Mon. Jun 17th, 2024

Durante décadas, as medições da expansão do universo sugeriram uma discrepância conhecida como tensão de Hubble, que ameaça transformar a cosmologia. Mas um novo método sugere que a tensão pode não existir, afinal.

WENDY FREEDMAN está olhando para o universo. Por 40 anos, ela vem cavando os maiores segredos do cosmos, pacientemente reduzindo incertezas para encontrar o valor de um número que define a expansão do universo, determina sua idade e sela seu destino final.

Freedman, que trabalha na Universidade de Chicago, estuda a constante de Hubble, um número que representa a rapidez com que a expansão do universo está acelerando. Sabemos dessa expansão crescente desde 1929, quando o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu que quanto mais distante um objeto estava, mais rápido parecia estar se afastando de nós.

Foi quando as coisas ficaram complicadas. Fixar os números requer medições precisas de distâncias astronômicas. Na era do Hubble, as imagens astronômicas eram tiradas por luz brilhante através de um telescópio em uma placa fotográfica. Calcular distâncias dessas imagens era difícil e impreciso.

Na década de 1980, quando Freedman estava terminando seu doutorado, a fotografia digital estava se preparando para revolucionar a astronomia como um todo, e as medições da constante de Hubble em particular. “Isso é realmente o que me estimulou”, diz Freedman. Nas décadas seguintes, seu trabalho foi fundamental para o desenvolvimento da tensão de Hubble – a maneira desconcertante como as duas principais formas de medir a constante de Hubble nos dão valores diferentes.

Agora, depois que Freedman passou décadas focando nesse problema, algo curioso está acontecendo. Seus resultados mais recentes sugerem que pode não haver problema, afinal. Se for esse o caso, isso tornará inúteis décadas de trabalho explorando a nova física que poderia explicar a discrepância. Felizmente, Freedman não tem medo de um pouco de controvérsia.

A constante de Hubble é uma grande peça do quebra-cabeça cosmológico que, quando montada, nos conta sobre a história e o futuro do universo. Se soubermos com que rapidez a expansão do universo está se acelerando, isso indica o quão grande é o cosmos, quantos anos ele tem e como começou. Olhando para o futuro, a constante de Hubble determina se o universo se expandirá para sempre ou entrará em colapso em uma grande crise.

Uma escada cósmica

Antes de Freedman entrar em cena, havia duas estimativas principais da constante de Hubble. O astrônomo francês Gérard de Vaucouleurs descobriu que é 100 quilômetros por segundo por megaparsec – um megaparsec sendo igual a 3,26 milhões de anos-luz. Mas o astrônomo americano Allan Sandage descobriu que era muito mais baixo, cerca de 50 km/s/mpc. Os dois estavam presos em um debate feroz que durava décadas, até a década de 1980. Naquela época, Freedman era pós-doutorando nos Observatórios Carnegie, na Califórnia, onde Sandage era professor. Embora muito respeitado, Sandage às vezes era temido por sua raiva. Ele “ficaria não-linear” quando era contrariado, diz o cosmólogo da Universidade de Princeton e Prêmio Nobel Jim Peebles.

Quando os primeiros resultados de Freedman começaram a chegar de suas novas observações, eles indicaram uma constante de Hubble mais próxima de 80, contrariando dois dos mais renomados cosmólogos do mundo. Sandage não estava empolgado, para dizer o mínimo. “É difícil ser contrariado por um jovem arrivista – o que eles sabem?” diz Peebles. “Bem, Wendy sabia muito. Ela é um modelo absoluto de resistência.”

Você pode pensar que seria um lugar assustador, indo contra os astrônomos mais proeminentes da época. “Não achei assustador”, diz Freedman. “Foi divertido.” Ela sabia que seus resultados eram claros. Seus cálculos usaram observações de Cefeidas, estrelas que pulsam regularmente. Sandage e de Vaucouleurs também usaram essas estrelas. Mas, crucialmente, as primeiras observações de Freedman foram as primeiras a serem corrigidas para levar em consideração a poeira entre nós e as Cefeidas, tornando as distâncias calculadas mais precisas do que as de trabalhos anteriores.

Certas estrelas nos ajudam a calcular as distâncias das galáxias além da Via Láctea
Dan Zafra

As cefeidas têm um período de pulsação que está diretamente relacionado à sua luminosidade absoluta, então comparar isso com o quão brilhante elas aparecem da Terra pode nos dizer o quão distante elas realmente estão. Essas medições podem ser usadas para extrapolar para fora, usando supernovas nas mesmas galáxias que as Cefeidas. Este método é conhecido como a escada da distância cósmica, porque cada passo ao longo do caminho se acumula para o próximo.

Ao longo das décadas desde seus resultados iniciais, as medições de Freedman se mantiveram. As cefeidas continuam sendo a principal ferramenta pela qual medimos a expansão do universo na área relativamente próxima da Terra – um dos primeiros passos na escada de distância. De fato, observá-los e medir a constante de Hubble com precisão de 10% foi um dos quatro chamados projetos-chave do Telescópio Espacial Hubble, lançado em 1990. “O diretor do projeto perguntou se o Hubble caiu no oceano um mês depois de começar a observar, quais eram os projetos que realmente gostaríamos que fossem feitos”, diz Freedman. “Todo telescópio tem um grande projeto que é seu objetivo, e resolver esse debate foi o grande problema que estava diante de nós.”

O projeto foi um sucesso retumbante. Usando o telescópio, a equipe de Freedman mediu uma constante de Hubble de cerca de 72 km/s/mpc – bem entre as estimativas anteriores. Mesmo que a instrumentação tenha melhorado desde que o documento principal do projeto foi publicado em 2001, o valor que obtemos da medição das Cefeidas permaneceu semelhante, com as observações mais recentes colocando-o em torno de 73 km/s/mpc.

Mas isso não é o fim da história, porque as cefeidas não são a única maneira de medir a constante de Hubble. Outro problema surgiu quando os astrofísicos começaram a observar o fundo cósmico em micro-ondas (CMB), luz relíquia remanescente dos momentos após o big bang. Observando essa luz e extrapolando no tempo com base em nossos melhores modelos do universo, podemos prever qual deve ser a constante de Hubble hoje.

“O CMB está realmente prevendo a constante de Hubble começando na outra extremidade do universo, usando nossa história de cosmologia e física”, diz Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, em Maryland, que ganhou um prêmio Nobel por seu trabalho na expansão da universo. E essas medidas do outro lado do universo, que são extraordinariamente precisas, não concordam com as medidas desse lado. Eles colocaram a constante de Hubble em cerca de 67 km/s/mpc.

Embora as medições da CMB sejam extremamente precisas, o valor da constante de Hubble que obtemos delas é calculado usando o modelo padrão do cosmos dos físicos – um conjunto de equações que se encaixam em quase tudo, da relatividade geral aos efeitos da matéria escura. “Continuo surpreso com o quão bem a teoria e a observação se encaixam”, diz Peebles. “Mas, eventualmente, vamos encontrar algo que não se encaixa, e talvez seja isso.”

Tensão ou sem tensão?

Se ambas as medidas da Cefeida e as medidas da CMB estiverem corretas, um problema conhecido como tensão de Hubble, então algo está errado com nossa compreensão do cosmos. E se mudarmos uma parte desse entendimento – por exemplo, a forma como o universo inflado após o big bang – isso não resolverá apenas a tensão do Hubble. Isso terá um efeito indireto em outros fatores, de maneiras que não sabemos como explicar. “Se alguma coisa mudar, vai mudar tudo”, diz Freedman.

A grande questão agora é se é hora de mudar tudo. Riess afirma que sim. Ele diz que as medições do CMB são sólidas. Seu grupo fez muitas medições de Cefeidas, e a tensão entre os dois métodos permanece. “É difícil ignorar que basicamente todas as medições precisas estão chegando mais alto que o CMB”, diz ele.

Outros cosmólogos não estão tão convencidos, até porque é difícil explicar como os dois valores podem ser diferentes. “As pessoas estão tentando encontrar maneiras de explicar isso e quase 1.000 artigos depois, não conseguiram”, diz Freedman. “É muito mais interessante dizer que há uma nova física do que incertezas sistemáticas, mas isso não significa que é assim que o universo é.”

Determinar se a tensão do Hubble é real precisa de mais métodos de medição, diz Freedman. Baseando-se apenas nas Cefeidas, é impossível saber se estamos interpretando mal essas estrelas de alguma forma básica que desfaça as medições. As incertezas na medição CMB estão abaixo de 1 por cento. Idealmente, as incertezas nas medições da constante de Hubble local seriam igualmente baixas. “No momento, há discordância sobre os erros dos erros”, diz Freedman – não está claro onde exatamente estão as incertezas agora, mas ela não acredita que ainda estejamos em 1%. “Acho que para ter certeza de que os erros são inferiores a 1%, você precisa de mais de um tipo de medição, mais de um instrumento, mais de uma técnica”, diz ela. “Acho que precisamos ter um pouco de paciência.”

É por isso que Freedman voltou-se para uma fonte diferente, chamada de estrelas da ponta das gigantes vermelhas. Estas são as estrelas mais brilhantes de um grupo chamado gigantes vermelhas, que formam um ramo no diagrama de Hertzsprung-Russell, um gráfico da temperatura das estrelas em relação à sua luminosidade. As estrelas da ponta das gigantes vermelhas são mais simples que as Cefeidas, e temos uma melhor compreensão da física que determina o quão brilhante elas são e suas cores. Eles também são extremamente comuns e localizados em todas as galáxias, enquanto as Cefeidas são geralmente mais concentradas nos centros. Isso significa que não precisamos nos preocupar muito com outras estrelas ou poeira contaminando nossas imagens, pois podemos simplesmente olhar para estrelas que estão em áreas menos movimentadas.

Essas estrelas são usadas para medir distâncias há muito tempo, mas caíram em desuso porque são mais escuras que as cefeidas. Agora que os telescópios melhoraram, as estrelas mais simples estão voltando à tona. “Esse método sempre esteve lá, meio que aparecendo em segundo plano”, diz Barry Madore, da Carnegie Institution for Science, na Califórnia, marido de Freedman e colaborador frequente. “Sua simplicidade é simplesmente esmagadora e incrivelmente boa. Há tão poucas coisas que podem dar errado com isso.”

Então, quando as medições mais recentes de Freedman usando a ponta do método da gigante vermelha produziram uma constante de Hubble de 69,8 – exatamente entre o CMB e os números das Cefeidas – semeou novas sementes de dúvida entre a crescente certeza na comunidade que acredita na tensão de Hubble. “Foi uma grande surpresa que ela tenha apresentado esses resultados intermediários e meio que atenuou a crescente sensação de que realmente havia um problema”, diz Brent Tully, do Instituto de Astronomia do Havaí. “Acho que Wendy defende bem que ainda existem problemas pendentes.”

Medir a constante de Hubble foi um projeto chave para o Telescópio Espacial Hubble
NASA

Mais uma vez, Freedman se encontra no centro do debate. “Imaginávamos que, quando tivéssemos nosso resultado, ele cairia de um lado ou do outro, mas simplesmente não aconteceu”, diz Freedman. “Está dizendo que isso ainda não está realmente amarrado.” Nem todo mundo concorda – Riess em particular ainda afirma que realmente está amarrado, e a tensão do Hubble é real – mas Freedman permanece cauteloso.

E mais uma vez, a solução pode vir de um enorme novo telescópio espacial. Desta vez, é o Telescópio Espacial James Webb (JWST), que foi lançado no final de 2021 e deve começar as observações por volta de julho deste ano.

O JWST tem um espelho maior que o Hubble, para que possa olhar para objetos mais distantes e, ao contrário do Hubble, o JWST é um telescópio infravermelho. Isso não é ideal para cefeidas, que são relativamente azuis. Isso nos ajudará a melhorar a precisão de nossas observações atuais de Cefeidas, mas é improvável que encontremos outras mais distantes. A ponta do galho da gigante vermelha é uma história diferente. Como o próprio nome sugere, essas estrelas são vermelhas, então, quando vistas no infravermelho, elas parecem mais brilhantes do que as estrelas ao redor. “Acho que realmente vamos pregar essa coisa na ponta do galho da gigante vermelha”, diz Tully.

Freedman foi aprovada para observar essas estrelas com o JWST assim que ele for iniciado, e enquanto isso ela está observando-as e Cefeidas do solo, além de procurar um novo método potencial usando estrelas extremamente ricas em carbono. “Se você soubesse a resposta, pararia”, diz Madore. “Não sabemos a resposta.”

A solução para a tensão de Hubble pode vir de medições, mas também estará profundamente enredada em cálculos teóricos sobre o cosmos. “Você não pode simplesmente medir o caminho para uma resposta – essas coisas andam de mãos dadas”, diz Riess. Se a tensão não for real, precisamos descobrir o que entendemos mal em primeiro lugar. Se for real, há um poço muito mais profundo de mal-entendidos. Se descobrirmos que nosso modelo padrão do universo está incompleto, sem dúvida encontraremos outros lugares onde esse modelo falha.

“Se a anomalia do Hubble é real, então deve haver outras anomalias”, diz Peebles. Para construir um modelo melhor do cosmos, teremos que caçar cada anomalia, provar que é real e descobrir de onde ela veio. Tudo isso significa mais trabalho duro e mais espera. Mas Freedman não se importa – é normal para ela. “O universo está fazendo o que quer que esteja fazendo”, diz ela. “Não importa quando, ou se, respondemos às nossas perguntas sobre isso.”

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