Completando uma maratona de quase 30 anos, o Telescópio Espacial Hubble da NASA calibrou mais de 40 "marcadores de milha" de espaço e tempo para ajudar os cientistas a medir com precisão a taxa de expansão do universo - uma busca com uma reviravolta na história.
A busca pela taxa de expansão do universo começou na década de 1920 com medições feitas pelos astrônomos Edwin P. Hubble e Georges Lemaître. Em 1998, isso levou à descoberta da "energia escura", uma misteriosa força repulsiva que acelera a expansão do universo. Nos últimos anos, graças aos dados do Hubble e de outros telescópios, os astrônomos encontraram outra reviravolta:uma discrepância entre a taxa de expansão medida no universo local em comparação com observações independentes logo após o big bang, que prevêem um valor de expansão diferente.

A causa dessa discrepância permanece um mistério. Mas os dados do Hubble, abrangendo uma variedade de objetos cósmicos que servem como marcadores de distância, apoiam a ideia de que algo estranho está acontecendo, possivelmente envolvendo uma física totalmente nova.

“Você está obtendo a medida mais precisa da taxa de expansão do universo a partir do padrão ouro dos telescópios e marcadores de milhas cósmicas”, disse o Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute (STScI) e da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland. .

Riess lidera uma colaboração científica que investiga a taxa de expansão do universo chamada SHOES, que significa Supernova, H0, para a Equação do Estado da Energia Escura. "Isso é o que o Telescópio Espacial Hubble foi construído para fazer, usando as melhores técnicas que conhecemos para fazê-lo. Esta é provavelmente a magnum opus do Hubble, porque levaria mais 30 anos de vida do Hubble para dobrar o tamanho da amostra", disse Riess. .

O artigo da equipe de Riess, a ser publicado na edição Special Focus do The Astrophysical Journal relata sobre a conclusão da maior e provavelmente última grande atualização na constante de Hubble. Os novos resultados mais que dobram a amostra anterior de marcadores de distância cósmica. Sua equipe também reanalisou todos os dados anteriores, com todo o conjunto de dados agora incluindo mais de 1.000 órbitas do Hubble.

Quando a NASA concebeu um grande telescópio espacial na década de 1970, uma das principais justificativas para o gasto e esforço técnico extraordinário foi poder resolver Cefeidas, estrelas que brilham e escurecem periodicamente, vistas dentro de nossa Via Láctea e galáxias externas. As cefeidas são há muito tempo o padrão-ouro dos marcadores de milhas cósmicas desde que sua utilidade foi descoberta pela astrônoma Henrietta Swan Leavitt em 1912. Para calcular distâncias muito maiores, os astrônomos usam estrelas explosivas chamadas supernovas do Tipo Ia.

Combinados, esses objetos construíram uma "escada de distância cósmica" em todo o universo e são essenciais para medir a taxa de expansão do universo, chamada constante de Hubble em homenagem a Edwin Hubble. Esse valor é fundamental para estimar a idade do universo e fornece um teste básico de nossa compreensão do universo.

Começando logo após o lançamento do Hubble em 1990, o primeiro conjunto de observações de estrelas Cefeidas para refinar a constante de Hubble foi realizado por duas equipes:o HST Key Project liderado por Wendy Freedman, Robert Kennicutt e Jeremy Mould, Marc Aaronson e outro por Allan Sandage e colaboradores, que usaram Cefeidas como marcadores de milha para refinar a medição de distância para galáxias próximas. No início dos anos 2000, as equipes declararam "missão cumprida", atingindo uma precisão de 10% para a constante de Hubble, 72 mais ou menos 8 quilômetros por segundo por megaparsec.

Em 2005 e novamente em 2009, a adição de novas câmeras poderosas a bordo do telescópio Hubble lançou a "Geração 2" da pesquisa constante do Hubble, enquanto as equipes se propunham a refinar o valor para uma precisão de apenas um por cento. Este foi inaugurado pelo programa SHOES. Várias equipes de astrônomos usando o Hubble, incluindo SHOES, convergiram em um valor constante de Hubble de 73 mais ou menos 1 quilômetro por segundo por megaparsec. Embora outras abordagens tenham sido usadas para investigar a questão da constante de Hubble, diferentes equipes chegaram a valores próximos do mesmo número.

A equipe SHOES inclui líderes de longa data Dr. Wenlong Yuan da Johns Hopkins University, Dr. Lucas Macri da Texas A&M University, Dr. Stefano Casertano da STScI e Dr. Dan Scolnic da Duke University. O projeto foi projetado para enquadrar o universo combinando a precisão da constante de Hubble inferida do estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas que sobrou da aurora do universo.

"A constante de Hubble é um número muito especial. Ela pode ser usada para enfiar uma agulha do passado ao presente para um teste de ponta a ponta de nossa compreensão do universo. Isso exigiu uma quantidade fenomenal de trabalho detalhado", disse Dra. Licia Verde, cosmóloga do ICREA e do ICC-Universidade de Barcelona, ​​falando sobre o trabalho da equipe SHOES.

A equipe mediu 42 dos marcadores de supernova com o Hubble. Because they are seen exploding at a rate of about one per year, Hubble has, for all practical purposes, logged as many supernovae as possible for measuring the universe's expansion. Riess said, "We have a complete sample of all the supernovae accessible to the Hubble telescope seen in the last 40 years." Like the lyrics from the song "Kansas City," from the Broadway musical Oklahoma, Hubble has "gone about as fur as it c'n go!"

Weird Physics?

The expansion rate of the universe was predicted to be slower than what Hubble actually sees. By combining the Standard Cosmological Model of the Universe and measurements by the European Space Agency's Planck mission (which observed the relic cosmic microwave background from 13.8 billion years ago), astronomers predict a lower value for the Hubble constant:67.5 plus or minus 0.5 kilometers per second per megaparsec, compared to the SHOES team's estimate of 73.

Given the large Hubble sample size, there is only a one-in-a-million chance astronomers are wrong due to an unlucky draw, said Riess, a common threshold for taking a problem seriously in physics. This finding is untangling what was becoming a nice and tidy picture of the universe's dynamical evolution. Astronomers are at a loss for an explanation of the disconnect between the expansion rate of the local universe versus the primeval universe, but the answer might involve additional physics of the universe.

Such confounding findings have made life more exciting for cosmologists like Riess. Thirty years ago they started out to measure the Hubble constant to benchmark the universe, but now it has become something even more interesting. "Actually, I don't care what the expansion value is specifically, but I like to use it to learn about the universe," Riess added.

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