Webb e Hubble da NASA se unem para resolver o quebra-cabeça da taxa de expansão do universo

As medições de Webb lançam nova luz sobre um mistério de uma década

A “Tensão Hubble”, uma discrepância na taxa de expansão do Universo, é examinada através dos esforços combinados dos Telescópios Espaciais Hubble e James Webb, revelando potenciais imprecisões nas medições cósmicas e sugerindo novos fenómenos físicos. Crédito: SciTechDaily.com

Uma das três justificações científicas apresentadas ao Congresso dos EUA para a construção do Telescópio Espacial Hubble foi utilizar o seu poder de observação para fornecer um valor exacto para a taxa de expansão do Universo. Antes do lançamento do Hubble em 1990, as observações feitas por telescópios terrestres produziam enormes incertezas.

Dependendo da taxa de expansão, o universo pode ter entre 10 e 20 bilhões de anos. Nos últimos 34 anos, o Hubble reduziu esse valor para uma precisão que se aproxima de um por cento. Isto foi conseguido através do refinamento da chamada “escada de distância cósmica”, medindo o padrão-ouro dos marcadores cósmicos conhecidos como estrelas variáveis ​​Cefeidas.

No entanto, os resultados intrigaram os cosmólogos durante uma década. As melhores medições do Hubble mostram que o Universo está agora a expandir-se mais rapidamente do que o previsto com base em observações de como era logo após o Big Bang . Estas observações foram feitas pelo mapeamento do satélite Planck da radiação cósmica de fundo em micro-ondas – uma espécie de modelo de como a estrutura do universo evoluiria depois de esfriar após o Big Bang.

A solução simples para o dilema é dizer que talvez as observações do Hubble estejam erradas devido a alguma imprecisão crescente no seu parâmetro do espaço profundo. Então veio o Telescópio Espacial James Webb para verificar os resultados do Hubble. As nítidas visualizações infravermelhas das Cefeidas feitas por Webb concordaram com os dados do Hubble. Webb confirmou que o olhar atento do telescópio Hubble estava certo o tempo todo.

Esta imagem da NGC 5468, uma galáxia localizada a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, combina dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb. Esta é a galáxia mais distante na qual o Hubble identificou estrelas variáveis ​​Cefeidas. Esses são marcadores importantes para medir a taxa de expansão do universo. A distância calculada a partir das Cefeidas foi correlacionada com uma supernova tipo Ia na galáxia. As supernovas do tipo Ia são tão brilhantes que são usadas para medir distâncias cósmicas muito além do alcance das Cefeidas, estendendo as medições da taxa de expansão do Universo mais profundamente no espaço. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)

O resultado final é que a chamada “Tensão de Hubble” entre o que acontece no universo próximo e a expansão do universo primitivo continua a ser um enigma fascinante para os cosmólogos. Pode haver algo entrelaçado na estrutura do espaço que ainda não entendemos. 

Webb da NASA e telescópios Hubble afirmam a taxa de expansão do universo, o quebra-cabeça persiste

Quando você está tentando resolver um dos maiores enigmas da cosmologia, você deve verificar três vezes seu dever de casa. O enigma, denominado “Tensão de Hubble”, é que a taxa actual de expansão do Universo é mais rápida do que aquilo que os astrónomos esperam que seja, com base nas condições iniciais do Universo e na nossa compreensão actual da evolução do Universo.

Os cientistas que utilizam o Telescópio Espacial Hubble da NASA e muitos outros telescópios encontram consistentemente um número que não corresponde às previsões baseadas nas observações da missão Planck da ESA ( Agência Espacial Europeia ) . A resolução desta discrepância requer uma nova física? Ou é resultado de erros de medição entre os dois métodos diferentes usados ​​para determinar a taxa de expansão do espaço?

O Hubble mede a taxa atual de expansão do Universo há 30 anos e os astrónomos querem eliminar qualquer dúvida remanescente sobre a sua precisão. Agora, o Hubble e o Telescópio Espacial James Webb da NASA uniram-se para produzir medições definitivas, reforçando a ideia de que algo mais – e não erros de medição – está a influenciar a taxa de expansão.

“Com os erros de medição negados, o que resta é a possibilidade real e excitante de termos compreendido mal o Universo”, disse Adam Riess, físico da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore. Riess recebeu o Prémio Nobel pela co-descoberta do facto de que a expansão do Universo está a acelerar, devido a um fenómeno misterioso agora denominado “ energia escura ”.

No centro destas imagens lado a lado está uma classe especial de estrela usada como marcador para medir a taxa de expansão do Universo – uma estrela variável Cefeida. As duas imagens estão muito pixelizadas porque são uma visão muito ampliada de uma galáxia distante. Cada um dos pixels representa uma ou mais estrelas. A imagem do Telescópio Espacial James Webb é significativamente mais nítida em comprimentos de onda do infravermelho próximo do que o Hubble (que é principalmente um telescópio de luz ultravioleta visível). Ao reduzir a confusão com a visão mais nítida de Webb, a Cefeida se destaca com mais clareza, eliminando qualquer confusão potencial. Webb foi usado para observar uma amostra de Cefeidas e confirmou a precisão das observações anteriores do Hubble, que são fundamentais para medir com precisão a taxa de expansão e a idade do Universo. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)

Como verificação cruzada, uma observação inicial de Webb em 2023 confirmou que as medições do Hubble do universo em expansão eram precisas. No entanto, na esperança de aliviar a Tensão Hubble, alguns cientistas especularam que erros invisíveis na medição podem crescer e tornar-se visíveis à medida que olhamos mais profundamente para o Universo. Em particular, a aglomeração estelar poderia afectar as medições de brilho de estrelas mais distantes de uma forma sistemática. 

A equipe SH0ES (Supernova H0 para a Equação do Estado da Energia Escura), liderada por Riess, obteve observações adicionais com Webb de objetos que são marcadores críticos de marcos cósmicos, conhecidos como estrelas variáveis ​​Cefeidas, que agora podem ser correlacionados com os dados do Hubble.

“Agora abrangemos toda a extensão daquilo que o Hubble observou e podemos descartar um erro de medição como a causa da Tensão do Hubble com uma confiança muito elevada”, disse Riess.

As primeiras observações de Webb da equipe em 2023 foram bem-sucedidas ao mostrar que o Hubble estava no caminho certo ao estabelecer firmemente a fidelidade dos primeiros degraus da chamada escada de distância cósmica. (Veja o gráfico abaixo.)

Esta ilustração mostra os três passos básicos que os astrónomos utilizam para calcular a rapidez com que o Universo se expande ao longo do tempo, um valor denominado constante de Hubble. Todas as etapas envolvem a construção de uma forte “escada de distância cósmica”, começando com a medição de distâncias precisas para galáxias próximas e depois passando para galáxias cada vez mais distantes. Esta “escada” é uma série de medições de diferentes tipos de objetos astronômicos com brilho intrínseco que os pesquisadores podem usar para calcular distâncias. Entre as mais confiáveis ​​para distâncias mais curtas estão as variáveis ​​Cefeidas, estrelas que pulsam a taxas previsíveis que indicam seu brilho intrínseco. Os astrônomos usaram recentemente o Telescópio Espacial Hubble para observar 70 variáveis ​​Cefeidas na vizinha Grande Nuvem de Magalhães para fazer a medição mais precisa da distância até aquela galáxia. Os astrónomos comparam as medições das Cefeidas próximas com as de galáxias mais distantes que também incluem outro parâmetro cósmico, a explosão de estrelas chamadas supernovas do Tipo Ia. Essas supernovas são muito mais brilhantes que as variáveis ​​Cefeidas. Os astrônomos os usam como “marcadores de marco” para medir a distância da Terra até galáxias distantes. Cada um desses marcadores baseia-se na etapa anterior da “escada”. Ao estender a escada usando diferentes tipos de marcadores confiáveis, os astrônomos podem alcançar distâncias muito grandes no universo. Os astrónomos comparam estes valores de distância com medições da luz de uma galáxia inteira, que fica cada vez mais vermelha com a distância, devido à expansão uniforme do espaço. Os astrônomos podem então calcular a rapidez com que o cosmos está se expandindo: a constante de Hubble. Créditos: NASA, ESA e A. Feild (STScI)

Os astrônomos usam vários métodos para medir distâncias relativas no universo, dependendo do objeto que está sendo observado. Coletivamente, essas técnicas são conhecidas como escada de distância cósmica – cada degrau ou técnica de medição depende da etapa anterior para calibração. 

Mas alguns astrónomos sugeriram que, avançando ao longo do “segundo degrau”, a escada da distância cósmica poderia ficar instável se as medições das Cefeidas se tornassem menos precisas com a distância. Tais imprecisões podem ocorrer porque a luz de uma Cefeida pode misturar-se com a de uma estrela adjacente – um efeito que pode tornar-se mais pronunciado com a distância, à medida que as estrelas se aglomeram e se tornam mais difíceis de distinguir umas das outras. 

O desafio observacional é que as imagens anteriores do Hubble destas variáveis ​​Cefeidas mais distantes parecem mais amontoadas e sobrepostas com estrelas vizinhas a distâncias cada vez maiores entre nós e as suas galáxias hospedeiras, exigindo uma contabilização cuidadosa deste efeito. A poeira interveniente complica ainda mais a certeza das medições na luz visível. Webb corta a poeira e isola naturalmente as Cefeidas das estrelas vizinhas porque sua visão é mais nítida que a do Hubble nos comprimentos de onda infravermelhos. 

“Combinar Webb e Hubble nos dá o melhor dos dois mundos. Descobrimos que as medições do Hubble permanecem fiáveis ​​à medida que avançamos na escada da distância cósmica,” disse Riess.

 As novas observações de Webb incluem cinco galáxias hospedeiras de oito supernovas do Tipo Ia contendo um total de 1.000 Cefeidas, e alcançam a galáxia mais distante onde as Cefeidas foram bem medidas – NGC 5468 – a uma distância de 130 milhões de anos-luz. “Isso abrange toda a faixa onde fizemos medições com o Hubble. Portanto, chegámos ao fim do segundo degrau da escada da distância cósmica,” disse o co-autor Gagandeep Anand do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore, que opera os telescópios Webb e Hubble para a NASA .

A confirmação adicional da Tensão Hubble por Hubble e Webb cria outros observatórios para possivelmente resolver o mistério. O próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA fará amplas pesquisas celestes para estudar a influência da energia escura, a energia misteriosa que está causando a aceleração da expansão do universo. O Observatório Euclides da ESA , com contribuições da NASA, está a realizar uma tarefa semelhante. 

Atualmente, é como se a escada de distância observada por Hubble e Webb tivesse fixado firmemente um ponto de ancoragem na margem de um rio, e o brilho do Big Bang observado pelas medições de Planck desde o início do universo estivesse firmemente fixado no outro lado. . A forma como a expansão do Universo mudou nos milhares de milhões de anos entre estes dois pontos finais ainda não foi observada diretamente. “Precisamos descobrir se estamos faltando alguma coisa sobre como conectar o início do universo e os dias atuais”, disse Riess. 

Estas descobertas foram publicadas na edição de 6 de fevereiro de 2024 do The Astrophysical Journal Letters .

Fonte: Scitechdaily.com