Vinte anos atrás, os cientistas ficaram chocados ao perceber que nosso universo não está apenas se expandindo, mas que está se expandindo mais rapidamente com o tempo.

Determinando a taxa exata de expansão, chamada de constante de Hubble em homenagem ao famoso astrônomo e ex-aluno da UChicago Edwin Hubble, foi surpreendentemente difícil. Desde então, os cientistas têm usado dois métodos para calcular o valor, e eles apresentam resultados dolorosamente diferentes. Mas a captura surpreendente do ano passado de ondas gravitacionais que irradiam de uma colisão de estrelas de nêutrons ofereceu uma terceira maneira de calcular a constante de Hubble.

Esse foi apenas um único ponto de dados de uma colisão, mas em um novo artigo publicado em 17 de outubro em Natureza , três cientistas da Universidade de Chicago estimam que, dada a rapidez com que os pesquisadores viram a primeira colisão de estrelas de nêutrons, eles poderiam ter uma medição muito precisa da constante de Hubble dentro de cinco a dez anos.

"A constante de Hubble informa o tamanho e a idade do universo; tem sido um Santo Graal desde o nascimento da cosmologia. O cálculo disso com ondas gravitacionais pode nos dar uma perspectiva totalmente nova do universo, "disse o autor do estudo Daniel Holz, um professor de física da UChicago que foi coautor do primeiro cálculo desse tipo a partir da descoberta de 2017. "A questão é:quando isso muda o jogo da cosmologia?"

Em 1929, Edwin Hubble anunciou que, com base em suas observações de galáxias além da Via Láctea, eles pareciam estar se afastando de nós - e quanto mais longe a galáxia, mais rápido estava recuando. Esta é a pedra angular da teoria do Big Bang, e deu início a uma busca de quase um século pela taxa exata em que isso está ocorrendo.

Para calcular a taxa de expansão do universo, os cientistas precisam de dois números. Um é a distância de um objeto distante; a outra é a rapidez com que o objeto está se afastando de nós por causa da expansão do universo. Se você pode ver com um telescópio, a segunda quantidade é relativamente fácil de determinar, porque a luz que você vê quando olha para uma estrela distante muda para o vermelho à medida que se afasta. Os astrônomos têm usado esse truque para ver a velocidade com que um objeto se move há mais de um século - é como o efeito Doppler, em que uma sirene muda de tom quando uma ambulância passa.

'Principais questões em cálculos'

Mas obter uma medida exata da distância é muito mais difícil. Tradicionalmente, astrofísicos usaram uma técnica chamada escada da distância cósmica, em que o brilho de certas estrelas variáveis ​​e supernovas pode ser usado para construir uma série de comparações que chegam ao objeto em questão. "O problema é, se você arranhar abaixo da superfície, há várias etapas com muitas suposições ao longo do caminho, "Holz disse.

Talvez as supernovas usadas como marcadores não sejam tão consistentes quanto se pensava. Talvez estejamos confundindo alguns tipos de supernovas com outros, ou há algum erro desconhecido em nossa medição de distâncias a estrelas próximas. "Há muita astrofísica complicada lá que pode atrapalhar as leituras de várias maneiras, " ele disse.

A outra forma principal de calcular a constante de Hubble é olhar para a radiação cósmica de fundo - o pulso de luz criado bem no início do universo, que ainda é fracamente detectável. Embora também seja útil, este método também se baseia em suposições sobre como o universo funciona.

O surpreendente é que, embora os cientistas que fazem cada cálculo estejam confiantes sobre seus resultados, eles não combinam. Um diz que o universo está se expandindo quase 10% mais rápido do que o outro. "Esta é uma questão importante na cosmologia agora, "disse o primeiro autor do estudo, Hsin-Yu Chen, em seguida, um estudante de graduação na UChicago e agora um membro da Iniciativa Black Hole da Universidade de Harvard.

Então, os detectores LIGO obtiveram sua primeira ondulação no tecido do espaço-tempo com a colisão de duas estrelas no ano passado. Isso não só abalou o observatório, mas o próprio campo da astronomia:ser capaz de sentir a onda gravitacional e ver a luz das consequências da colisão com um telescópio deu aos cientistas uma nova ferramenta poderosa. "Foi uma espécie de constrangimento de riquezas, "Holz disse.

As ondas gravitacionais oferecem uma maneira completamente diferente de calcular a constante de Hubble. Quando duas estrelas massivas se chocam, eles enviam ondas na estrutura do espaço-tempo que podem ser detectadas na Terra. Medindo esse sinal, os cientistas podem obter uma assinatura da massa e energia das estrelas em colisão. Quando eles comparam esta leitura com a força das ondas gravitacionais, eles podem inferir a que distância está.

Esta medição é mais limpa e contém menos suposições sobre o universo, o que deve torná-lo mais preciso, Disse Holz. Junto com Scott Hughes no MIT, ele sugeriu a ideia de fazer essa medição com ondas gravitacionais emparelhadas com leituras do telescópio em 2005. A única questão é com que frequência os cientistas conseguiam captar esses eventos, e quão bons seriam os dados deles.

'Só vai ficar mais interessante'

O artigo prevê que, uma vez que os cientistas detectaram 25 leituras de colisões de estrelas de nêutrons, eles medem a expansão do universo com uma precisão de 3 por cento. Com 200 leituras, esse número diminui para 1 por cento.

"Foi uma grande surpresa para mim quando começamos as simulações, "Disse Chen." Ficou claro que poderíamos alcançar a precisão, e poderíamos alcançá-lo rapidamente. "

Um novo número preciso para a constante de Hubble seria fascinante, não importa a resposta, disseram os cientistas. Por exemplo, uma possível razão para a incompatibilidade nos outros dois métodos é que a própria natureza da gravidade pode ter mudado com o tempo. A leitura também pode lançar luz sobre a energia escura, uma força misteriosa responsável pela expansão do universo.

"Com a colisão que vimos no ano passado, tivemos sorte - estava perto de nós, por isso foi relativamente fácil encontrar e analisar, "disse Maya Fishbach, um estudante de graduação da UChicago e o outro autor do artigo. "As futuras detecções serão muito mais distantes, mas assim que tivermos a próxima geração de telescópios, devemos ser capazes de encontrar contrapartes para essas detecções distantes também. "

Os detectores LIGO estão planejados para iniciar uma nova execução de observação em fevereiro de 2019, juntaram-se aos seus homólogos italianos da VIRGO. Graças a uma atualização, as sensibilidades dos detectores serão muito maiores - expandindo o número e a distância de eventos astronômicos que eles podem captar.

"Só vai ficar mais interessante a partir daqui, "Holz disse.