Universo está agindo de forma estranha, e ‘lentes’ cósmicas podem revelar motivo

Diversas imagens de um quasar distante são visíveis nesta visualização combinada do Observatório de Raios-X Chandra da Nasa e do Telescópio Espacial Hubble. Uma grande galáxia em primeiro plano está distorcendo tanto a luz do quasar que passa a agir como uma lente, resultando na aparente duplicação. FOTO DE IMAGE BY X-RAY: NASA/CXC/UNIV OF MICHIGAN/R.C.REIS ET AL; OPTICAL: NASA/STSCI

Desde o momento em que passou a existir há mais de 13 bilhões de anos, o universo vem se expandindo, com galáxias se afastando visivelmente umas das outras. Para compreender as leis físicas que regem o cosmos, astrônomos tentaram mensurar um dos números mais importantes da cosmologia, a Constante de Hubble, que descreve a velocidade em que essa expansão acontece e, por sua vez, a idade do universo.

Mas, recentemente, diversos esforços para encontrar o valor da Constante de Hubble resultaram em uma possível crise na cosmologia: o universo parece estar se expandindo mais rápido do que o esperado. Se confirmada, essa mudança chocante forçaria astrofísicos a repensarem os princípios básicos do nosso universo, os quais não sustentam atualmente tais mudanças, mesmo após levar em consideração a energia escura, uma força misteriosa que impulsiona a aceleração da expansão do universo.

Agora, pesquisadores anunciaram uma nova forma de olhar para o problema ao examinarem galáxias tão colossais que distorcem o espaço-tempo ao seu redor, curvando a luz como lentes gigantes.

Os resultados, publicados no periódico Science, não foram os únicos responsáveis por virarem os conceitos de cabeça para baixo. Considerando as margens de erro, as medições mais recentes são consistentes com tentativas anteriores de encontrar esse valor cósmico tão essencial. Mas como prova de conceito, o estudo demonstra que esse novo e promissor método funciona, o que é empolgante, uma vez que faz menos suposições sobre a estrutura do nosso universo quando comparado a outros métodos em busca do Hubble.

“Nós podemos oferecer uma perspectiva singular no que se refere à mensuração da Constante de Hubble”, diz a autora principal do estudo, Inh Jee, que concluiu o trabalho enquanto pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astrofísica.

Ataque dos clones

Até recentemente, astrônomos tinham apenas dois métodos principais à disposição para calcular a Constante de Hubble.

Para deduzir o valor a partir do universo primordial, cientistas usaram dados do satélite Planck, os quais mediam a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o brilho emitido apenas 380 mil anos após o Big Bang. A partir de determinadas suposições sobre a natureza fundamental do universo, os dados do Planck sugerem que a Constante de Hubble deva ter um valor de 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec, com variação de mais ou menos 0,5. (Um parsec equivale a cerca de 3,26 anos-luz e um megaparsec são um milhão de parsecs).

Mas os pesquisadores também podem estimar a Constante de Hubble a partir de estrelas e galáxias muito mais modernas, e esses métodos não dependem das mesmas suposições. Certos tipos de estrelas e explosões estelares emitem um brilho padrão. Ao comparar seu brilho esperado ao observado, os pesquisadores podem determinar a distância estimada dos objetos. Os astrônomos então relacionam suas distâncias à velocidade que a expansão do universo está nos distanciando delas, o que eles podem observar a partir de oscilações na luz dos objetos. Essa abordagem, refinada por um grupo de pesquisa chamado SH0ES, alcançou um valor para a Constante de Hubble de 73,5, com variação para mais ou para menos de 1,7.

“A analogia que gosto diz que, se observarmos uma criança de dois anos e medirmos sua altura, poderíamos prever sua altura quando adulto. Depois, quando medimos a altura do adulto, vemos que não é nada consistente, ele está 30 centímetros mais alto que o esperado”, diz o líder do SH0ES, Adam Riess, astrônomo na Universidade Johns Hopkins.

Para verificar se essa discrepância é real, astrônomos buscaram outros métodos independentes para encontrar a Constante de Hubble. E é aqui que entra o COSMOGRAIL. O grupo de pesquisa baseado na Suíça busca e monitora lentes gravitacionais, regiões do espaço que contêm tanta massa que distorcem o próprio espaço-tempo, o suficiente para curvar qualquer luz que passe por ele.

Às vezes, uma lente gravitacional pode ocorrer diretamente entre nós e um objeto distante, curvando sua luz em tal intensidade que vemos diversas imagens do objeto “clonadas” ao redor das bordas da lente. Essas imagens não estão sincronizadas no tempo. A luz de uma das imagens pode estar menos curvada, tendo uma captura mais direta e rápida através da lente. A luz de outra imagem pode estar mais atrasada após passar pelo espaço-tempo particularmente distorcido.

O COSMOGRAIL monitora as lentes gravitacionais iluminadas por quasares, objetos extremamente luminosos alimentados por buracos negros descomunais. Fundamentalmente, as imagens distorcidas do quasar cintilarão assim como o quasar, mas não ao mesmo tempo. Esses pequenos atrasos dependem da distribuição de massa dentro da lente e da distância entre nós, o quasar e a lente. Assim, se os pesquisadores determinarem a massa necessária para chegar à distorção observada, eles podem combiná-la aos atrasos de tempo para estimar a Constante de Hubble.

Um grupo chamado a colaboração H0LiCOW já utilizou essa abordagem, e sua estimativa para a Constante de Hubble de 73,3, com variação de 1,8, está alinhada aos resultados do SH0ES. Em julho, a H0LiCOW anunciou que havia uma chance menor que um em 10 milhões de que a diferença entre os resultados das duas equipes e o valor do Planck seja apenas um acaso.

O despertar da força

E como Jee e seus colegas agora demonstram, os quasares distorcidos da H0LiCOW são uma dádiva que não para de dar resultados. Eles podem ser analisados de uma forma completamente diferente para estimar a Constante de Hubble.

Se a matéria no coração da lente gravitacional for uma galáxia, os pesquisadores podem mensurar a velocidade de rotação das estrelas da galáxia e, então, combinar esses dados aos atrasos de tempo para determinar o tamanho da galáxia. Ao comparar seu diâmetro verdadeiro com o seu tamanho aparente no céu, os pesquisadores poderão estabelecer a distância da galáxia distorcida até nós.

Jee e seus colegas se concentraram em dois objetos, chamados B1608+656 e RXJ1131-1231, ambas lentes gravitacionais que estão distorcendo a luz de quasares distantes. Através desse novo método, eles descobriram que o B1608+656 está a quatro bilhões de anos-luz de nós, e que o RXJ1131-1231 está a 2,6 bilhões de anos-luz daqui.

Eles então combinaram essas distâncias às oscilações da luz das galáxias para calibrar as estimativas para a Constante de Hubble. Os resultados dos pesquisadores chegaram ao valor de 82,4, com variação de 8,4, colocando o valor nas redondezas dos resultados da H0LiCOW e SH0ES.

A coautora do estudo Sherry Suyu observa que a H0LiCOW já está usufruindo do novo método para aprimorar suas estimativas do Hubble, e ela adiciona que, no futuro, o método de Jee terá muitos mais dados à sua disposição. Apenas nos últimos anos, diz Suyu, astrônomos encontraram cerca de 40 novos sistemas distorcidos de quasares iguais aos usados no estudo publicado na revista Science.

“É extraordinário”, diz Suyu, líder de grupo no Instituto Max Planck de Astrofísica. “Podemos medir a distância até uma galáxia a bilhões de anos-luz de nós com um pequeno percentual de incerteza, o que não é nada mau”.

Enquanto o estudo de Jee passava por revisão, um segundo estudo de Radosław Wojtak e Adriano Agnello, publicado no início deste ano na revista in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, também demonstrou que a técnica das lentes funciona.

“Esse é apenas o ponto de partida do método”, diz Wojtak, astrofísico na Universidade de Copenhagen. Mas outros métodos ainda estão surgindo. No futuro, a detecção de ondulações no espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, lançadas de colisões de estrelas de nêutrons, poderão oferecer mais uma estimativa.

Mas por enquanto, a cosmologia ainda se encontra à beira de um precipício, e é possível que caia no desconhecido.

“A grande questão, na minha opinião, é se o nosso modelo cosmológico está em perigo”, diz Wojtak. “Eu não sei a resposta para essa pergunta, mas posso dizer que estamos chegando ao ponto em que devemos considerar seriamente essa opção”.

 Michael Greshko – National Geographic