Os astrônomos têm usado o telescópio espacial Hubble da NASA para fazer as medições mais precisas da taxa de expansão do universo desde que foi calculado pela primeira vez há quase um século. Curiosamente, os resultados estão forçando os astrônomos a considerar que podem estar vendo evidências de algo inesperado em funcionamento no universo.

Isso porque a última descoberta do Hubble confirma uma discrepância incômoda mostrando que o universo está se expandindo mais rápido agora do que era esperado de sua trajetória vista logo após o big bang. Os pesquisadores sugerem que pode haver uma nova física para explicar a inconsistência.

"A comunidade está realmente lutando para entender o significado dessa discrepância, "disse o pesquisador principal e ganhador do Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute (STScI) e da Johns Hopkins University, ambos em Baltimore, Maryland.

A equipe de Riess, que inclui Stefano Casertano, também do STScI e Johns Hopkins, tem usado o Hubble nos últimos seis anos para refinar as medições das distâncias até as galáxias, usando suas estrelas como marcadores de milha. Essas medidas são usadas para calcular a rapidez com que o universo se expande com o tempo, um valor conhecido como constante de Hubble. O novo estudo da equipe estende o número de estrelas analisadas a distâncias até 10 vezes mais distantes no espaço do que os resultados anteriores do Hubble.

Mas o valor de Riess reforça a disparidade com o valor esperado derivado de observações da expansão do universo inicial, 378, 000 anos após o big bang - o evento violento que criou o universo há cerca de 13,8 bilhões de anos. Essas medições foram feitas pelo satélite Planck da Agência Espacial Europeia, que mapeia a radiação cósmica de fundo, uma relíquia do big bang. A diferença entre os dois valores é de cerca de 9 por cento. As novas medições de Hubble ajudam a reduzir a chance de que a discrepância nos valores seja uma coincidência de 1 em 5, 000

O resultado de Planck previu que o valor da constante de Hubble agora deve ser de 67 quilômetros por segundo por megaparsec (3,3 milhões de anos-luz), e não pode ser superior a 69 quilômetros por segundo por megaparsec. Isso significa que para cada 3,3 milhões de anos-luz mais longe de nós, uma galáxia está está se movendo 67 quilômetros por segundo mais rápido. Mas a equipe de Riess mediu um valor de 73 quilômetros por segundo por megaparsec, indicando que as galáxias estão se movendo a uma taxa mais rápida do que o sugerido pelas observações do universo primitivo.

Os dados do Hubble são tão precisos que os astrônomos não podem descartar a lacuna entre os dois resultados como erros em qualquer medição ou método único. "Ambos os resultados foram testados de várias maneiras, então, exceto uma série de erros não relacionados, "Riess explicou, "é cada vez mais provável que isso não seja um bug, mas uma característica do universo."

Explicando uma discrepância irritante

Riess descreveu algumas explicações possíveis para a incompatibilidade, todos relacionados aos 95 por cento do universo que está envolto em trevas. Uma possibilidade é que a energia escura, já conhecido por estar acelerando o cosmos, podem estar afastando galáxias umas das outras com uma força ainda maior - ou crescente. Isso significa que a própria aceleração pode não ter um valor constante no universo, mas muda ao longo do tempo no universo. Riess compartilhou o Prêmio Nobel pela descoberta de 1998 do universo em aceleração.

Outra ideia é que o universo contém uma nova partícula subatômica que viaja perto da velocidade da luz. Essas partículas velozes são chamadas coletivamente de "radiação escura" e incluem partículas previamente conhecidas, como neutrinos, que são criados em reações nucleares e decaimentos radioativos. Ao contrário de um neutrino normal, que interage por uma força subatômica, esta nova partícula seria afetada apenas pela gravidade e é apelidada de "neutrino estéril".

Ainda outra possibilidade atraente é que a matéria escura (uma forma invisível de matéria não composta de prótons, nêutrons, e elétrons) interage mais fortemente com a matéria normal ou radiação do que anteriormente assumido.

Qualquer um desses cenários mudaria o conteúdo do universo primordial, levando a inconsistências nos modelos teóricos. Essas inconsistências resultariam em um valor incorreto para a constante de Hubble, inferida a partir de observações do jovem cosmos. Esse valor então estaria em desacordo com o número derivado das observações do Hubble.

Riess e seus colegas ainda não têm respostas para este problema irritante, mas sua equipe continuará trabalhando no ajuste fino da taxa de expansão do universo. Até aqui, A equipe de Riess, chamada de Supernova H0 para a Equação de Estado (SH0ES), diminuiu a incerteza para 2,3 por cento. Antes do Hubble ser lançado em 1990, as estimativas da constante de Hubble variaram por um fator de dois. Um dos principais objetivos do Hubble era ajudar os astrônomos a reduzir o valor dessa incerteza para um erro de apenas 10 por cento. Desde 2005, o grupo está em uma busca para refinar a precisão da constante de Hubble para uma precisão que permite uma melhor compreensão do comportamento do universo.

Construindo uma Escada de Distância Forte

A equipe teve sucesso em refinar o valor constante de Hubble, simplificando e fortalecendo a construção da escada da distância cósmica, que os astrônomos usam para medir distâncias precisas para galáxias próximas e distantes da Terra. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. Em vez de, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, Portanto, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 anos-luz da Terra, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Portanto, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.