Uma equipe de astrônomos usando o telescópio espacial Hubble da NASA mediu a taxa de expansão do universo usando uma técnica que é completamente independente de qualquer método anterior.

Saber o valor preciso de quão rápido o universo se expande é importante para determinar a idade, Tamanho, e o destino do cosmos. Desvendar esse mistério tem sido um dos maiores desafios da astrofísica nos últimos anos. O novo estudo adiciona evidências à ideia de que novas teorias podem ser necessárias para explicar o que os cientistas estão descobrindo.

O resultado dos pesquisadores reforça ainda mais uma discrepância preocupante entre a taxa de expansão, chamada de constante de Hubble, calculado a partir de medições do universo local e da taxa prevista a partir da radiação de fundo no universo inicial, um tempo antes de galáxias e estrelas sequer existirem.

Este último valor representa a medição mais precisa ainda usando o método de lente gravitacional, onde a gravidade de uma galáxia em primeiro plano atua como uma lente de aumento gigante, amplificando e distorcendo a luz de objetos de fundo. Este último estudo não se baseou na técnica tradicional de "escada de distância cósmica" para medir distâncias precisas às galáxias usando vários tipos de estrelas como "marcadores de milha". Em vez de, os pesquisadores empregaram a física exótica das lentes gravitacionais para calcular a taxa de expansão do universo.

A equipe de astronomia que fez as novas medições de constantes do Hubble é chamada de H0LiCOW (Lentes H0 na fonte do COSMOGRAIL). COSMOGRAIL é a sigla para Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, um grande projeto internacional cujo objetivo é monitorar lentes gravitacionais. "Wellspring" refere-se ao suprimento abundante de sistemas de lentes de quasar.

A equipe de pesquisa derivou o valor H0LiCOW para a constante de Hubble por meio de técnicas de observação e análise que foram bastante refinadas nas últimas duas décadas.

H0LiCOW e outras medições recentes sugerem uma taxa de expansão mais rápida no universo local do que a esperada com base nas observações do satélite Planck da Agência Espacial Europeia de como o cosmos se comportava há mais de 13 bilhões de anos.

O abismo entre os dois valores tem implicações importantes para a compreensão dos parâmetros físicos subjacentes do universo e pode exigir uma nova física para explicar a incompatibilidade.

"Se esses resultados não concordarem, pode ser um indício de que ainda não entendemos totalmente como a matéria e a energia evoluíram ao longo do tempo, particularmente nos primeiros tempos, "disse o líder da equipe H0LiCOW, Sherry Suyu, do Instituto Max Planck de Astrofísica na Alemanha, a Universidade Técnica de Munique, e o Instituto Sinica de Astronomia e Astrofísica da Academia em Taipei, Taiwan.

Como eles fizeram isso

A equipe H0LiCOW usou o Hubble para observar a luz de seis quasares distantes, os holofotes brilhantes de gás orbitando buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Os quasares são objetos de fundo ideais por muitos motivos; por exemplo, eles são brilhantes, extremamente distante, e espalhados por todo o céu. O telescópio observou como a luz de cada quasar foi multiplicada em quatro imagens pela gravidade de uma grande galáxia em primeiro plano. As galáxias estudadas estão de 3 bilhões a 6,5 ​​bilhões de anos-luz de distância. A distância média dos quasares é de 5,5 bilhões de anos-luz da Terra.

Os raios de luz de cada imagem de quasar com lente percorrem um caminho ligeiramente diferente através do espaço para chegar à Terra. O comprimento do caminho depende da quantidade de matéria que está distorcendo o espaço ao longo da linha de visão do quasar. Para rastrear cada caminho, os astrônomos monitoram a oscilação da luz do quasar enquanto seu buraco negro engole o material. Quando a luz pisca, cada imagem com lente aumenta o brilho em um momento diferente.

Esta sequência intermitente permite aos pesquisadores medir os atrasos de tempo entre cada imagem conforme a luz da lente viaja ao longo de seu caminho para a Terra. Para entender totalmente esses atrasos, a equipe usou o Hubble pela primeira vez para fazer mapas precisos da distribuição da matéria em cada galáxia de lente. Os astrônomos poderiam então deduzir com segurança as distâncias da galáxia ao quasar, e da Terra para a galáxia e para o quasar de fundo. Ao comparar esses valores de distância, os pesquisadores mediram a taxa de expansão do universo.

"A duração de cada atraso de tempo indica a rapidez com que o universo está se expandindo, "disse o membro da equipe Kenneth Wong, do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio, autor principal do artigo mais recente da colaboração H0LiCOW. "Se os atrasos forem menores, então o universo está se expandindo em um ritmo mais rápido. Se eles forem mais longos, então a taxa de expansão é mais lenta. "

O processo de retardo é análogo a quatro trens que saem da mesma estação exatamente ao mesmo tempo e viajam na mesma velocidade para chegar ao mesmo destino. Contudo, cada um dos trens chega ao destino em um horário diferente. Isso porque cada trem segue uma rota diferente, e a distância para cada rota não é a mesma. Alguns trens viajam sobre colinas. Outros passam por vales, e outros ainda se arrastam pelas montanhas. Dos tempos de chegada variados, pode-se inferir que cada trem percorreu uma distância diferente para chegar à mesma parada. De forma similar, o padrão de cintilação do quasar não aparece ao mesmo tempo porque parte da luz é atrasada viajando em torno das curvas criadas pela gravidade da matéria densa na galáxia intermediária.

Como se compara

Os pesquisadores calcularam um valor constante de Hubble de 73 quilômetros por segundo por megaparsec (com incerteza de 2,4%). Isso significa que para cada 3,3 milhões de anos-luz de distância, uma galáxia está da Terra, parece estar se movendo 73 quilômetros por segundo mais rápido, por causa da expansão do universo.

A medição da equipe também está próxima do valor constante de Hubble de 74 calculado pela equipe Supernova H0 para a Equação de Estado (SH0ES), que usou a técnica da escada de distância cósmica. A medição SH0ES é baseada na medição das distâncias às galáxias próximas e distantes da Terra usando estrelas variáveis ​​Cefeidas e supernovas como bastões de medição para as galáxias.

Os valores de SH0ES e H0LiCOW diferem significativamente do número de Planck de 67, fortalecendo a tensão entre as medições constantes de Hubble do universo moderno e o valor previsto com base em observações do universo primitivo.

"Um dos desafios que superamos foi ter programas de monitoramento dedicados por meio do COSMOGRAIL para obter os atrasos de vários desses sistemas de lentes de quasar, "disse Frédéric Courbin da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, líder do projeto COSMOGRAIL.

Suyu acrescentou:"Ao mesmo tempo, novas técnicas de modelagem de massa foram desenvolvidas para medir a distribuição de matéria de uma galáxia, incluindo modelos que projetamos para usar a imagem de alta resolução do Hubble. As imagens nos permitiram reconstruir, por exemplo, as galáxias hospedeiras dos quasares. Essas imagens, junto com imagens adicionais de campo mais amplo tiradas de telescópios terrestres, também nos permitem caracterizar o ambiente do sistema de lentes, que afeta a curvatura dos raios de luz. As novas técnicas de modelagem em massa, em combinação com os atrasos de tempo, nos ajude a medir distâncias precisas até as galáxias. "

Iniciado em 2012, a equipe do H0LiCOW agora tem imagens do Hubble e informações de atraso de tempo para 10 quasares com lentes e galáxias com lentes intermediárias. A equipe continuará a pesquisar e acompanhar novos quasares com lentes em colaboração com pesquisadores de dois novos programas. Um programa, chamado de STRIDES (Strong-lensing Insights into Dark Energy Survey), está em busca de novos sistemas de quasar com lentes. O segundo, chamado SHARP (programa de lentes fortes em alta resolução angular), usa óptica adaptativa com o W.M. Keck faz um telescópio para obter imagens dos sistemas de lentes. O objetivo da equipe é observar mais 30 sistemas de quasar com lentes para reduzir sua incerteza de 2,4% por cento para 1%.

O próximo telescópio espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 2021, pode ajudá-los a atingir seu objetivo de 1% de incerteza muito mais rápido por meio da capacidade de Webb de mapear as velocidades das estrelas em uma galáxia em lente, que permitirá aos astrônomos desenvolver modelos mais precisos da distribuição da matéria escura na galáxia.

O trabalho da equipe H0LiCOW também abre caminho para estudar centenas de quasares com lentes que os astrônomos estão descobrindo por meio de pesquisas como o Dark Energy Survey e PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), e o próximo Large Synoptic Survey Telescope da National Science Foundation, que deve descobrir milhares de fontes adicionais.

Além disso, O Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) da NASA ajudará os astrônomos a resolver o desacordo no valor da constante de Hubble, traçando a história de expansão do universo. A missão também usará várias técnicas, como amostrar milhares de supernovas e outros objetos a várias distâncias, para ajudar a determinar se a discrepância é resultado de erros de medição, técnica de observação, ou se os astrônomos precisam ajustar a teoria da qual derivam suas previsões.

A equipe apresentará seus resultados na 235ª reunião da American Astronomical Society em Honolulu, Havaí.