Os cientistas discordam sobre a rapidez com que o universo está se expandindo e as novas tecnologias estão piorando a situação

Algo muito estranho está acontecendo no universo. A ciência da cosmologia, que estuda o universo em grande escala, está em crise. Ao longo do último século, os cientistas encontraram montanhas de evidências de que o Universo está a expandir-se ao longo do tempo, ao observarem que quanto mais longe da Terra está uma galáxia, mais rapidamente se afasta de nós.

O problema é que ninguém tem certeza da rapidez com que essa expansão está acontecendo. Duas maneiras diferentes de medir esse valor, chamadas de constante de Hubble, produzem dois resultados diferentes. Nas últimas décadas, as melhores teorias e experiências que a humanidade pode apresentar lutaram para explicar como isso poderia acontecer.

Normalmente, quando há uma discrepância como esta, as tecnologias mais recentes permitem dados experimentais mais precisos que ajudam a resolver o mistério. Mas no caso deste puzzle, denominado tensão de Hubble, quanto mais aprendemos, mais difícil se torna explicar a discrepância.

A escada da distância cosmológica

Quando o Telescópio Espacial Hubble foi lançado em 1990, um dos seus principais objetivos era investigar a expansão do universo. O debate sobre a taxa desta expansão estava acirrado e os cientistas estavam ansiosos por encontrar uma resposta mais precisa – porque esta informação era crucial para a compreensão da idade do Universo e, nesta altura, essa idade poderia ter sido tão pequena quanto 8 mil milhões. anos ou até 20 bilhões de anos.

No final da década de 2000, os cientistas já haviam aperfeiçoado um número observando estrelas que brilhavam em um ritmo específico, chamadas variáveis ​​Cefeidas, e um tipo específico de supernova chamada supernovas Tipo Ia . Ambos os objetos têm um nível de brilho previsível, o que significa que podem ser usados ​​para medir distâncias – Cefidas para galáxias mais próximas e supernovas Tipo Ia para galáxias mais distantes – por isso são usados ​​como “velas padrão” para medições astronómicas.

Com estas medições precisas de distância, o valor que os cientistas do Hubble descobriram para a expansão do Universo foi de 72 quilómetros por segundo por megaparsec. Essa é uma medida da quantidade de expansão pelo tempo por distância , porque quanto mais longe de nós as galáxias estão, mais rápido elas se movem. Um parsec equivale a 3,26 anos-luz e um megaparsec equivale a um milhão de parsecs. Portanto, se olharmos para uma galáxia a 3,26 milhões de anos-luz de distância, ela estará se afastando de nós a cerca de 70 quilômetros por segundo, ou cerca de 150.000 mph.

Essa medição foi um enorme avanço científico, mas ainda apresentava um erro potencial de cerca de 10%. Pesquisas subsequentes conseguiram reduzir esse erro, aprimorando um número recente de 73,2 km/s/Mpc com uma taxa de erro inferior a 2%, mas eles estavam esbarrando nas limitações físicas do telescópio.

Um novo telescópio no kit de ferramentas

Enquanto um grupo de astrônomos estava ocupado com dados do Telescópio Espacial Hubble, outro estava olhando para um lugar bem diferente, examinando a Fundo Cósmico de Microondas, ou CMB. Esta é a energia restante do Big Bang e é vista em todos os lugares como um leve zumbido constante de fundo. Ao calcular a constante de Hubble com base nesses dados, os pesquisadores encontraram um número bem diferente: 67 km/s/Mpc. Essa diferença pode parecer pequena, mas é teimosa: quanto mais precisamente cada grupo fazia as suas medições, mais arraigada parecia a divisão.

Mas quando o Telescópio Espacial James Webb foi lançado em 2021, os investigadores tinham uma ferramenta nova e ainda mais precisa para as suas medições. Um grupo de pesquisadores, incluindo Richard Anderson, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne, começou a trabalhar na verificação dupla das medições do Hubble usando esta nova tecnologia. Talvez as medições do Telescópio Espacial Hubble tenham sido imprecisas devido às limitações do telescópio, o que poderia explicar os diferentes números, e esta nova ferramenta poderia ajudar a mostrar se era esse o caso.

A vantagem que James Webb tem sobre o Hubble neste contexto é uma maior resolução espacial quando se olha para Cephids. “Anteriormente, quando você tinha uma resolução mais baixa, era necessário corrigir estatisticamente a luz das fontes que se misturavam”, explicou Anderson ao Digital Trends. E esta correção estatística introduziu uma ponta de dúvida nos dados do Hubble. Talvez a taxa de expansão medida pelo Hubble fosse imprecisa, argumentaram alguns, porque as ferramentas estatísticas utilizadas para esta correcção eram imprecisas.

Porém, com a melhor resolução espacial dos novos dados do Webb, essa correção estatística é muito menor. “Portanto, se você não precisa corrigir tanto, você adiciona menos erros e sua medição se torna mais precisa”, disse Anderson. Os dados do Webb não apenas concordam com as medições anteriores do Hubble, mas também aumentam a precisão dessa medição.

A evidência está disponível e é clara: as medições da taxa de expansão do Hubble estão corretas. É claro que nada deste complexo pode ser provado sem sombra de dúvida, mas as medições são tão precisas quanto podemos fazê-las na prática.

Um problema pegajoso

Portanto, se os dados do telescópio Hubble estiverem corretos, talvez o problema esteja nas outras medições. Talvez sejam os dados de fundo da micro-ondas cósmica que estão errados?

Isso também é difícil, no entanto. Porque, tal como os investigadores estavam a refinar os números a partir dos dados do Hubble, também os investigadores do CMB estavam a tornar os seus próprios números cada vez mais precisos. O maior avanço neste campo foi o lançamento do observatório espacial Planck da Agência Espacial Europeia em 2009. Esta missão foi especificamente concebida para medir a CMB e adquiriu os dados mais precisos até agora sobre as pequenas variações de temperatura na CMB. Isto é importante porque embora a CMB esteja a uma temperatura consistente em quase todos os lugares, existem pequenas variações nesta temperatura de 1 parte em 100.000.

Por menores que sejam essas variações de temperatura, elas são importantes porque representam variações que estavam presentes quando o universo estava se formando. Observando as variações como existem agora, os pesquisadores podem voltar no tempo para entender como o universo deveria ter sido em seus estágios iniciais.

Quando os pesquisadores usaram esses dados do Planck para estimar a expansão do universo, com base em nossa compreensão do universo como ele existia quando era jovem, eles se concentraram em um número para a constante de 67,4 km/s/Mpc com um erro de menos de 1%. Não há mais cruzamento entre as incertezas dos dois números – ambos são sólidos e não concordam.

Uma história de expansão

Os cientistas estudam a CMB desde a década de 1960 e, nesse período, a investigação progrediu até um grau de precisão que deixa os seus especialistas confiantes nas suas descobertas. Quando se trata de modelar a inflação do universo em seus estágios iniciais, eles foram tão precisos quanto possível, de acordo com Jamie Bock da Caltech, PI da próxima missão SPHEREx da NASA para investigar a CMB.

“A radiação de fundo em micro-ondas está muito perto de atingir os limites cosmológicos nessas medidas”, disse Bock. “Em outras palavras, você não pode construir um experimento melhor. Você está limitado apenas em quanto do universo você pode ver.”

SPHEREx será uma missão espacial que não fará medições diretas da constante de Hubble. Mas ajudará os investigadores a aprender sobre a história da expansão do Universo, investigando um período do Universo primitivo chamado inflação, quando o Universo se expandiu rapidamente. Neste período muito inicial, o Universo era muito, muito mais pequeno, mais quente e mais denso, e isso afetou a forma como se expandiu. Ao longo da sua vida, os factores impulsionadores mais significativos da expansão do Universo mudaram à medida que este cresceu, arrefeceu e tornou-se menos denso. Sabemos que hoje, uma forma hipotética de energia chamada energia escura é a principal força que impulsiona a expansão do universo. Mas noutras alturas da história do Universo, outros factores, como a presença de matéria escura, foram mais significativos.

“A trajetória do universo é definida pelo tipo de matéria e energia dominante naquele momento”, explicou Bock. A energia escura, por exemplo, “só começou a dominar a expansão do universo na segunda metade da idade do universo. Antes disso, teria sido a matéria escura que impulsionaria a evolução do universo.”

Uma teoria popular para a diferença nas duas medições é que a energia escura pode ser a culpada. Talvez houvesse mais energia escura no universo primitivo do que se acredita atualmente, o que faria com que ele se expandisse mais rapidamente. Poderemos aprender mais sobre esta possibilidade com novas missões como a Euclid da ESA , lançada recentemente e que visa mapear uma grande parte do Universo em 3D para estudar a matéria escura e a energia escura.

Um termômetro para nossa compreensão do universo

Você pode pensar nos dois valores da constante de Hubble como sendo medidos a partir do universo como o vemos agora, chamado de universo tardio, em comparação com a medição do universo como era quando era jovem, chamado de universo primitivo. Quando as duas taxas diferentes foram calculadas utilizando métodos menos precisos, era possível que as duas pudessem realmente estar de acordo, mas apenas parecessem mais distantes devido a erros sobrepostos.

Mas como os cientistas reduziram esses erros cada vez mais, essa explicação não pode mais funcionar. Ou uma das medições está errada – sempre possível, mas cada vez mais improvável dada a montanha de dados de cada uma – ou há algo fundamental sobre o universo que ainda não entendemos.

“O que temos aqui é como um termômetro de quão boa é a nossa compreensão do cosmos neste momento”, disse Anderson. “E acho que o termômetro nos diz que estamos com febre e que temos um problema.”

E tenha em mente que a constante de Hubble não é um problema menor. É uma medida fundamental, sem dúvida o número mais importante na cosmologia. E quanto mais precisas se tornam as nossas medições, mais o mistério se aprofunda.

Procurando verificação independente

Esta é outra forma de medir o universo como o vemos agora, observando as ondas gravitacionais. Quando objetos massivos o suficiente colidem, como a fusão de dois buracos negros, as enormes forças criam ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais, que podem ser detectadas a bilhões de anos-luz de distância.

Essas ondulações podem ser detectadas na Terra por instalações especializadas como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e podem ser usadas para determinar a distância de uma fonte, o que significa que teoricamente também podem ser usadas para medir a taxa de expansão.

Esta é uma medição tardia do universo, mas também é completamente independente das Cefidas e supernovas usadas em outras pesquisas. Isso significa que se as medições da taxa de expansão parecerem semelhantes com base nos dados das ondas gravitacionais, poderíamos estar ainda mais confiantes de que o valor mais elevado está correto – e se não o fizerem, então saberíamos melhor onde está o problema.

A vantagem de usar ondas gravitacionais para este tipo de medição é que a assinatura é muito limpa – “a única coisa que a afeta são massas muito pesadas”, disse o especialista em ondas gravitacionais Stefan Ballmer, da Universidade de Syracuse. E quando os buracos negros se fundem, o seu comportamento dinâmico é muito consistente, independentemente do seu tamanho. Isso as torna velas padrão ideais para medir distâncias – “quase tão boas quanto possível”, de acordo com Ballmer.

Portanto, medir a distância com ondas gravitacionais é relativamente simples. O desafio de usar essas medidas para calcular a taxa de expansão é encontrar a velocidade. Com supernovas, é fácil saber o desvio para o vermelho (que dá a velocidade), mas difícil saber o brilho absoluto (que dá a distância). Já com as ondas gravitacionais é fácil saber a distância, mas difícil saber a velocidade.

Uma maneira de abordar a questão da velocidade é procurar fusões acontecendo em galáxias próximas e, em seguida, usar o desvio para o vermelho conhecido dessas galáxias para a velocidade da onda gravitacional. Isso só funciona quando você consegue encontrar a fonte das ondas gravitacionais e localizá-la em algum lugar próximo.

Mas no futuro, assim que os cientistas observarem um número suficiente destes eventos de ondas gravitacionais, serão capazes de construir uma imagem de como é o evento médio e usar essa informação para calcular a taxa de expansão em grande escala.

A próxima geração de instalações

Para isso, porém, precisaremos de centenas de pontos de dados sobre eventos de ondas gravitacionais, em comparação com os poucos que temos agora. Esta é uma área de investigação muito nova e a nossa capacidade de detectar ondas gravitacionais ainda está limitada a um pequeno número de instalações. Atualmente, as incertezas da taxa de expansão medida por ondas gravitacionais ainda são maiores do que os outros dois métodos.

“No momento, nosso sinal está bem no meio dos outros dois resultados”, disse Ballmer.

No entanto, isso pode mudar no futuro. Com a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, planejada para construção nas próximas décadas, essas medições poderão se tornar cada vez mais precisas.

O aprofundamento deste enigma pode ser uma fonte de frustração, mas também deu um ímpeto para novas e melhores experiências, à medida que cientistas de uma ampla gama de áreas abordam uma das grandes questões sobre o universo tal como o vemos.

“A única maneira de realmente saber é melhorar o experimento”, disse Ballmer. “Esse é o mundo em que vivemos.”