Cefaléia por tensão no Hubble: medidas de choque fazem da expansão do universo um mistério persistente



Quão rápido é o universo em expansão?

Pode-se supor que os cientistas há muito tempo resolveram essa questão básica, explorada pela primeira vez há quase um século por Edwin Hubble. Mas agora a resposta depende de quem você pergunta. Cosmólogos usando o satélite Planck para estudar o fundo de microondas cósmico – luz do universo "inicial", apenas cerca de 380.000 anos após o big bang – chegaram a um valor de alta precisão da taxa de expansão, conhecida como a constante de Hubble (H0). . Astrônomos observando estrelas e galáxias mais próximas de casa – no universo "tardio" – também mediram H0 com extrema precisão. Os dois números, no entanto, discordam. , H0 deveria ter cerca de 67 – abreviação para o universo expandindo cerca de 67 quilômetros por segundo mais rapidamente a cada 3,26 milhões de anos-luz. As medições mais influentes do universo final, provenientes de um projeto chamado Supernova H0 para a Equação de Estado (SH0ES),.

Essa discrepância – a chamada tensão de Hubble – vem crescendo há anos, aumentando conforme estudo após estudo do universo, tanto no início quanto no final, produzindo resultados cada vez mais precisos e deixando cientistas de ambos os lados ansiosos e perplexos. Afinal, pode ser que qualquer facção esteja, de alguma forma, apenas prejudicando o universo. Mas a tensão pode ser um verdadeiro reflexo da realidade, exigindo uma nova física exótica e uma revisão dramática da nossa compreensão da evolução cósmica.

Em 4 de julho do universo final foram liberados que reforçaram a figura SH0ES, empurrando a tensão além de um limiar de significância estatística que os físicos usam como referência para descobertas genuínas. Por um momento, a perspectiva de nova física se elevou mais do que nunca. Ainda dias mais tarde, outro lote independente de medições de universo tardio confundiu o debate, entregando, a meio caminho entre os valores canônicos de Planck e SH0ES. Grande parte do drama se desenrolou em tempo real na conferência Tensions Between the Early e Late Universe, realizada de 15 a 17 de julho no Instituto Kavli de Física Teórica em Santa Bárbara, Califórnia.

“Esta semana é demais. Vá para casa H0, você está bêbado ”, Dan Scolnic, um membro da SH0ES na Duke University, depois que outro resultado surpreendente para o H0 foi revelado na conferência.

Tensões crescentes

Iniciado há mais de uma década por Adam Riess, astrofísico da Universidade Johns Hopkins, o SH0ES estima a taxa de expansão do universo medindo as distâncias de outras galáxias. Tais medidas são feitas frequentemente para os planetas do nosso sol e para as estrelas próximas simplesmente mapeando seu movimento através do céu ao longo do tempo. Mas os estudos das galáxias remotas SH0ES estão tão distantes que sua posição dificilmente muda – eles parecem “fixos” no céu. Então, Riess e seus colegas usam o brilho aparente das supernovas produzidas pela explosão das estrelas anãs brancas, que elas comparam à luminosidade intrínseca das supernovas para encontrar distância. SH0ES então obtém H0 da distância da supernova e do redshift – o alongamento de sua luz emitida pela expansão do universo. Para relacionar o brilho à luminosidade, os dados devem ser calibrados de acordo com as medições de brilho de velas padrão, objetos astrofísicos com luminosidades conhecidas. Como velas padrão, o SH0ES usa variáveis ​​cefeidas, estrelas que pulsam de uma maneira que revela sua verdadeira luminosidade. A equipe do SH0ES encontra Cepheids que existem perto o suficiente da Terra para medir sua distância diretamente para obter a luminosidade. Dessa maneira, eles calculam a distância de galáxias distantes abrigando cefeidas e supernovas anãs brancas – e, com isso, o valor de H0.

(Em contraste, a estimativa de H0 de Planck se baseia na medição de características no fundo de microondas cósmico e na previsão de sua evolução usando o modelo padrão de cosmologia, chamado Lambda-CDM. Lambda-CDM usa estimativas sobre a composição do universo inicial para fornecer uma alta descrição de precisão de sua expansão ao longo do tempo.)

Os resultados de 4 de julho que ampliaram a tensão vieram de outro projeto chamado H0 Lenses in Wellspring (H0LiCOW) da COSMOGRAIL, que buscou alcançar um resultado de universo tardio, independente do SH0ES, usando uma técnica chamada lente gravitacional. A lente gravitacional é um fenômeno previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein, na qual um objeto maciço em primeiro plano pode agir como uma lente, distorcendo a luz de um objeto de fundo muito mais distante. A colaboração da H0LiCOW concentrou-se nos quasares – núcleos extremamente brilhantes de galáxias muito distantes, abrigando buracos negros supermassivos ativos – gravitacionalmente filmados por galáxias intermediárias, como vistos da Terra. A luz da lente de um quasar pode seguir vários caminhos para a Terra – alguns mais curtos, alguns mais longos – resultando em múltiplas imagens demoradas do quasar que aparecem nas bordas da galáxia em primeiro plano.

“Os caminhos diferentes que a luz leva têm comprimentos diferentes, então há um atraso de tempo devido a isso. E eles passam por diferentes partes da galáxia (de lentes), então eles experimentam uma quantidade diferente de gravidade, ”diz o membro do H0LiCOW e da Universidade da Califórnia, Davis, o astrofísico Christopher Fassnacht. Usando esses atrasos de tempo, bem como outras propriedades, como o redshift de um quasar e a distribuição estimada de massa ao longo do caminho óptico de uma imagem de lente, a equipe do H0LiCOW calculou um valor de H0 de 76,8. Combinado com os resultados mais recentes do SH0ES, essa figura elevou a tensão com as medições H0 do início do universo de Planck a cinco vezes a incerteza, ou cinco sigma – o padrão ouro para descoberta em física, equivalente a um resultado de um em 3,5 milhões chance de ser um acaso estatístico. "Para muitas pessoas, isso é como um número mágico", diz Riess. "Você sabe, eu já estava convencido." O padrão do cinco-sigma, ele observa, foi desenvolvido por físicos de partículas, cuja miríade de experimentos rotineiramente cria petabytes de dados. Como as observações cosmológicas geralmente geram muito menos dados, diz Riess, as chances de um acaso estatístico são menores.

Passos Gigantes, Novos Padrões

O resultado do H0LiCOW deixou os pesquisadores do lado do universo tardio da tensão se sentindo justificados – mas não por muito tempo. Em 16 de julho, no meio da conferência de Kavli em Santa Bárbara, pesquisadores da Instituição Carnegie para a Ciência e da Universidade de Chicago soltou uma bomba: outra medida de H0, derivada de uma vela padrão recentemente desenvolvida, distinta das Cefeidas da SH0ES. Com um clock de 69,8, esse cálculo independente de H0 reduziu a significância estatística da tensão para um pouco abaixo do exaltado cinco sigma.

Desenvolvida principalmente pela astrofísica da Universidade de Chicago Wendy Freedman, pioneira nos estudos constantes do Hubble, esta nova vela usa estrelas gigantes vermelhas – estrelas envelhecidas que incham em tamanho e brilho ao longo de milhões de anos à medida que se convertem em hélio em seus núcleos após exaustão de seu combustível hidrogênio menos energético. Esse processo culmina em um “flash de hélio”, um clareamento rápido devido a um aumento na queima de hélio, após o que uma estrela escurece drasticamente. Modelos astrofísicos podem prever com precisão as temperaturas e pressões mais altas em que um flash de hélio acontece, permitindo aos pesquisadores discernir o pico de brilho que uma gigante vermelha pode alcançar. Gigantes vermelhos brilhando a esse limite teórico podem se tornar velas padrão. Freedman e seus colegas estudaram essas estrelas nos esparsos halos estelares ao redor de 18 grandes galáxias, usando-as para calibrar supernovas, o que levou à estimativa de H0 no meio da estrada.

Além de fornecer uma verificação independente, o método de Freedman também pode evitar alguns problemas irritantes associados a outras velas padrão comuns. Mais notavelmente, graças à sua localização na periferia deserta de uma galáxia, os gigantes vermelhos são menos propensos aos efeitos contaminantes da poeira interestelar e de outras estrelas próximas que as cefeidas. “Nós realmente lutamos com (Cepheids) quando saímos em distância, porque eles são jovens estrelas. Então, só podemos encontrá-los nos discos de galáxias espirais onde a formação de estrelas está em andamento, e assim temos que encontrá-los no contexto de toda a galáxia. As estrelas gigantes vermelhas estão no halo, isoladas, e é muito mais fácil medir luminosidades precisas para essas estrelas ”, diz Freedman.

Então, novamente, de acordo com Riess, o valor H0 intermediário da nova abordagem pode ser ele próprio um produto de erros sistemáticos, que surgem não de medições de alta fidelidade, mas de Freedman e seus colegas adivinham quanto pó está na Grande Nuvem de Magalhães. galáxia anã perto da Via Láctea que eles usam para calibrar observações vermelhas gigantes. "O novo método deles está dando muito mais poeira", diz Riess – uma situação que poderia fazer com que a equipe de Freedman subestimasse as distâncias das galáxias e, portanto, o valor real de H0. Além disso, três outros resultados de H0 revelados na conferência de Kavli – baseados em estudos de novas variedades de estrelas variáveis, de emissões de microonda de centros galácticos e de medições de brilho core-to-cusp de galáxias – aproximam-se do valor de SH0ES. A tensão, ao que parece, não vai desaparecer tão cedo.

Se a tensão é real, então os físicos modelo usados ​​para descrever o universo primordial são incompletos. Mas Lloyd Knox, um cosmólogo do universo inicial da Universidade da Califórnia, em Davis, diz que o modelo já previu tantos dados corretamente que muitos pesquisadores relutam em desistir. “O modelo Lambda-CDM foi incrivelmente bem sucedido”, diz ele. "Se houver uma grande reformulação do modelo, é difícil ver como isso não seria uma conspiração. De alguma forma, esse modelo "errado" deu tudo certo.

Até agora, todas as modificações propostas do Lambda-CDM têm desvantagens. Alguns diminuem a tensão, mas pioram a previsão do modelo de outros dados. , mas a comunidade da física reluta em aceitar qualquer coisa que não pareça intuitiva. "Não há esse tipo de bala mágica que faz isso", diz Scolnic. Esse fato, é claro, não significa que não exista resposta.

é uma coisa em que todos concordam – mais dados são necessários. Dois métodos independentes de medir H0 usando dados do universo inicial estão em estreita concordância, e a literatura oposta do universo tardio está crescendo. “Eu acho que a possibilidade da nova física continua sendo real. É uma questão interessante ", diz Freedman. Mas, ela acrescenta, seus resultados sugerem que as velas padrão mais confiáveis ​​dos astrônomos podem estar sujeitas a erros sistemáticos que passaram despercebidos até agora.

"Estamos bem neste limiar de cinco sigma e é isso que torna este momento tão especial", diz Scolnic. "Temos esse quebra-cabeça e estamos perdendo algumas peças."

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios marcados com *