Novas medições de lentes cósmicas aprofundam o mistério da tensão do Hubble

Quão rápido o universo está se expandindo?

Sabemos que o universo é enorme e está crescendo continuamente. Seu tamanho exato é desconhecido, mas sua taxa de expansão pode ser medida. Isto acaba por ser mais complicado do que parece, porque a expansão parece mais rápida quando olhamos para regiões mais distantes do espaço. Para cada 3,3 milhões de anos-luz (ou um megaparsec) de distância da Terra, os objetos a essa distância parecem estar se afastando de nós a cerca de 73 quilômetros por segundo. Dito de outra forma, o universo se expande a 73 quilômetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc), um valor conhecido como constante de Hubble.

Escadas de distância e uma nova forma de medir a constante de Hubble

Os cientistas desenvolveram vários métodos para estimar a constante de Hubble, mas até agora todos se baseavam nas chamadas escadas de distância. Essas escadas são construídas a partir de objetos como supernovas e estrelas especiais chamadas estrelas variáveis ​​Cefeidas. Como esses objetos são considerados bem compreendidos, os astrônomos presumem que, mesmo quando observados em outras galáxias, podem ser usados ​​para estimar distâncias com alta precisão. Ao longo de décadas de observações de muitos desses objetos, o intervalo permitido para a constante de Hubble tornou-se mais estreito. No entanto, sempre permaneceu alguma incerteza sobre o quão confiável é esta abordagem, por isso os cosmólogos estão ansiosos para testar alternativas.

Em seu estudo mais recente, uma equipe de astrônomos que inclui o professor assistente do projeto Kenneth Wong e o pesquisador de pós-doutorado Eric Paic, do Centro de Pesquisa para o Universo Primitivo da Universidade de Tóquio, demonstrou com sucesso uma técnica chamada cosmografia de atraso no tempo. Eles argumentam que este método pode reduzir a dependência do campo em escadas de distância e também pode ter aplicações valiosas em outros ramos da cosmologia.

Usando lentes gravitacionais como ferramenta de medição cósmica

“Para medir a constante de Hubble usando cosmografia de atraso no tempo, é necessária uma galáxia realmente massiva que possa funcionar como uma lente,” disse Wong. “A gravidade desta ‘lente’ desvia a luz dos objetos que se escondem atrás dela em torno de si, então vemos uma versão distorcida deles. Isso é chamado de lente gravitacional. Se as circunstâncias forem adequadas, veremos várias imagens distorcidas, e cada uma terá seguido um caminho ligeiramente diferente para chegar até nós, levando diferentes quantidades de tempo. Ao procurar por mudanças idênticas nessas imagens que estão ligeiramente fora de sintonia, podemos medir a diferença no tempo que levaram para chegar até nós. Combinando esses dados com estimativas sobre a distribuição da massa da lente galáctica que os distorce é o que nos permite calcular a aceleração de objetos distantes com mais precisão. A constante de Hubble que medimos está bem dentro dos intervalos suportados por outros modos de estimativa.”

A tensão Hubble: visões conflitantes do universo em expansão

Pode parecer estranho que os investigadores invistam tanto esforço para refinar um número que já foi medido muitas vezes. A razão é que este valor está no cerne da forma como os cientistas reconstroem a história e a evolução do universo, e há uma discrepância grave não resolvida. O valor de 73 km/s/Mpc para a constante de Hubble está de acordo com observações de objetos relativamente próximos. No entanto, existem outras maneiras de inferir a taxa de expansão cósmica que parecem muito mais antigas no tempo. Um método chave utiliza a radiação que preenche o universo e remonta ao big bang, conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). Quando os cientistas analisam a CMB para estimar a constante de Hubble, obtêm um valor inferior de 67 km/s/Mpc.

Essa incompatibilidade entre 73 km/s/Mpc e 67 km/s/Mpc é chamada de tensão de Hubble. O trabalho de Wong, Paic e seus colegas ajuda a esclarecer o que pode estar a causar esta tensão, numa altura em que ainda não está claro se a discrepância se deve simplesmente a incertezas experimentais ou aponta para algo mais profundo.

A tensão do Hubble está apontando para uma nova física?

“A nossa medição da constante de Hubble é mais consistente com outras observações actuais e menos consistente com medições do universo primitivo. Isto é evidência de que a tensão de Hubble pode de facto surgir da física real e não apenas de alguma fonte desconhecida de erro nos vários métodos,” disse Wong. “A nossa medição é completamente independente de outros métodos, tanto do universo inicial como do final do universo, por isso, se houver alguma incerteza sistemática nesses métodos, não devemos ser afetados por eles.”

“O foco principal deste trabalho foi melhorar a nossa metodologia, e agora precisamos de aumentar o tamanho da amostra para melhorar a precisão e resolver de forma decisiva a tensão do Hubble,” disse Paic. “Neste momento, a nossa precisão é de cerca de 4,5%, e para realmente fixar a constante de Hubble a um nível que confirme definitivamente a tensão do Hubble, precisamos de chegar a uma precisão de cerca de 1-2%.”

Mais lentes, mais quasares e maior precisão

Os pesquisadores estão otimistas de que poderão atingir esse nível mais alto de precisão. No presente estudo, eles analisaram oito sistemas de lentes de retardo de tempo. Cada sistema contém uma galáxia em primeiro plano que atua como uma lente e bloqueia a nossa visão direta de um quasar distante (um buraco negro supermassivo que está a acumular gás e poeira, fazendo-o brilhar intensamente). Eles também incorporaram novas observações de observatórios espaciais e terrestres de última geração, incluindo o Telescópio Espacial James Webb. Olhando para o futuro, a equipe planeja expandir o número de sistemas de lentes que estuda, refinar suas medições e identificar ou eliminar cuidadosamente quaisquer fontes sistemáticas de erro remanescentes.

Incertezas na distribuição em massa e um esforço cosmológico global

“Uma das maiores fontes de incerteza é o facto de não sabermos exactamente como a massa nas galáxias das lentes está distribuída. Geralmente assume-se que a massa segue algum perfil simples que é consistente com as observações, mas é difícil ter a certeza, e esta incerteza pode influenciar directamente os valores que calculamos,” disse Wong. “A tensão do Hubble é importante, pois pode apontar para uma nova era na cosmologia, revelando uma nova física. O nosso projeto é o resultado de uma colaboração de décadas entre vários observatórios e investigadores independentes, destacando a importância da colaboração internacional na ciência.”

Financiamento: Este trabalho foi apoiado pela NASA (doações 80NSSC22K1294 e HST-AR-16149), pela Max Planck Society (Max Planck Fellowship), pela Deutsche Forschungsgemeinschaft sob a Estratégia de Excelência da Alemanha (EXC-2094, 390783311), pela National Science Foundation dos EUA (doações NSF-AST-1906976, NSF-AST-1836016, NSF-AST-2407277), a Fundação Moore (concessão 8548) e JSPS KAKENHI (números de concessão JP20K14511, JP24K07089, JP24H00221).