Determinar a rapidez com que o universo está se expandindo é a chave para compreender nosso destino cósmico, mas com dados mais precisos veio um enigma:as estimativas baseadas em medições em nosso universo local não concordam com as extrapolações da era logo após o Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás.

Uma nova estimativa da taxa de expansão local - a constante de Hubble, ou H0 (H-nada) - reforça essa discrepância.

Usando uma técnica relativamente nova e potencialmente mais precisa para medir distâncias cósmicas, que emprega o brilho estelar médio dentro de galáxias elípticas gigantes como um degrau na escada de distância, os astrônomos calculam uma taxa - 73,3 quilômetros por segundo por megaparsec, mais ou menos 2,5 km / s / Mpc - que está no meio de três outras boas estimativas, incluindo a estimativa do padrão ouro de supernovas do Tipo Ia. Isso significa que para cada megaparsec - 3,3 milhões de anos-luz, ou 3 bilhões de trilhões de quilômetros - da Terra, o universo está se expandindo a mais 73,3 ± 2,5 quilômetros por segundo. A média das outras três técnicas é 73,5 ± 1,4 km / seg / Mpc.

Perplexamente, estimativas da taxa de expansão local com base nas flutuações medidas na radiação cósmica de fundo e, independentemente, flutuações na densidade da matéria normal no universo inicial (oscilações acústicas bárions), dê uma resposta muito diferente:67,4 ± 0,5 km / seg / Mpc.

Os astrônomos estão compreensivelmente preocupados com essa incompatibilidade, porque a taxa de expansão é um parâmetro crítico na compreensão da física e evolução do universo e é a chave para a compreensão da energia escura - que acelera a taxa de expansão do universo e, portanto, faz com que a constante de Hubble mude mais rapidamente do que o esperado com o aumento da distância de Terra. A energia escura compreende cerca de dois terços da massa e energia do universo, mas ainda é um mistério.

Para a nova estimativa, astrônomos mediram as flutuações no brilho da superfície de 63 galáxias elípticas gigantes para determinar a distância e a distância em relação à velocidade para cada uma para obter H0. A técnica de flutuação de brilho da superfície (SBF) é independente de outras técnicas e tem o potencial de fornecer estimativas de distância mais precisas do que outros métodos dentro de cerca de 100 Mpc da Terra, ou 330 milhões de anos-luz. As 63 galáxias da amostra estão a distâncias que variam de 15 a 99 Mpc, olhando para trás no tempo, uma mera fração da idade do universo.

"Para medir distâncias de galáxias de até 100 megaparsecs, este é um método fantástico, "disse o cosmologista Chung-Pei Ma, a professora Judy Chandler Webb de Ciências Físicas da Universidade da Califórnia, Berkeley, e professor de astronomia e física. "Este é o primeiro papel que reúne um grande, conjunto homogêneo de dados, em 63 galáxias, com o objetivo de estudar nada H usando o método SBF. "

Ma lidera a pesquisa ENORME das galáxias locais, que forneceu dados para 43 das galáxias - dois terços das empregadas na nova análise.

Os dados dessas 63 galáxias foram reunidos e analisados ​​por John Blakeslee, um astrônomo do NOIRLab da National Science Foundation. Ele é o primeiro autor de um artigo agora aceito para publicação em The Astrophysical Journal que ele escreveu em coautoria com o colega Joseph Jensen, da Utah Valley University em Orem. Blakeslee, que chefia a equipe científica que apóia os observatórios ópticos e infravermelhos da NSF, é pioneira no uso de SBF para medir distâncias até galáxias, e Jensen foi um dos primeiros a aplicar o método em comprimentos de onda infravermelhos. Os dois trabalharam em estreita colaboração com Ma na análise.

"Toda a história da astronomia é, num sentido, o esforço para compreender a escala absoluta do universo, que então nos fala sobre a física, "Blakeslee disse, rememorando a viagem de James Cook ao Taiti em 1769 para medir o trânsito de Vênus para que os cientistas pudessem calcular o verdadeiro tamanho do sistema solar. "O método SBF é mais amplamente aplicável à população geral de galáxias evoluídas no universo local, e certamente se conseguirmos galáxias suficientes com o Telescópio Espacial James Webb, este método tem o potencial de fornecer a melhor medição local da constante de Hubble. "

O Telescópio Espacial James Webb, 100 vezes mais poderoso do que o Telescópio Espacial Hubble, está programado para lançamento em outubro.

Galáxias elípticas gigantes

A constante de Hubble tem sido um pomo de discórdia por décadas, desde que Edwin Hubble mediu pela primeira vez a taxa de expansão local e deu uma resposta sete vezes maior, implicando que o universo era realmente mais jovem do que suas estrelas mais antigas. O problema, antes e agora, consiste em determinar a localização de objetos no espaço que dão poucas pistas sobre a distância que eles estão.

Astrônomos ao longo dos anos subiram a distâncias maiores, começando com o cálculo da distância para objetos próximos o suficiente para que pareçam se mover ligeiramente, por causa da paralaxe, enquanto a Terra orbita o sol. Estrelas variáveis ​​chamadas cefeidas levam você mais longe, porque seu brilho está ligado ao seu período de variabilidade, e as supernovas do tipo Ia levam você ainda mais longe, porque são explosões extremamente poderosas que, em seu pico, brilhar como uma galáxia inteira. Para as supernovas Cefeidas e Tipo Ia, é possível descobrir o brilho absoluto pela maneira como eles mudam ao longo do tempo, e então a distância pode ser calculada a partir de seu brilho aparente visto da Terra.

A melhor estimativa atual de H0 vem de distâncias determinadas por explosões de supernova Tipo Ia em galáxias distantes, embora métodos mais novos - atrasos causados ​​por lentes gravitacionais de quasares distantes e o brilho de masers de água orbitando buracos negros - todos forneçam o mesmo número.

A técnica que usa flutuações de brilho da superfície é uma das mais recentes e se baseia no fato de que galáxias elípticas gigantes são velhas e têm uma população consistente de estrelas velhas - principalmente estrelas gigantes vermelhas - que podem ser modeladas para dar um brilho infravermelho médio em sua superfície. Os pesquisadores obtiveram imagens infravermelhas de alta resolução de cada galáxia com a Wide Field Camera 3 no telescópio espacial Hubble e determinaram o quanto cada pixel na imagem diferia da "média" - mais suaves as flutuações sobre a imagem inteira, quanto mais longe a galáxia, uma vez que as correções são feitas para manchas como regiões brilhantes de formação de estrelas, que os autores excluem da análise.

Nem Blakeslee nem Ma ficaram surpresos com o fato de a taxa de expansão ter se aproximado das outras medições locais. Mas eles estão igualmente confusos com o conflito flagrante com as estimativas do universo primitivo - um conflito que muitos astrônomos dizem que significa que nossas teorias cosmológicas atuais estão erradas, ou pelo menos incompleto.

As extrapolações do universo primitivo são baseadas na teoria cosmológica mais simples - chamada de matéria escura fria lambda, ou ΛCDM - que emprega apenas alguns parâmetros para descrever a evolução do universo. A nova estimativa impõe uma aposta no coração do ΛCDM?

"Acho que empurra um pouco mais essa estaca, "Blakeslee disse." Mas (ΛCDM) ainda está vivo. Algumas pessoas pensam, em relação a todas essas medições locais, (que) os observadores estão errados. Mas está ficando cada vez mais difícil fazer essa afirmação - exigiria que houvesse erros sistemáticos na mesma direção para vários métodos diferentes:supernovas, SBF, lente gravitacional, masers de água. Então, à medida que obtemos medições mais independentes, essa estaca vai um pouco mais fundo. "

Ma se pergunta se as incertezas que os astrônomos atribuem às suas medições, que refletem erros sistemáticos e erros estatísticos, são muito otimistas, e que talvez os dois intervalos de estimativas ainda possam ser reconciliados.

"O júri está fora, "ela disse." Eu acho que realmente está nas barras de erro. Mas, supondo que as barras de erro de todos não sejam subestimadas, a tensão está ficando desconfortável. "

Na verdade, um dos gigantes do campo, astrônomo Wendy Freedman, publicou recentemente um estudo fixando a constante de Hubble em 69,8 ± 1,9 km / seg / Mpc, turvando as águas ainda mais. O último resultado de Adam Riess, um astrônomo que compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2011 por descobrir a energia escura, relata 73,2 ± 1,3 km / seg / Mpc. Riess era um Miller Postdoctoral Fellow na UC Berkeley quando realizou esta pesquisa, e ele dividiu o prêmio com a UC Berkeley e o físico do Berkeley Lab, Saul Perlmutter.

Galáxias maciças

O novo valor de H0 é um subproduto de duas outras pesquisas de galáxias próximas, em particular, Enorme pesquisa de Ma, que usa telescópios espaciais e terrestres para estudar exaustivamente as 100 galáxias mais massivas a cerca de 100 Mpc da Terra. Um dos principais objetivos é pesar os buracos negros supermassivos no centro de cada um.

Fazer isso, distâncias precisas são necessárias, e o método SBF é o melhor até o momento, ela disse. A equipe de pesquisa ENORME usou este método no ano passado para determinar a distância até uma galáxia elíptica gigante, NGC 1453, na constelação do céu do sul de Eridanus. Combinando essa distância, 166 milhões de anos-luz, com extensos dados espectroscópicos dos telescópios Gemini e McDonald - que permitiram aos alunos de pós-graduação de Ma, Chris Liepold e Matthew Quenneville, medir as velocidades das estrelas perto do centro da galáxia - eles concluíram que NGC 1453 tem um buraco negro central com uma massa de quase 3 bilhões de vezes a do sol.

Para determinar H0, Blakeslee calculou distâncias SBF para 43 das galáxias na pesquisa ENORME, com base em 45 a 90 minutos de tempo de observação do HST para cada galáxia. Os outros 20 vieram de outra pesquisa que empregou HST para imagens de grandes galáxias, especificamente aqueles em que supernovas Tipo Ia foram detectadas.

A maioria das 63 galáxias tem entre 8 e 12 bilhões de anos, o que significa que eles contêm uma grande população de velhas estrelas vermelhas, que são essenciais para o método SBF e também podem ser usados ​​para melhorar a precisão dos cálculos de distância. No papel, Blakeslee empregou estrelas variáveis ​​Cefeidas e uma técnica que usa as estrelas gigantes vermelhas mais brilhantes de uma galáxia - conhecida como a ponta do ramo gigante vermelho, ou técnica TRGB - para subir galáxias a grandes distâncias. Eles produziram resultados consistentes. A técnica TRGB leva em consideração o fato de que os gigantes vermelhos mais brilhantes das galáxias têm aproximadamente o mesmo brilho absoluto.

"O objetivo é tornar este método SBF completamente independente do método de supernova Tipo Ia calibrado por Cefeida usando o Telescópio Espacial James Webb para obter uma calibração de ramo gigante vermelha para SBFs, " ele disse.

"O telescópio James Webb tem o potencial de realmente diminuir as barras de erro do SBF, "Ma acrescentou. Mas por agora, as duas medidas discordantes da constante de Hubble terão que aprender a conviver uma com a outra.

"Eu não estava planejando medir H0; foi um ótimo produto de nossa pesquisa, "disse ela." Mas eu sou uma cosmologista e estou observando isso com grande interesse. "