Controvérsia no Cosmos: o Universo está se expandindo, mas o quão rápido?

Uma pequena discrepância no valor de um número há muito procurado tem promovido um debate sobre o quão bem conhecemos o cosmos.

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Imagem feita pelo telescópio espacial de Hubble do grupo de galáxias Arp 273. Crédito: NASA.

Artigo traduzido de The New York Times. Autor: Dennis Overbye.

Há uma crise no cosmos, ou talvez na comunidade dos cosmólogos. O universo parece estar se expandindo rápido demais, dizem alguns astrônomos.

Medições recentes das distâncias e velocidades de galáxias longínquas não estão de acordo com um “modelo padrão” do cosmos, que foi duramente conquistado e que prevaleceu nas últimas duas décadas.

O último resultado mostra uma discrepância de 9% no valor de um procurado número chamado constante de Hubble, que descreve a rapidez com que o universo está se expandindo. Mas medindo a precisão com a qual os cosmólogos pensam que sua ciência se tornou, esse pequeno descompasso promoveu um debate sobre o quão bem conhecemos o cosmos.

“Se for real, nós aprenderemos uma nova física” disse Wendy Freedman da universidade de Chicago, que gastou a maior parte  de sua carreira traçando o tamanho e o crescimento do universo.

A constante de Hubble, nomeada após Edwin Hubble, o astrônomo dos observatórios Monte Wilson e Carnegie que descobriu que o universo está expandindo, deu uma luz aos astrônomos. Em um universo em expansão, quanto mais longe o objeto está de você, mais rápido está se afastando. É o que a constante de Hubble diz por enquanto.

Mas a medição exige predizer as distâncias das luzes no céu – estrelas e até mesmo galáxias inteiras que nunca poderemos visitar ou recriar em laboratório. A estratégia desde Hubble foi encontrar as chamadas velas padrão, estrelas ou galáxias inteiras cujas distâncias podem ser calculadas pelo quão brilhante são observadas da Terra.

Mas os próprios calibradores precisam ser calibrados, o que levou a uma cadeia raquítica de suposições e medições em que pequenos erros e desentendimentos – sobre, digamos, quanta poeira interfere nas observações – podem chegar a proporções cósmicas. Apenas três décadas atrás, astrônomos de renome não conseguiam concordar se o universo tinha 10 bilhões ou 20 bilhões de anos. Agora, todos se estabeleceram sua idade como cerca de 13,8 bilhões de anos.

Albert Einstein, à esquerda, e Edwin Hubble, segundo da esquerda, no Observatório Mount Wilson em 1931. Crédito: Imagno / Getty Images.

Usando uma nova geração de instrumentos como o Telescópio Espacial Hubble, os astrônomos têm diminuído constantemente a incerteza na constante de Hubble.

Chegando Perto

Em 2001, uma equipe liderada pelo Dr. Freedman relatou o valor de 72 quilômetros por segundo por megaparsec (cerca de 3,3 milhões de anos-luz). Significava que, para cada 3,3 milhões de anos-luz, as galáxias ficavam mais distante de nós, movendo-se 72 quilômetros por segundo mais rápido.

A estimativa original do Hubble era muito maior.

O resultado do Dr. Freedman tinha uma margem de erro que o deixava felizmente consistente com outros cálculos mais indiretos, que haviam obtido um valor ligeiramente mais lento e mais baixo de 67 para a constante de Hubble. Estes eram derivados de estudos de microondas emitidos e ainda persistente no céu da bola de fogo do Big Bang primordial.

Como resultado, nos últimos anos, os astrônomos estabeleceram uma receita para o universo que é tão obscura e tão decadente quanto um pedaço de bolo de chocolate duplo. O universo consiste em aproximadamente 5% de matéria atômica, 27% de matéria escura misteriosa e 68% de energia escura ainda mais misteriosa que está acelerando a expansão cósmica. Não importa não entendermos exatamente o que todas essas coisas escuras são. Os astrônomos têm uma boa teoria sobre como ela se comporta, e isso lhes permitiu contar uma história plausível sobre como o universo evoluiu desde quando tinha um trilionésimo de segundo de idade até hoje.

Mas agora a precisão do Hubble ficou aparentemente melhor, e o universo pode estar em apuros novamente.

No verão passado, uma equipe liderada por Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, usando o Telescópio Espacial Hubble, o gigante Telescópio Keck em Mauna Kea no Havaí, e explosões de supernova como marcadores de distância, obteve um valor de 73 mais ou menos, apenas 2,4% para a constante.

Radiação cósmica de microondas deixada pelo Big Bang, como visto pela nave espacial Planck. Crédito: NASA.

Isso rendeu debate porque significava que, se fosse verdade, a constante de Hubble observada hoje era claramente incompatível com o resultado 67 inferido pelos dados obtidos em 2013 pela espaçonave Planck. As observações da missão Planck que mostram o universo quando tinha apenas 380.000 anos de idade são consideradas o padrão ouro da cosmologia.

A necessidade da modificação da receita cósmica padrão – por exemplo, para explicar uma nova espécie de partículas subatômicas que fluem pelo espaço desde o Big Bang – divide opiniões. Alguns dizem que é muito cedo para ficar animado sobre uma nova física surgindo através de uma discrepância tão pequena em um campo marcado por controvérsia. Com mais dados e melhor compreensão das incertezas estatísticas, a discrepância pode desaparecer, dizem eles.

“Nenhuma explicação que eu conheça é menos feia do que o problema”, disse Lawrence M. Krauss, teórico do Arizona State.

Outros dizem que este poderia ser o começo de algo grande. David Spergel, cosmólogo de Princeton e da Fundação Simons, chamou a discrepância de “muito intrigante”, mas disse que ainda não estava convencido de que essa era a assinatura de uma nova física. Michael S. Turner, da Universidade de Chicago, disse: “Se a discrepância for real, isso pode ser uma ruptura do atual modelo padrão de cosmologia altamente bem-sucedido e apenas o que a geração mais jovem quer – uma chance para grandes descobertas, novos insights e descobertas”.

Dr. Riess e seu colega Stefano Casertano obtiveram aproximadamente a mesma resposta do último verão, reforçando a reivindicação de um desajuste da constante do Hubble. Eles usaram dados iniciais da espaçonave europeia GAIA, que mede as distâncias de mais de um bilhão de estrelas por triangulação, permitindo assim que os astrônomos ignorem alguns dos degraus inferiores na escada de distância.

Eles calcularam que as probabilidades deste desajuste ser um acaso estatístico eram inferiores a uma parte em uma centena – o que pode soar bem no poker, mas não na física, o que exige probabilidades de menos de um em um milhão para cimentar a alegação de uma descoberta.

Ilustração da espaçonave GAIA e a Via Láctea. Crédito: ESA/ATG medialab; Fundo: ESO, via S. Brunier.

“Eu acho que é uma questão potencialmente séria”, disse Alex Filippenko, astrônomo da Universidade da Califórnia que faz parte da equipe. “Nesta linha de pesquisa o diabo está nos detalhes. E depois de obter os detalhes corretos, ficamos com um grande quebra-cabeças”.

George Efstathiou, da Universidade de Cambridge e um dos líderes da missão Planck responsável pela sua análise cosmológica, disse que o Dr. Riess e sua equipe subestimaram os erros em suas medições.

“Então, em resumo, eu acho que os resultados do Planck são seguros”, escreveu ele em um e-mail. “Eles”, disse ele, referindo-se aos outros astrônomos, “podem estar certos e temos que modificar o modelo padrão, mas a evidência parece fraca para mim”.

No entanto, Dr. Riess e seus colegas apoiaram o seu trabalho, e a trama engrossou ainda mais em dezembro, quando um grupo chamado H0LiCOW (não pergunte) do Instituto Max Planck para Astrofísica em Garching, Alemanha, relatou o seu próprio valor de 72 para a constante de Hubble, também inconsistente com a análise da missão espacial Planck.

Conduzido por Sherry Suyu da Max Planck, o grupo mediu os atrasos experimentados pelos raios de luz de cinco quasares cintilantes e distantes enqunto seguiam caminhos diferentes em torno de galáxias massivas no caminho até nós. A técnica, dizem eles, depende apenas da geometria e da teoria da gravidade de Einstein, da relatividade geral, tornando-a independente de outras suposições sobre a poeira ou a composição das estrelas.

No ano passado, um grupo conhecido como BOSS, o Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, apresentou uma constante de Hubble de cerca de 68, baseada em como 1,5 milhão de galáxias estão agrupadas no espaço e no tempo, mas usaram também dados do fundo cósmico de microondas para a calibração.

Uma supernova semelhante às usadas para medir a expansão do universo. Crédito: NASA.

O que vem depois?

Há várias nuances, Dr. Riess e outros dizem, para que os resultados modernos e os primordiais estejam corretos, porque o Planck mediu a constante de Hubble apenas indiretamente como um de vários parâmetros no modelo padrão do universo. Outros parâmetros podem ser modificados.

É daí que uma nova física pode aparecer.

Os candidatos mais prováveis ​​para preencher a lacuna, disse Riess, podem ser uma nova forma de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos, já conhecidas por serem abundantes no cosmos. Elas vêm em três tipos que podem mudar em outro enquanto atravessam o espaço; alguns físicos sugeriram que poderia haver um quarto tipo, chamado de neutrinos estéril, que não interage com nada.

Sua descoberta poderia desbloquear novos domínios na física de partículas e talvez lançar luz, por assim dizer, na busca de entender a matéria escura que ocupa o espaço e fornece o andaime gravitacional para galáxias.

Outra possibilidade é que a versão mais popular da energia escura – conhecida como a constante cosmológica, inventada por Einstein há 100 anos e então rejeitada como um erro – possa ter de ser substituída no modelo cosmológico por uma forma mais virulenta e controversa conhecida como Energia Fantasma, o que poderia fazer com que o universo eventualmente se expandisse tão rapidamente que até mesmo átomos seriam destruídos em um Big Rip daqui bilhões de anos.

“Esta é uma tensão muito interessante”, disse Riess. “É por isso que nós jogamos o jogo. Procuramos algo que não se encaixa”.

Ele acrescentou: “Pistas sobre o setor escuro ou sobre física fundamental estão em jogo”.

Esta é a era da “cosmologia de precisão”, e enquanto todos concordam que ainda é muito cedo para dizer, a avalanche de dados do GAIA e do Telescópio Espacial James Webb está apenas começando, disse Freedman. Nos próximos anos, ela espera que a constante de Hubble possa ser medida com precisão de 1%.

“E isso é o que o torna interessante – isso é viável, e há muito trabalho em andamento que nos permitirá resolver isso nos próximos dois anos”, disse ela. “É o que me faz querer trabalhar nisso de novo!”

Ela disse que a situação a lembrava do final da década de 1990, quando distâncias discrepantes para explosões de supernovas distantes levaram à descoberta de que a expansão do universo estava acelerando sob a influência da energia escura. Dr. Riess ganhou um Prêmio Nobel por sua parte nisso, e a energia escura tomou seu lugar na ortodoxia cósmica.

“Não que seja ‘déjà vu’- escreveu em um e-mail – mas é engraçado que sempre que meus colegas e eu olhamos para o universo contemporâneo com nossas armas de radar, ele está se expandindo muito rápido para as expectativas atuais!”

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