Os astrônomos não conseguem concordar sobre a rapidez com que o universo está se expandindo. Novas abordagens visam quebrar o impasse

Já faz quase 100 anos que os cientistas descobriram que o universo está se expandindo. Nas décadas que se seguiram, a precisão das medições, interpretações e implicações dessa descoberta foram uma fonte de debate acirrado. Agora sabemos que o universo emergiu dramaticamente de um estado altamente comprimido em um evento conhecido como Big Bang.

As medições da taxa de expansão atual, conhecida como constante de Hubble ou H₀ (pronuncia-se H-nada), melhoraram consideravelmente desde aqueles primeiros dias. No entanto, um novo debate agora envolve a comunidade astronômica: duas medições independentes de H₀, que deveriam concordar, dão resultados diferentes. Essa situação ficou conhecida como a “tensão H₀”, ou tensão de Hubble.

Várias conferências, artigos de revisão e artigos de periódicos foram dedicados a essa questão. Alguns se referem a ela como uma “crise” para a cosmologia”, exigindo uma mudança de paradigma em nossa compreensão do universo. A expansão do universo é um aspecto fundamental de sua história desde o Big Bang, então ela sustenta muitos outros elementos de nossa compreensão.

Este artigo faz parte da nossa série Cosmologia em crise?, que revela os maiores problemas que os cosmólogos enfrentam hoje – e discute as implicações de resolvê-los.

Outros veem a tensão H₀ simplesmente como um sinal de que as equipes de medição não entendem completamente seus dados e que, com dados melhores, a “crise” será resolvida. Mas sua solução continua ilusória.

Os dois métodos de medição no centro deste debate são a “escada de distância” e o “fundo cósmico de micro-ondas”. A escada de distância é a mais antiga das duas, e tem sido usada em várias formas desde a detecção mais antiga da expansão do universo.

A primeira evidência veio de medições pioneiras de objetos tênues semelhantes a nuvens que agora sabemos serem galáxias fora da Via Láctea. O astrônomo americano VM Slipher mediu as assinaturas químicas na luz desses objetos. Usando a técnica de espectroscopia para comparar essas assinaturas com as de moléculas conhecidas, ele descobriu que seus comprimentos de onda eram esticados em comparação com os resultados laboratoriais padrão.

Esse alongamento dos comprimentos de onda da luz de outras galáxias, conhecido como “redshift”, é causado pelo efeito Doppler. Esse fenômeno também é responsável pelo tom de uma sirene uivante aumentando conforme um veículo de emergência se aproxima, e então diminuindo conforme ele passa. Em um artigo seminal de 1917, Slipher anunciou que quase todas as galáxias que ele havia observado estavam se afastando da Via Láctea.

Os dados de Slipher seriam usados ​​por Edwin Hubble em seu famoso estudo de 1929, mostrando que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela recua e, portanto, maior seu desvio para o vermelho. A razão entre desvio para o vermelho e distância é a constante de Hubble.

A expansão do universo já havia sido antecipada pelos teóricos. No início da década de 1920, Alexander Friedmann e Georges Lemaître perceberam independentemente que a teoria da relatividade geral recentemente publicada por Albert Einstein poderia prever um universo em expansão, e que as implicações disso seriam redshifts de galáxias que aumentam com a distância.

Escada de distância

Galáxias distantes estão sendo arrastadas para longe de nós por causa da expansão do universo. Medições da constante de Hubble dependem da determinação da conexão entre a distância desses objetos e a velocidade em que eles estão se afastando.

Por esta razão, as unidades de H₀ são convencionalmente “quilômetros por segundo por megaparsec”, referindo-se à velocidade de um objeto a um megaparsec de distância (uma unidade de distância usada pelos astrônomos, equivalente a cerca de 3 milhões de anos-luz).

Assim como Slipher fez há um século, as velocidades de recessão podem ser prontamente medidas usando espectroscopia. No entanto, medições precisas de distância para galáxias são notoriamente difíceis, então é aqui que a escada de distância entra.

O “degrau” mais baixo da escada representa objetos no céu que estão próximos o suficiente para que possamos usar métodos diretos para medir distâncias – como o método da paralaxe, onde o movimento da Terra ao redor do Sol cria mudanças periódicas na posição angular dos objetos. Os degraus subsequentes representam medições de conjuntos de objetos progressivamente mais distantes.

Eles são escolhidos para serem objetos para os quais é fácil medir distâncias relativas, mas, como uma régua sem números, sua distância absoluta deve ser calibrada. Essa função é fornecida por objetos no degrau mais baixo.

Cefeidas – estrelas brilhantes e massivas que pulsam – são particularmente úteis como degraus devido à estreita correlação entre seu período de pulsação e brilho, descoberta por Henrietta Swan Leavitt em 1908. O degrau mais distante é geralmente formado por supernovas do Tipo 1a (explosões que ocorrem quando certas estrelas chegam ao fim de suas vidas), que também forneceram evidências definitivas de que a taxa de expansão do universo está aumentando.

Micro-ondas cósmicas

O outro método de medição no centro do debate é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). Esta é a luz emitida quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhares de anos de idade – muito antes de estrelas ou planetas se formarem. Em vez disso, um plasma quente preencheu todo o espaço, quase perfeitamente uniforme, exceto pelas ondas sonoras que se acredita terem tido sua origem no Big Bang.

A física do universo neste momento é surpreendentemente simples, então podemos fazer previsões robustas sobre as propriedades dessas ondas. Quando combinados com medições de precisão, nossos modelos matemáticos nos dizem qual era a taxa de expansão do universo neste momento inicial. Com um modelo para o histórico de expansão subsequente, podemos fazer uma previsão extremamente precisa de H₀.

Agora, vamos ver o que cada método encontra para H₀. A medição de escada de distância mais precisa vem da equipe científica SH0ES liderada pelo ganhador do prêmio Nobel Adam Riess. Sua medição mais recente dá H₀ = 73,2 km por segundo por megaparsec. A medição CMB mais precisa, da equipe do satélite Planck da Agência Espacial Europeia, é H₀ = 67,4 km por segundo por megaparsec.

Embora essas duas medições estejam dentro de 10% uma da outra, a diferença é enorme comparada com a precisão de nível percentual de cada medição. Também está acima do limite estatístico de “5 sigma” convencionalmente tomado por cientistas como indicativo de um evento que não é puramente devido ao acaso.

Então, o que poderia estar causando essa grande discrepância entre as duas medições? Um culpado poderia ser que o modelo usado para prever H₀ a partir do CMB está errado. Talvez um modelo alternativo para o universo reconciliaria a previsão do CMB com a medição da escada de distância. Tem havido intensa atividade entre os teóricos ao longo dessas linhas nos últimos anos.

O principal obstáculo é que a evolução do universo é fortemente restringida por uma série de medições robustas acumuladas ao longo de décadas. Além disso, a medição CMB de H₀ é corroborada por medições independentes de precisão comparável usando pesquisas de galáxias. A medição mais recente desse tipo da colaboração Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi) fornece H₀ = 68,5 km por segundo por megaparsec, com precisão de aproximadamente 1% — em concordância com o valor CMB.

Ficando criativo

Os teóricos, portanto, tiveram que ser criativos. Uma sugestão é que o universo muito antigo passou por uma fase repentina de expansão aprimorada antes da CMB ser emitida. Isso fez com que os primeiros átomos se formassem mais cedo do que as expectativas padrão. A ideia é que a medição CMB “padrão” de H₀ negligenciou esse efeito e inferiu que a constante de Hubble era menor do que realmente é.

O desafio para soluções desse tipo é que elas também devem prever outros padrões detalhados vistos no CMB, que foram medidos com precisão extraordinária pelo satélite Planck e outros telescópios.

Outras soluções propostas incluem sugestões de campos magnéticos afetando a formação dos primeiros átomos, ou mesmo que a Terra reside em uma parte atípica do universo que se expandiu a uma extensão anormalmente grande. Decepcionantemente, nenhuma das soluções propostas é convincente e capaz de se encaixar em todos os dados disponíveis.

Uma linha de raciocínio alternativa, ainda que mais prosaica, é que nossa imagem física do universo está correta, mas que uma ou mais medições negligenciaram algum efeito observacional. Isso alimentou um intenso interrogatório das medições SH0ES e Planck, tanto pela comunidade astronômica quanto pelas próprias equipes. Até agora, nenhum erro foi descoberto em nenhuma das análises.

O caminho à frente

Então, qual é o caminho a seguir? Algumas técnicas altamente promissoras usando degraus alternativos na escada de distância surgiram recentemente como competitivas para a medição SH0ES.

Uma equipe liderada por Wendy Freedman, uma pioneira americana dos estudos modernos de H₀, usou estrelas específicas que se enquadram em uma categoria conhecida como “ponta do ramo das gigantes vermelhas” (TRGB) para fazer novas calibrações de distâncias de supernovas. Este método pode evitar incertezas inerentes ao uso de Cefeidas. Curiosamente, ele fornece H₀ = 69,8 – uma constante entre Planck e SH0ES, embora com incertezas maiores.

Além disso, a equipe de Freedman recentemente encontrou uma discrepância entre as distâncias de galáxias implícitas por estrelas TRGB e Cefeidas usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Se corroborada por análises futuras, essa discrepância colocaria a abordagem da escada de distância em uma base muito mais incerta.

A qualidade das medições de H₀ inevitavelmente melhorará com novos dados do JWST, novas amostras de supernovas e técnicas inovadoras, como o uso de ondas gravitacionais de buracos negros em fusão. Mas se esses esforços resolverão a tensão de Hubble, ou a piorarão, ainda não se sabe.

Por enquanto, nossa compreensão do universo continua a ser perseguida por discordâncias nas medições da taxa de expansão. Cem anos após sua concepção, a constante de Hubble continua a nos confundir.