Investigar a história do nosso cosmos com uma grande amostra de galáxias "ativas" distantes observadas pelo XMM-Newton da ESA, uma equipe de astrônomos descobriu que pode haver mais para a expansão inicial do universo do que o previsto pelo modelo padrão de cosmologia.

De acordo com o cenário principal, nosso universo contém apenas uma pequena porcentagem de matéria comum. Um quarto do cosmos é feito de matéria escura indescritível, que podemos sentir gravitacionalmente, mas não observar, e o resto consiste na ainda mais misteriosa energia escura que está impulsionando a atual aceleração da expansão do universo.

Este modelo é baseado em uma infinidade de dados coletados nas últimas décadas, da radiação cósmica de fundo, ou CMB - a primeira luz na história do cosmos, lançado apenas 380, 000 anos após o big bang e observado em detalhes sem precedentes pela missão Planck da ESA - para observações mais 'locais'. O último inclui explosões de supernova, aglomerados de galáxias e a distorção gravitacional impressa pela matéria escura em galáxias distantes, e pode ser usado para rastrear a expansão cósmica em épocas recentes da história cósmica - ao longo dos últimos nove bilhões de anos.

Um novo estudo, liderado por Guido Risaliti da Università di Firenze, Itália, e Elisabeta Lusso da Durham University, REINO UNIDO, aponta para outro tipo de traçador cósmico - quasares - que preencheria parte da lacuna entre essas observações, medindo a expansão do universo até 12 bilhões de anos atrás.

Quasares são os núcleos de galáxias onde um buraco negro supermassivo ativo está puxando matéria de seus arredores a taxas muito intensas, brilhando intensamente em todo o espectro eletromagnético. Conforme o material cai no buraco negro, forma um disco em espiral que irradia luz visível e ultravioleta; esta luz, por sua vez, aquece elétrons próximos, geração de raios-X.

Três anos atrás, Guido e Elisabeta perceberam que uma relação bem conhecida entre o ultravioleta e o brilho dos raios X dos quasares poderia ser usada para estimar a distância a essas fontes - algo que é notoriamente complicado em astronomia - e, em última análise, para sondar a história de expansão do universo.

Fontes astronômicas cujas propriedades nos permitem medir suas distâncias são chamadas de 'velas padrão'.

A classe mais notável, conhecido como supernova 'tipo Ia', consiste na morte espetacular de estrelas anãs brancas depois de terem preenchido excessivamente o material de uma estrela companheira, gerando explosões de brilho previsível que permite aos astrônomos identificar a distância. As observações dessas supernovas no final da década de 1990 revelaram a expansão acelerada do universo nos últimos bilhões de anos.

"Usar quasares como velas padrão tem um grande potencial, uma vez que podemos observá-los a distâncias muito maiores de nós do que as supernovas do tipo Ia, e assim usá-los para sondar épocas muito anteriores na história do cosmos, "explica Elisabeta.

Com uma amostra considerável de quasares em mãos, os astrônomos agora colocaram seu método em prática, e os resultados são intrigantes.

Pesquisando o arquivo XMM-Newton, eles coletaram dados de raios-X para mais de 7.000 quasares, combinando-os com observações ultravioleta do Sloan Digital Sky Survey. Eles também usaram um novo conjunto de dados, especialmente obtido com XMM-Newton em 2017 para olhar para quasares muito distantes, observando-os como eram quando o universo tinha apenas cerca de dois bilhões de anos. Finalmente, eles complementaram os dados com um pequeno número de quasares ainda mais distantes e com alguns relativamente próximos, observado com os observatórios de raios-X Chandra e Swift da NASA, respectivamente.

"Uma amostra tão grande nos permitiu examinar a relação entre os raios-X e a emissão ultravioleta de quasares em detalhes meticulosos, que refinou muito nossa técnica para estimar sua distância, "diz Guido.

As novas observações XMM-Newton de quasares distantes são tão boas que a equipe até identificou dois grupos diferentes:70 por cento das fontes brilham intensamente em raios-X de baixa energia, enquanto os 30% restantes emitem quantidades menores de raios-X, caracterizados por energias mais altas. Para uma análise posterior, eles mantiveram apenas o grupo anterior de fontes, em que a relação entre os raios X e a emissão ultravioleta parece mais clara.

"É notável que possamos discernir tal nível de detalhe em fontes tão distantes de nós que sua luz viajou por mais de dez bilhões de anos antes de chegar até nós, "diz Norbert Schartel, Cientista do projeto XMM-Newton na ESA.

Depois de folhear os dados e reduzir a amostra para cerca de 1600 quasares, os astrônomos ficaram com as melhores observações, levando a estimativas robustas da distância a essas fontes que eles poderiam usar para investigar a expansão do universo.

"Quando combinamos a amostra de quasar, que abrange quase 12 bilhões de anos de história cósmica, com a amostra mais local de supernovas tipo Ia, cobrindo apenas os últimos oito bilhões de anos ou mais, encontramos resultados semelhantes nas épocas sobrepostas, "diz Elisabeta.

"Contudo, nas fases anteriores, que só podemos sondar com quasares, encontramos uma discrepância entre a evolução observada do universo e o que preveríamos com base no modelo cosmológico padrão. "

Olhando para este período anteriormente mal explorado da história cósmica com a ajuda de quasares, os astrônomos revelaram uma possível tensão no modelo padrão de cosmologia, o que pode exigir a adição de parâmetros extras para reconciliar os dados com a teoria.

"Uma das soluções possíveis seria invocar uma energia escura em evolução, com uma densidade que aumenta com o passar do tempo, "diz Guido.

Aliás, este modelo específico também aliviaria outra tensão que tem mantido os cosmologistas ocupados ultimamente, a respeito da constante de Hubble - a taxa atual de expansão cósmica. Esta discrepância foi encontrada entre as estimativas da constante de Hubble no universo local, com base em dados de supernova - e, independentemente, em aglomerados de galáxias - e aqueles baseados nas observações de Planck da radiação cósmica de fundo no universo primitivo.

"Este modelo é bastante interessante porque pode resolver dois quebra-cabeças de uma vez, mas o júri definitivamente ainda não foi decidido e teremos que olhar muitos mais modelos detalhadamente antes de resolvermos este enigma cósmico, "acrescenta Guido.

A equipe está ansiosa para observar ainda mais quasares no futuro para refinar ainda mais seus resultados. Pistas adicionais também virão da missão Euclides da ESA, programado para um lançamento em 2022 para explorar os últimos dez bilhões de anos de expansão cósmica e investigar a natureza da energia escura.

“Estes são tempos interessantes para investigar a história do nosso universo, e é empolgante que o XMM-Newton possa contribuir olhando para uma época cósmica que permaneceu praticamente inexplorada até agora, "conclui Norbert.