Um novo conjunto de medições de distância de precisão feitas com uma coleção internacional de radiotelescópios aumentou muito a probabilidade de que os teóricos precisem revisar o "modelo padrão" que descreve a natureza fundamental do Universo.

As novas medições de distância permitiram aos astrônomos refinar seus cálculos da Constante de Hubble, a taxa de expansão do Universo, um valor importante para testar o modelo teórico que descreve a composição e evolução do Universo. O problema é que as novas medições exacerbam a discrepância entre os valores medidos anteriormente da Constante de Hubble e o valor predito pelo modelo quando aplicado às medições do fundo de micro-ondas cósmico feitas pelo satélite Planck.

"Descobrimos que as galáxias estão mais próximas do que o previsto pelo modelo padrão de cosmologia, corroborando um problema identificado em outros tipos de medidas de distância. Tem havido um debate sobre se esse problema está no próprio modelo ou nas medições usadas para testá-lo. Nosso trabalho usa uma técnica de medição de distância completamente independente de todas as outras, e reforçamos a disparidade entre os valores medidos e previstos. É provável que o modelo cosmológico básico envolvido nas previsões seja o problema, "disse James Braatz, do Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO).

Braatz lidera o Megamaser Cosmology Project, um esforço internacional para medir a Constante de Hubble encontrando galáxias com propriedades específicas que se prestam a fornecer distâncias geométricas precisas. O projeto usou o Very Long Baseline Array (VLBA) da National Science Foundation, Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), e Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), junto com o telescópio Effelsberg na Alemanha. A equipe relatou seus últimos resultados no Cartas de jornal astrofísico .

Edwin Hubble, depois de quem o telescópio espacial Hubble em órbita é nomeado, calculou pela primeira vez a taxa de expansão do universo (a Constante de Hubble) em 1929, medindo as distâncias até as galáxias e suas velocidades de recessão. Quanto mais distante uma galáxia está, quanto maior sua velocidade de recessão da Terra. Hoje, a Constante de Hubble continua sendo uma propriedade fundamental da cosmologia observacional e um foco de muitos estudos modernos.

Medir as velocidades de recessão de galáxias é relativamente simples. Determinando distâncias cósmicas, Contudo, tem sido uma tarefa difícil para os astrônomos. Para objetos em nossa própria Via Láctea, astrônomos podem obter distâncias medindo a mudança aparente na posição do objeto quando visto de lados opostos da órbita da Terra ao redor do Sol, um efeito chamado paralaxe. A primeira medição da distância de paralaxe de uma estrela ocorreu em 1838.

Além de nossa própria galáxia, paralaxes são muito pequenas para medir, então os astrônomos têm contado com objetos chamados de "velas padrão, "assim chamado porque seu brilho intrínseco se presume ser conhecido. A distância até um objeto de brilho conhecido pode ser calculada com base em quão escuro o objeto parece da Terra. Essas velas padrão incluem uma classe de estrelas chamadas variáveis ​​Cefeidas e um tipo específico de explosão estelar chamada supernova Tipo Ia.

Outro método de estimar a taxa de expansão envolve a observação de quasares distantes cuja luz é dobrada pelo efeito gravitacional de uma galáxia em primeiro plano em várias imagens. Quando o quasar varia em brilho, a mudança aparece nas diferentes imagens em momentos diferentes. Medindo essa diferença de tempo, junto com cálculos da geometria da curvatura da luz, produz uma estimativa da taxa de expansão.

As determinações da Constante de Hubble com base nas velas padrão e nos quasares com lentes gravitacionais produziram números de 73-74 quilômetros por segundo (a velocidade) por megaparsec (distância em unidades preferidas pelos astrônomos).

Contudo, as previsões da Constante de Hubble do modelo cosmológico padrão quando aplicadas a medições da radiação cósmica de fundo (CMB) - a radiação residual do Big Bang - produzem um valor de 67,4, uma diferença significativa e preocupante. Esta diferença, que os astrônomos dizem que está além dos erros experimentais nas observações, tem sérias implicações para o modelo padrão.

O modelo é chamado Lambda Cold Dark Matter, ou Lambda CDM, onde "Lambda" se refere à constante cosmológica de Einstein e é uma representação da energia escura. O modelo divide a composição do Universo principalmente entre matéria comum, matéria escura, e energia escura, e descreve como o Universo evoluiu desde o Big Bang.

O Megamaser Cosmology Project se concentra em galáxias com discos de gás molecular contendo água orbitando buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Se o disco orbital for visto quase de lado da Terra, pontos brilhantes de emissão de rádio, chamados masers - rádio análogos aos lasers de luz visível - podem ser usados ​​para determinar o tamanho físico do disco e sua extensão angular, e portanto, através da geometria, sua distância. A equipe do projeto usa a coleção mundial de radiotelescópios para fazer as medições de precisão necessárias para esta técnica.

Em seu último trabalho, a equipe refinou suas medições de distância para quatro galáxias, em distâncias que variam de 168 milhões de anos-luz a 431 milhões de anos-luz. Combinado com medições de distância anteriores de duas outras galáxias, seus cálculos produziram um valor para a Constante de Hubble de 73,9 quilômetros por segundo por megaparsec.

"Testar o modelo padrão de cosmologia é um problema realmente desafiador que requer as melhores medições da Constante de Hubble. A discrepância entre os valores previstos e medidos da Constante de Hubble aponta para um dos problemas mais fundamentais de toda a física, então gostaríamos de ter vários, medidas independentes que corroboram o problema e testam o modelo. Nosso método é geométrico, e completamente independente de todos os outros, e reforça a discrepância, "disse Dom Pesce, pesquisadora do Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian, e autor principal no artigo mais recente.

"O método maser de medir a taxa de expansão do universo é elegante, e, ao contrário dos outros, com base na geometria. Medindo posições extremamente precisas e dinâmica de pontos maser no disco de acreção ao redor de um buraco negro distante, podemos determinar a distância até as galáxias hospedeiras e, em seguida, a taxa de expansão. Nosso resultado com essa técnica única fortalece o caso de um problema-chave na cosmologia observacional ", disse Mark Reid, do Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, e membro da equipe do Megamaser Cosmology Project.

"Nossa medição da Constante de Hubble está muito próxima de outras medições recentes, e estatisticamente muito diferente das previsões baseadas no CMB e no modelo cosmológico padrão. Todas as indicações são de que o modelo padrão precisa de revisão, "disse Braatz.

Os astrônomos têm várias maneiras de ajustar o modelo para resolver a discrepância. Alguns deles incluem mudanças nas suposições sobre a natureza da energia escura, afastando-se da constante cosmológica de Einstein. Outros olham para mudanças fundamentais na física de partículas, como alterar os números ou tipos de neutrinos ou as possibilidades de interação entre eles. Existem outras possibilidades, ainda mais exótico, e, no momento, os cientistas não têm evidências claras para discriminá-los.

"Este é um caso clássico de interação entre observação e teoria. O modelo Lambda CDM tem funcionado muito bem há anos, mas agora as observações estão apontando claramente para um problema que precisa ser resolvido, e parece que o problema está no modelo, "Pesce disse.