O universo está se expandindo, mas os astrofísicos não têm certeza de quão rápido essa expansão está acontecendo - não porque não haja respostas, mas sim porque as respostas que eles poderiam dar não concordam.

Agora, Simon Birrer, um pós-doutorado na Universidade de Stanford e no Instituto Kavli de Física de Partículas e Astrofísica no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, e uma equipe internacional de pesquisadores tem uma nova resposta que pode, uma vez refinado com mais dados, ajudar a resolver o debate.

Essa nova resposta é o resultado de revisitar um método de décadas chamado cosmografia de atraso de tempo com novas suposições e dados adicionais para derivar uma nova estimativa da constante de Hubble, uma medida da expansão do Universo. Birrer e colegas publicaram seus resultados em 20 de novembro no jornal Astronomia e Astrofísica .

"É a continuação de um grande e bem-sucedido esforço de uma década feito por uma grande equipe, com uma redefinição em certos aspectos-chave de nossa análise, "Birrer disse, e um lembrete de que "devemos sempre reconsiderar nossas suposições. Nosso trabalho recente segue exatamente esse espírito".

Distância, velocidade e som

Os cosmologistas sabem há quase um século que o cosmos está se expandindo, e nesse tempo eles estabeleceram duas formas principais de medir essa expansão. Um método é a escada da distância cósmica, uma série de etapas que ajudam a estimar a distância até supernovas distantes. Ao examinar o espectro de luz dessas supernovas, os cientistas podem calcular a rapidez com que estão se afastando de nós, em seguida, divida pela distância para estimar a constante de Hubble. (A constante de Hubble é geralmente medida em quilômetros por segundo por megaparsec, refletindo o fato de que o próprio espaço está crescendo, de modo que objetos mais distantes se afastem de nós mais rapidamente do que objetos mais próximos.)

Os astrofísicos também podem estimar a constante de ondulações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB. Essas ondulações resultam de ondas sonoras viajando através do plasma no início do universo. Ao medir o tamanho das ondulações, eles podem inferir há quanto tempo e a que distância a luz CMB que vemos hoje foi criada. Baseando-se na teoria cosmológica bem estabelecida, os pesquisadores podem então estimar a rapidez com que o universo está se expandindo.

Ambas as abordagens, Contudo, têm desvantagens. Os métodos de ondas sonoras dependem muito de como o som viajou no universo primitivo, que depende, por sua vez, da mistura particular de tipos de matéria no momento, em quanto tempo as ondas sonoras viajaram antes de deixar sua marca no CMB, e em suposições sobre a expansão do universo desde aquela época. Enquanto isso, métodos de escada de distância cósmica encadeiam uma série de estimativas, começando com estimativas de radar da distância até o sol e estimativas de paralaxe da distância até estrelas pulsantes chamadas cefeidas. Isso introduz uma cadeia de calibrações e medições, cada um dos quais precisa ser preciso e exato o suficiente para garantir uma estimativa confiável da constante de Hubble.

Uma lente do passado

Mas existe uma maneira de medir distâncias mais diretamente, com base no que chamamos de lentes gravitacionais fortes. A gravidade dobra o próprio espaço-tempo e, com ela, o caminho que a luz faz através do cosmos. Um caso especial é quando um objeto muito grande, como uma galáxia, curva a luz de um objeto distante ao redor, de modo que a luz nos alcance ao longo de vários caminhos diferentes, efetivamente criando várias imagens do mesmo objeto de fundo. Um exemplo particularmente bonito é quando o objeto distante varia ao longo do tempo - por exemplo, como acúmulo de buracos negros supermassivos, conhecidos como quasares, Faz. Como a luz viaja por períodos de tempo ligeiramente diferentes ao longo de cada caminho ao redor da galáxia de lente, o resultado são várias imagens ligeiramente fora de sincronia da mesma cintilação.

Este fenômeno é mais do que bonito. Na década de 1960, alunos da teoria da gravidade de Einstein, relatividade geral, mostraram que podiam usar lentes gravitacionais fortes e a luz que dobram para medir distâncias cósmicas de maneira mais direta - se pudessem medir o tempo relativo ao longo de cada caminho com precisão suficiente e se soubessem como a matéria na galáxia de lente é distribuída.

Na última década, Birrer disse, as medições tornaram-se precisas o suficiente para tomar este método, cosmografia de retardo de tempo, da ideia à realidade. Medições sucessivas e um esforço dedicado do H0LiCOW, COSMOGRAIL, STRIDES, e equipes SHARP, agora sob a organização guarda-chuva conjunta TDCOSMO, culminou em uma medição constante de Hubble precisa em cerca de 73 quilômetros por segundo por megaparsec com uma precisão de 2%. Isso está de acordo com as estimativas feitas com o método da escada de distância local, mas em tensão com as medições cósmicas de fundo de microondas sob as suposições do modelo cosmológico padrão.

Suposições de distribuição de massa da galáxia

Mas algo não se encaixava bem com Birrer:os modelos da estrutura da galáxia em que os estudos anteriores se baseavam podem não ter sido precisos o suficiente para concluir que a constante de Hubble era diferente das estimativas baseadas na radiação cósmica de fundo. "Eu fui até meus colegas e disse:'Eu quero realizar um estudo que não se baseie nessas suposições, '"Birrer disse.

Em seu lugar, Birrer propôs investigar uma gama de lentes gravitacionais adicionais para fazer uma estimativa mais baseada na observação da massa e estrutura das galáxias de lente para substituir as suposições anteriores. A nova avenida Birrer e a equipe, TDCOSMO, estavam realizando foi deliberadamente mantido cego - o que significa que toda a análise foi realizada sem saber o resultado resultante na constante de Hubble - para evitar o viés do experimentador, procedimento já estabelecido nas análises anteriores da equipe e parte integrante do avanço, Birrer disse.

Com base nesta nova análise com significativamente menos suposições aplicadas às sete galáxias de lente com atrasos de tempo que a equipe analisou em estudos anteriores, a equipe chegou a um valor mais alto da constante de Hubble, cerca de 74 quilômetros por segundo por megaparsec, mas com maior incerteza - o suficiente para que seu valor fosse consistente com as estimativas altas e baixas da constante de Hubble.

Contudo, quando Birrer e TDCOSMO adicionaram 33 lentes adicionais com propriedades semelhantes, mas sem uma fonte variável para trabalhar diretamente para cosmografia de retardo de tempo, usadas para estimar a estrutura galáctica, a estimativa constante de Hubble caiu para cerca de 67 quilômetros por segundo por megaparsec, com 5% de incerteza, em bom acordo com as estimativas de ondas sonoras, como a do CMB, mas também estatisticamente consistente com as determinações anteriores, dadas as incertezas.

Essa mudança substancial não significa que o debate sobre o valor da constante de Hubble acabou - longe disso, Birrer disse. Por uma coisa, seu método introduz uma nova incerteza na estimativa associada às 33 lentes adicionais que estão sendo adicionadas à análise, e a TDCOSMO precisará de mais dados para confirmar seus resultados, embora esses dados possam não estar muito longe no futuro. Birrer:"Embora nossa nova análise não invalide estatisticamente as suposições do perfil de massa de nosso trabalho anterior, demonstra a importância de compreender a distribuição de massa dentro das galáxias, " ele disse.

"Estamos coletando agora os dados que nos permitirão recuperar a maior parte da precisão que havíamos alcançado anteriormente com base em suposições mais fortes. Olhando mais adiante, também teremos imagens de muito mais galáxias de lente do Rubin Observatory Legacy Survey of Space. e Hora de aproveitar para melhorar nossas estimativas. Nossa análise atual é apenas o primeiro passo e abre o caminho para a utilização desses conjuntos de dados futuros para fornecer uma conclusão definitiva sobre o problema remanescente. "