Os astrônomos usando o telescópio espacial Hubble descobriram que o Universo está em expansão de mais rápida do que o esperado.
© STScI/JHU/A. Riess (galáxia UGC 9391)
A imagem acima mostra a galáxia UGC 9391, que reside cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, e contém dois tipos de estrelas que os astrônomos utilizam para calcular distâncias precisas para galáxias, uma medida fundamental na determinação da constante de Hubble: variáveis Cefeidas (marcadas com círculos vermelhos) que pulsam a taxas que correspondem ao seu verdadeiro brilho; e uma supernova Tipo Ia (a cruz azul indica a posição da supernova 2003du).
"Esta descoberta surpreendente pode ser uma pista importante para entender as partes misteriosas do Universo que compõem 95% de tudo e não emitem luz, como a energia escura, matéria escura e radiação escura", disse o líder do estudo e Prêmio Nobel Adam Riess do Space Telescope Science Institute e da Universidade Johns Hopkins, ambos em Baltimore, Maryland.
Existem algumas explicações possíveis para o excesso de velocidade do Universo. Uma possibilidade é que a energia escura, já conhecida por estar acelerando o Universo, pode estar empurrando as galáxias para longe uma do outra, com força ainda maior.
Outra ideia é que o cosmos continha uma nova partícula subatômica em sua história, que viajou perto da velocidade da luz. Tais partículas rápidas são coletivamente referidas como radiação escura e incluem previamente os neutrinos. O acréscimo de energia da radiação escura adicional poderia estar eliminando os melhores esforços para prever a taxa de expansão atual de sua trajetória após o Big Bang.
O impulso na aceleração também pode significar que a matéria escura possui algumas características desconhecidas. A matéria escura é a espinha dorsal do Universo sobre o qual galáxias foram construídas até as estruturas de grande escala vistas hoje.
E, finalmente, o Universo mais rápido pode estar dizendo que a teoria da gravidade de Einstein é incompleta.
A equipe de Riess fez a descoberta por refinação da taxa de expansão atual do Universo com uma precisão sem precedentes, reduzindo a incerteza de apenas 2,4%. A equipe fez os refinamentos do desenvolvimento de técnicas inovadoras que melhoraram a precisão de medições de distâncias às galáxias distantes.
Estas medidas são fundamentais para tornar os cálculos mais precisos de quão rápido o Universo se expande com o tempo, um valor chamado a constante de Hubble. O valor da constante de Hubble melhorado é de 73,2 quilômetros por segundo por megaparsec (um megaparsec equivale a 3,26 milhões de anos-luz). O novo valor significa que a distância entre objetos cósmicos vai dobrar em mais 9,8 bilhões de anos.
Esta calibração refinada representa um quebra-cabeça, porque não está totalmente de acordo com a taxa de expansão prevista para o Universo de sua trajetória logo após o Big Bang. Medidas do arrebol do Big Bang por Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da NASA e as previsões de rendimento da missão do satélite Planck da ESA para a constante de Hubble, que são de 5% e 9% menores, respectivamente.
"Nós sabemos muito pouco sobre as partes escuras do Universo, é importante para medir como elas empurram e puxam sobre o espaço ao longo da história cósmica", disse Lucas Macri da Universidade do Texas.
Comparando a taxa de expansão do Universo com WMAP, Planck e Hubble é como construir uma ponte. Na costa mais distante estão radiação cósmica de fundo observadas no início do Universo. Na costa mais próxima estão as medições efetuadas pela equipe.
As observações do Hubble foram conduzidas pela equipe Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES), que trabalha para refinar a precisão da constante de Hubble para uma precisão que permite uma melhor compreensão do comportamento do Universo.
Os astônomos fizeram as melhorias ao racionalizar e reforçar a construção da escala de distância cósmica, que são utilizadas para medir distâncias precisas de galáxias próximas e distantes da Terra. A equipe comparou essas distâncias com a expansão do espaço medida pelo alongamento de luz de galáxias se afastando. Eles usaram estes dois valores para calcular a constante de Hubble.
O objeto cósmico mais confiável para medir distâncias relativamente curtas são as variáveis Cefeidas, estrelas pulsantes que piscam com taxas que correspondem ao seu verdadeiro brilho. Portanto, suas distâncias podem ser inferidas comparando seu verdadeiro brilho com o seu brilho aparente, visto da Terra.
Os pesquisadores calibraram este critério estelar usando uma ferramenta básica de geometria chamada de paralaxe, a mesma técnica para medir distâncias na Terra. Com a câmera de visão aguçada Wide Field Camera 3 (WFC3) do Hubble, que estendeu as medidas de paralaxe mais longe do que era possível anteriormente através da galáxia Via Láctea, para alcançar distantes Cefeidas.
Para calcular distâncias precisas de galáxias próximas, a equipe olhou para as galáxias que contêm as estrelas cefeidas e supernovas de tipo Ia. Estas supernovas são explosões estelares que se alargam com o mesmo brilho e são brilhantes o suficiente para serem vistas a partir de distâncias relativamente longas. Até agora, a equipe mediu cerca de 2.400 estrelas Cefeidas em 19 dessas galáxias, o que representa a maior amostra de tais medições fora da Via Láctea. Ao comparar o brilho observado de ambos os tipos de estrelas nessas galáxias próximas é possível medir com precisão o seu verdadeiro brilho e, portanto, calcular distâncias para cerca de 300 supernovas de tipo Ia em galáxias distantes.
Usando o instrumento WFC3 para transpor a escala de distância, os pesquisadores eliminaram os erros sistemáticos que são quase inevitavelmente introduzidos pela comparação das medições em diferentes telescópios. Medir a constante de Hubble com um único instrumento é como medir um corredor com uma fita métrica longa em vez de uma única régua de 30 cm. Ao evitar a necessidade de pegar a régua, possibilita evitar erros cumulativos.
A equipe SH0ES ainda está usando Hubble para reduzir a incerteza na constante de Hubble ainda mais, com o objetivo de alcançar uma precisão de 1%. Os telescópios atuais, como satélite Gaia da ESA, e telescópios do futuro, como o telescópio espacial James Webb (JWST), um observatório infravermelho, e o Wide Field Infrared Space Telescope (WFIRST), também poderiam ajudar os astrônomos a fazer melhores medições da taxa de expansão.
Antes do lançamento do Hubble em 1990, as estimativas da constante de Hubble variavam por um fator de dois. No final da década de 1990 o Projeto Key do telescópio espacial Hubble na escala de distância extragaláctica refinou o valor da constante de Hubble para um erro de apenas 10%, cumprindo um dos objetivos principais do telescópio. A equipe SH0ES reduziu a incerteza no valor da constante de Hubble por 76% desde o início de sua busca em 2005.
Os resultados serão publicados na próxima edição da revista The Astrophysical Journal.
Fonte: Space Telescope Science Institute
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