Usando dois dos telescópios espaciais mais poderosos do mundo - o Hubble da NASA e o Gaia da ESA - os astrônomos fizeram as medições mais precisas até hoje da taxa de expansão do universo. Isso é calculado medindo as distâncias entre galáxias próximas usando tipos especiais de estrelas chamadas variáveis Cefeidas como padrões cósmicos. Ao comparar seu brilho intrínseco medido pelo Hubble, com seu brilho aparente visto da Terra, os cientistas podem calcular suas distâncias. Gaia refina ainda mais esse parâmetro medindo geometricamente as distâncias até as variáveis Cefeidas dentro de nossa galáxia, a Via Láctea. Isso permitiu aos astrônomos calibrar com mais precisão as distâncias às Cefeidas que são vistas em galáxias externas. Crédito:NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
Usando o poder e a sinergia de dois telescópios espaciais, os astrônomos fizeram a medição mais precisa até o momento da taxa de expansão do universo.
Os resultados alimentam ainda mais a incompatibilidade entre as medições para a taxa de expansão do universo próximo, e os distantes, universo primitivo - antes mesmo de estrelas e galáxias existirem.
Essa chamada "tensão" implica que pode haver uma nova física subjacente aos fundamentos do universo. As possibilidades incluem a força de interação da matéria escura, energia escura sendo ainda mais exótica do que se pensava, ou uma nova partícula desconhecida na tapeçaria do espaço.
Combinando observações do telescópio espacial Hubble da NASA e do observatório espacial Gaia da Agência Espacial Européia (ESA), astrônomos refinaram ainda mais o valor anterior para a constante de Hubble, a taxa na qual o universo está se expandindo desde o big bang, 13,8 bilhões de anos atrás.
Mas, à medida que as medições se tornam mais precisas, a determinação da equipe da constante de Hubble está cada vez mais em desacordo com as medições de outro observatório espacial, A missão Planck da ESA, que está chegando com um valor predito diferente para a constante de Hubble.
Planck mapeou o universo primordial, visto que parecia apenas 360, 000 anos após o big bang. Todo o céu está impresso com a assinatura do big bang codificado em microondas. Planck mediu os tamanhos das ondulações neste Fundo de Microondas Cósmico (CMB) que foram produzidas por pequenas irregularidades na bola de fogo do big bang. Os pequenos detalhes dessas ondulações codificam quanta matéria escura e matéria normal existe, a trajetória do universo naquela época, e outros parâmetros cosmológicos.
Essas medidas, ainda sendo avaliado, permitem que os cientistas prevejam como o universo primitivo provavelmente teria evoluído para a taxa de expansão que podemos medir hoje. Contudo, essas previsões não parecem corresponder às novas medições do nosso universo contemporâneo próximo.
"Com a adição desses novos dados do Telescópio Espacial Hubble e Gaia, agora temos uma séria tensão com os dados do Cosmic Microwave Background, "disse o membro da equipe Planck e analista-chefe George Efstathiou do Kavli Institute for Cosmology em Cambridge, Inglaterra, que não estava envolvido com o novo trabalho.
"A tensão parece ter crescido e se tornado uma incompatibilidade completa entre nossas visões do universo primitivo e tardio, "disse o líder da equipe e ganhador do Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute e da Johns Hopkins University em Baltimore, Maryland. "Neste ponto, claramente não é simplesmente um erro grosseiro em qualquer medição. É como se você previsse a altura de uma criança a partir de um gráfico de crescimento e descobrisse que o adulto em que ela se tornou excedeu em muito a previsão. Estamos muito perplexos. "
Em 2005, Riess e membros da equipe SHOES (Supernova H0 para a Equação de Estado) começaram a medir a taxa de expansão do universo com uma precisão sem precedentes. Nos anos seguintes, refinando suas técnicas, essa equipe reduziu a incerteza da medição da taxa a níveis sem precedentes. Agora, com o poder de Hubble e Gaia combinados, eles reduziram essa incerteza para apenas 2,2 por cento.
Como a constante de Hubble é necessária para estimar a idade do universo, a resposta tão procurada é um dos números mais importantes da cosmologia. É o nome do astrônomo Edwin Hubble, que quase um século atrás descobriu que o universo estava se expandindo uniformemente em todas as direções - uma descoberta que deu origem à cosmologia moderna.
As galáxias parecem recuar da Terra proporcionalmente às suas distâncias, o que significa que quanto mais longe eles estão, mais rápido eles parecem estar se afastando. Esta é uma consequência da expansão do espaço, e não um valor de velocidade espacial verdadeira. Medindo o valor da constante de Hubble ao longo do tempo, astronomers can construct a picture of our cosmic evolution, infer the make-up of the universe, and uncover clues concerning its ultimate fate.
The two major methods of measuring this number give incompatible results. One method is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Together, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. However, the pieces don't fit.
Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. However, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.
Ao longo dos anos, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.
To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.
Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.
"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.
"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."
The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. Enquanto isso, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.
The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Astrophysical Journal .
