H0 em torno de 73 km/s/Mpc. Então o que está acontecendo?
Para entender isso, primeiro precisamos entender como H0 é medido. Os cientistas fazem isso estudando objetos distantes – estrelas, galáxias, supernovas – e calculando a) quão longe eles estão eb) quão rápido eles estão se afastando de nós.
Subindo a escada da distância cósmica
O primeiro passo é ser capaz de calcular a que distância de nós estão os objetos distantes – e descobrir distâncias cósmicas raramente é uma tarefa simples. Como Siyang Li, um dos co-autores do artigo, diz com tristeza: “Muito do nosso trabalho envolve medir as distâncias às galáxias – (o que) é uma das coisas muito difíceis de fazer na astronomia”.
Li explica que para fazer esses cálculos, os astrônomos usam a chamada “escada de distância cósmica”. A escada começa com objetos a cerca de 1.000 parsecs da Terra, cuja distância podemos calcular com trigonometria simples. Para objetos mais distantes, Li diz: “Realmente precisamos de duas informações. Uma delas é a magnitude aparente: quão brilhante a estrela nos parece na Terra? A outra é a luminosidade intrínseca dessa estrela: quão intrinsecamente brilhante é ela?”
A diferença entre estes dois valores é uma função da distância: quanto mais longe um objeto está, mais escuro ele parece ser. (Think about uma esfera em expansão de raios de luz emanados de uma lâmpada; se você estiver perto da lâmpada, muitos desses raios chegarão até você, mas à medida que você se afastar cada vez mais, mais e mais raios não atingirão você.) relação relativamente simples entre estes dois valores e a distância do objecto, por isso, se tivermos duas destas informações, podemos calcular a terceira.
Isto é útil porque existem algumas categorias de objetos – conhecidas como “velas padrão” – que compartilham a mesma luminosidade intrínseca. (Os exemplos incluem supernovas do tipo 1a, ao longo de uma classe de estrelas conhecidas como Cefeidas.) Depois de estabelecermos a luminosidade intrínseca de uma classe de vela padrão – um processo conhecido como calibração – podemos então usar essa informação para calcular a distância a objetos semelhantes. que estão muito distantes desse valor para serem calculados diretamente. O processo pode então ser repetido para outra classe de vela padrão.
Depois de sabermos a que distância um objeto está, a segunda informação de que precisamos é a rapidez com que ele se afasta de nós. À medida que o universo se expande, a luz desses objetos leva cada vez mais tempo para chegar até nós, e seu comprimento de onda é ampliado pela expansão do espaço-tempo através do qual ela viaja. Este fenómeno é denominado “desvio para o vermelho”, e se conseguirmos calcular o quanto a luz de um determinado objeto é desviada para o vermelho, podemos calcular a rapidez com que o objeto se afasta de nós.
Calculando a Constante de Hubble
Uma vez que tenhamos ambas as informações, a determinação actual da Constante de Hubble é razoavelmente simples: a velocidade e a distância estão relacionadas pela equação v = H0d, onde v é a velocidade, d é a distância e H0 é a Constante de Hubble.
Se fizermos esta medição para um grande número de objetos distantes, poderemos chegar a um valor cada vez mais preciso para a Constante de Hubble. Claro que, para isso, é basic que as medidas estejam corretas. A maior parte da nossa informação sobre objetos distantes vem do Telescópio Espacial Hubble, que passou décadas acumulando dados, e o lançamento do Telescópio Espacial James Webb forneceu uma bem-vinda oportunidade de verificar esses dados.
Também abre novas possibilidades de investigação, como Adam Riess – o autor principal do artigo e ganhador do Prémio Nobel de Física de 2011 pela sua investigação sobre a tensão de Hubble – explica: “O JWST tem melhor resolução e sensibilidade no infravermelho próximo. . O Hubble é melhor em comprimentos de onda mais azuis. A maior vantagem do Hubble é que ele está lá há mais tempo, por isso tem muito mais dados, (mas) uma vez que haja dados suficientes do JWST, ele pode ultrapassar o Hubble – ou eles podem ser usados em conjunto para estudar a tensão (do Hubble).
Por enquanto, os resultados do JWST correlacionam-se quase perfeitamente com os dados existentes, fornecendo evidências mais fortes que o problema não é a precisão das nossas medições. Nesse caso, diz Riess, o problema pode estar na teoria. “Não conseguir encontrar falhas nas medições”, diz ele, “deixa um cenário cada vez mais provável de falha no modelo”.
Qual é o modelo ΛCDM e por que ele prevê uma constante de Hubble diferente?
Como o próprio nome sugere, o modelo ΛCDM é baseado em dois conceitos fundamentais: a constante cosmológica (denotada pela letra grega “Λ”) e a existência de matéria escura fria. A constante cosmológica expressa a energia intrínseca do próprio espaço – a misteriosa “energia escura” que as estimativas atuais sugerem que compõe cerca de 68% da energia do universo. A “matéria escura fria”, por sua vez, representa a nossa melhor compreensão da igualmente evasiva matéria escura, que compõe outros 27% da energia do universo. (A velha matéria simples, da qual são feitas as estrelas, os planetas e os humanos, compreende apenas míseros 5%.)
As noções de energia escura e matéria escura não são arbitrárias – a existência da matéria escura pode ser inferida a partir dos seus efeitos na rotação galáctica, e a energia escura é necessária para a expansão contínua do universo. As versões no modelo ΛCDM refletem esses fatos e também estão correlacionadas com nossas observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a radiação restante do Huge Bang.
“Basicamente”, diz Riess, “ΛCDM prevê o tamanho físico das flutuações de matéria/temperatura no Universo pós-Huge Bang. O CMB é usado para medir o tamanho angular dessas flutuações, e a comparação dos dois calibra a constante de Hubble.”
É evidente, porém, que o problema contínuo da tensão Hubble sugere que algo não está certo. Será que Riess ou Li têm suspeitas sobre onde pode ser encontrada a raiz do problema? “Algo no setor negro”, diz Riess. “(Ou) energia escura engraçada ou matéria escura engraçada.”
Li concorda, acrescentando que suspeita que é a nossa compreensão imperfeita da primeira que pode estar na raiz da tensão do Hubble: “Com a matéria escura por si só, sabemos que ela está lá, e existem modelos que podemos fazer para prever o comportamento de galáxias – rotações e coisas assim. Mas com a energia escura, existem tantas possibilidades por aí que não existe realmente uma alternativa exata que se encaixe exatamente… Há tanta coisa que não sabemos sobre a energia escura, e tanta coisa que ainda estamos descobrindo e aprendendo.”
