Os telescópios Webb e Hubble afirmam a taxa de expansão do universo, mas o enigma persiste

Campos NIRCam sobrepostos em imagens coloridas do Digitized Sky Survey para quatro hosts (parte superior) e imagens NIRCam RGB (F090W/F150W/F277W) mostrando posições de Cefeidas (círculos ciano) (parte inferior). Norte é para cima e leste é para a esquerda. Crédito:The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1ddd

A taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble, é um dos parâmetros fundamentais para a compreensão da evolução e do destino final do cosmos.

No entanto, observa-se uma diferença persistente, chamada Tensão de Hubble, entre o valor da constante medida com uma vasta gama de indicadores de distância independentes e o seu valor previsto a partir do brilho residual do Big Bang. O Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA confirmou que o olhar atento do Telescópio Espacial Hubble estava certo o tempo todo, apagando qualquer dúvida remanescente sobre as medições do Hubble.

Uma das justificações científicas para a construção do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi utilizar o seu poder de observação para fornecer um valor exacto para a taxa de expansão do Universo. Antes do lançamento do Hubble em 1990, as observações feitas por telescópios terrestres produziam enormes incertezas. Dependendo dos valores deduzidos para a taxa de expansão, o universo pode ter entre 10 e 20 mil milhões de anos.

Nos últimos 34 anos, o Hubble reduziu esta medição para uma precisão de menos de um por cento, dividindo a diferença com um valor de idade de 13,8 mil milhões de anos. Isto foi conseguido através do refinamento da chamada “escada de distância cósmica”, medindo importantes marcadores conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas.

No entanto, o valor do Hubble não concorda com outras medições que implicam que o Universo se expandiu mais rapidamente após o Big Bang. Estas observações foram feitas pelo mapeamento da radiação cósmica de fundo em micro-ondas do satélite Planck da ESA - um modelo de como a estrutura do universo evoluiria depois de esfriar após o Big Bang.

A solução simples para o dilema seria dizer que talvez as observações do Hubble estejam erradas como resultado de alguma imprecisão que se insinua nas suas medições dos parâmetros do espaço profundo.

Depois veio o Telescópio Espacial James Webb, permitindo aos astrónomos verificar os resultados do Hubble. As visualizações infravermelhas das Cefeidas por Webb concordaram com os dados de luz óptica do Hubble. Webb confirmou que o olhar atento do telescópio Hubble estava certo o tempo todo, eliminando qualquer dúvida remanescente sobre as medições do Hubble.

O resultado final é que a chamada Tensão Hubble entre o que acontece no universo próximo em comparação com a expansão do universo primitivo continua a ser um enigma incómodo para os cosmólogos. Pode haver algo entrelaçado na estrutura do espaço que ainda não entendemos.

NGC 5468 — Galáxia hospedeira Cefeida. Crédito:NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)

A resolução desta discrepância requer uma nova física? Ou é resultado de erros de medição entre os dois métodos diferentes usados para determinar a taxa de expansão do espaço?

O Hubble e o Webb uniram-se agora para produzir medições definitivas, reforçando a ideia de que algo mais – e não erros de medição – está a influenciar a taxa de expansão.

“Com os erros de medição negados, o que resta é a possibilidade real e excitante de termos compreendido mal o Universo”, disse Adam Riess, físico da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore. Riess recebeu o Prémio Nobel por co-descobrir o facto de que a expansão do Universo está a acelerar, devido a um fenómeno misterioso agora chamado energia escura.

Como verificação cruzada, uma observação inicial de Webb em 2023 confirmou que as medições do Universo em expansão feitas pelo Hubble eram precisas. No entanto, na esperança de aliviar a Tensão Hubble, alguns cientistas especularam que erros invisíveis na medição podem crescer e tornar-se visíveis à medida que olhamos mais profundamente para o Universo. Em particular, a aglomeração estelar poderia afectar as medições de brilho de estrelas mais distantes de uma forma sistemática.

A equipe SH0ES (Supernova H0 para a Equação do Estado da Energia Escura), liderada por Riess, obteve observações adicionais com Webb de objetos que são marcadores críticos de marcos cósmicos, conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas, que agora podem ser correlacionados com os dados do Hubble.

"Agora abrangemos toda a extensão daquilo que o Hubble observou e podemos descartar um erro de medição como a causa da Tensão do Hubble com uma confiança muito elevada," disse Riess.

As primeiras observações de Webb da equipe em 2023 foram bem-sucedidas ao mostrar que o Hubble estava no caminho certo ao estabelecer firmemente a fidelidade dos primeiros degraus da chamada escada de distância cósmica.

Os astrônomos usam vários métodos para medir distâncias relativas no universo, dependendo do objeto que está sendo observado. Coletivamente, essas técnicas são conhecidas como escada de distância cósmica – cada degrau ou técnica de medição depende da etapa anterior para calibração.

Comparação das visualizações de Hubble e Webb de uma estrela variável Cefeida Crédito:NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI)

Mas alguns astrónomos sugeriram que, movendo-se para fora ao longo do “segundo degrau”, a escada da distância cósmica poderia ficar instável se as medições das Cefeidas se tornassem menos precisas com a distância. Tais imprecisões podem ocorrer porque a luz de uma Cefeida pode misturar-se com a de uma estrela adjacente – um efeito que pode tornar-se mais pronunciado com a distância, à medida que as estrelas se aglomeram no céu e se tornam mais difíceis de distinguir umas das outras.

O desafio observacional é que as imagens anteriores do Hubble destas variáveis Cefeidas mais distantes parecem mais amontoadas e sobrepostas com estrelas vizinhas a distâncias cada vez maiores entre nós e as suas galáxias hospedeiras, exigindo uma contabilização cuidadosa deste efeito. A poeira interveniente complica ainda mais a certeza das medições na luz visível. Webb corta a poeira e isola naturalmente as Cefeidas das estrelas vizinhas porque sua visão é mais nítida que a do Hubble nos comprimentos de onda infravermelhos.

"Combinar Webb e Hubble dá-nos o melhor de dois mundos. Descobrimos que as medições do Hubble permanecem fiáveis à medida que subimos mais na escada da distância cósmica," disse Riess.

As novas observações de Webb incluem cinco galáxias hospedeiras de oito supernovas do Tipo Ia contendo um total de 1000 Cefeidas e alcançam a galáxia mais distante onde as Cefeidas foram bem medidas – NGC 5468, a uma distância de 130 milhões de anos-luz.

"Isto abrange toda a gama onde fizemos medições com o Hubble. Portanto, chegámos ao final do segundo degrau da escada da distância cósmica," disse o co-autor Gagandeep Anand do Instituto Científico do Telescópio Espacial em Baltimore, que opera os telescópios Webb e Hubble para a NASA.

Juntos, a confirmação da Tensão Hubble pelo Hubble e Webb cria outros observatórios para possivelmente resolver o mistério, incluindo o próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA e a missão Euclid recentemente lançada pela ESA.

Atualmente, é como se a escada de distância observada por Hubble e Webb tivesse fixado firmemente um ponto de ancoragem na margem de um rio, e o brilho do Big Bang observado por Planck desde o início do universo estivesse firmemente fixado no outro lado. . A forma como a expansão do Universo mudou nos milhares de milhões de anos entre estes dois pontos finais ainda não foi observada diretamente.

“Precisamos descobrir se estamos perdendo alguma coisa sobre como conectar o início do universo e os dias atuais”, disse Riess.

O estudo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters .

Mais informações: Adam G. Riess et al, Observações JWST rejeitam aglomeração não reconhecida de fotometria cefeida como uma explicação para a tensão de Hubble com confiança de 8σ, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1ddd
Fornecido pela Agência Espacial Europeia

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