Astronomicamente rara 'lente dupla' produz a melhor medição de sistema único de expansão cósmica

O sistema de lentes mostrado aqui, descoberto pelo Dark Energy Survey e chamado DES J0408–5354, foi originalmente pensado para ser uma fonte de primeiro plano que quádruplamente lente um objeto de fundo, criando quatro imagens separadas. No entanto, os dados do Hubble e a modelagem e análise modernas mudaram a história, produzindo duas fontes de fundo, cada uma com lentes duplas. As informações adicionais obtidas com isso permitiram a melhor reconstrução da taxa de expansão do Universo já feita por meio de um único sistema. (A.J. SHAJIB ET AL. (2019), ARXIV:1910.06306)

De um sistema felizmente afortunado, ganhamos uma nova janela para o maior enigma do Universo em expansão.


Sabemos que nosso Universo está se expandindo por ~ 90 anos, mas os mistérios não resolvidos persistem.

O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que se sabe desde a década de 1920. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Teoricamente, tudo que compõe o Universo – matéria, matéria escura, energia escura, radiação e muito mais – determina a taxa de expansão.

A história do Universo em expansão pode ser rastreada até 13,8 bilhões de anos, até o início do quente Big Bang. Um Universo cheio de matéria com imperfeições iniciais sofreu um crescimento gravitacional durante um longo período de tempo, resultando na intrincada teia cósmica que vemos hoje. No canto superior esquerdo, um gráfico de pizza detalha a densidade de energia fracionária do Universo hoje. Já o outro lado da equação, referente à taxa de expansão, produz valores diferentes e inconsistentes dependendo do método utilizado. (ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK (MAIN), COM MODIFICAÇÕES DE E. SIEGEL; USUÁRIO DA NASA / WIKIMEDIA COMMONS 老陳 (INSET))

Apenas observações diretas medem com competência a taxa real, mas diferentes métodos discordam.

A estrutura em grande escala do Universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as primeiras estrelas e galáxias, depois se fundem para formar as grandes e modernas galáxias que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um Universo mais jovem, semelhante a como nossa região local era no passado. As flutuações de temperatura no CMB, bem como as propriedades de agrupamento das galáxias ao longo do tempo, fornecem um método único de medir o histórico de expansão do Universo. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Métodos baseados em sinais iniciais impressos no fundo cósmico de micro-ondas e na estrutura em grande escala do Universo indicam um valor: 67 km/s/Mpc.

Uma ilustração dos padrões de agrupamento devido às oscilações acústicas de Baryon, onde a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma certa distância de qualquer outra galáxia é governada pela relação entre a matéria escura e a matéria normal. À medida que o Universo se expande, essa distância característica também se expande, permitindo-nos medir a constante de Hubble, a densidade da matéria escura e até o índice espectral escalar. Os resultados concordam com os dados do CMB, e um Universo composto de 27% de matéria escura, em oposição a 5% de matéria normal. Alterar a distância do horizonte sonoro pode alterar a taxa de expansão que esses dados implicam. (ZÓSIA ROSTOMIA)

No entanto, métodos baseados em medições precisas de objetos distantes fornecem um valor conflitante: 74 km/s/Mpc.

A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada passo carrega suas próprias incertezas, mas com muitos métodos independentes, é impossível para qualquer degrau, como paralaxe, cefeidas ou supernova, causar toda a discrepância que encontramos. Embora a taxa de expansão inferida possa ser enviesada para valores mais altos ou mais baixos se vivêssemos em uma região subdensa ou superdensa, a quantidade necessária para explicar esse enigma é descartada observacionalmente. Existem métodos independentes suficientes para construir a escada de distância cósmica que não podemos mais culpar razoavelmente um 'degrau' na escada como a causa de nossa incompatibilidade entre diferentes métodos. (NASA, ESA, A. FEILD (STSCI) E A. RIESS (STSCI/JHU))

Com erros gerais de apenas 1 a 2% cada, essa diferença de 9% é significativa e robusta .

Tensões de medição modernas da escada de distância (vermelho) com dados de sinal iniciais do CMB e BAO (azul) mostrados para contraste. É plausível que o método de sinal inicial esteja correto e haja uma falha fundamental com a escada de distância; é plausível que haja um erro de pequena escala influenciando o método de sinal inicial e a escada de distância esteja correta, ou que ambos os grupos estejam certos e alguma forma de nova física (mostrada na parte superior) seja a culpada. Mas agora, não podemos ter certeza. (ADAM RIESS (COMUNICAÇÃO PRIVADA))

Cada nova medição tem a oportunidade de validar ou refutar essa tensão crescente.

Um quasar de lente dupla, como o mostrado aqui, é causado por uma lente gravitacional. Se o tempo de atraso das múltiplas imagens puder ser entendido, pode ser possível reconstruir uma taxa de expansão para o Universo à distância do quasar em questão. O grupo H0LiCOW tem as melhores medições de quasar até agora, derivando uma taxa de expansão de 73,3 km/s/Mpc. (NASA HUBBLE SPACE TELESCOPE, TOMMASO TREU/UCLA E BIRRER ET AL.)

Em 2017, astrônomos descobriram um novo sistema : DES J0408–5354.

Esta imagem, tirada em três filtros do Hubble, mostra as principais galáxias em primeiro plano fazendo a lente (G1 e G2), bem como várias imagens de duas fontes distantes (S2 e S3) que são multiplicadas pelas lentes dos objetos em primeiro plano. (A.J. SHAJIB ET AL. (2019), ARXIV:1910.06306)

Originalmente identificado erroneamente como um único quasar de lente quádrupla, na verdade são dois sistemas independentes de lente dupla.

Uma ilustração de lentes gravitacionais mostra como as galáxias de fundo – ou qualquer caminho de luz – são distorcidas pela presença de uma massa intermediária, mas também mostra como o próprio espaço é dobrado e distorcido pela presença da própria massa em primeiro plano. Quando vários objetos de fundo são alinhados com a mesma lente de primeiro plano, vários conjuntos de várias imagens podem ser vistos por um observador devidamente alinhado. (NASA/ESA)

Com ambos os sistemas a distâncias mutuamente diferentes, mais informações podem ser extraídas do que para qualquer lente única comparável .

A imagem composta (acima), bem como os três filtros individuais do Hubble (abaixo), correspondem aos mesmos parâmetros para as configurações de fonte de fundo e lente de primeiro plano. Isso é consistente com dois objetos de lente dupla a duas distâncias diferentes. (A.J. SHAJIB ET AL. (2019), ARXIV:1910.06306)

Através de atrasos de tempo entre características nas múltiplas imagens, os astrônomos derivaram distâncias e redshifts para ambos os sistemas.

O principal resultado para a taxa de expansão do Universo, apenas deste sistema, depende do modelo cosmológico escolhido para refletir a densidade total da matéria. Nossas melhores observações colocam esse valor em cerca de 0,32, indicando que uma taxa de expansão de 74 km/s/Mpc é boa, mas uma de 67 é inaceitável. (A.J. SHAJIB ET AL. (2019), ARXIV:1910.06306)

A taxa de expansão resultante corresponde aos outros valores da escada de distância: 74,2 km/s/Mpc, com uma incerteza de 3,9%.

Uma série de diferentes grupos que buscam medir a taxa de expansão do Universo, juntamente com seus resultados codificados por cores. Observe como há uma grande discrepância entre os resultados iniciais (dois principais) e tardios (outros), com as barras de erro sendo muito maiores em cada uma das opções de atraso. O único valor a ser criticado é o CCHP, que foi reanalisado e encontrou um valor mais próximo de 72 km/s/Mpc do que 69,8; todas as medições da escada de distância são consistentemente mais altas do que as observações CMB/LSS. (L. VERDE, T. TREU E A. G. RIESS (2019), ARXIV: 1907.10625)

Com novos métodos aumentando continuamente essa tensão cósmica, nova física, não um erro, fornece a resolução mais provável .

Uma linha do tempo ilustrada da história do Universo. Se o valor da energia escura é pequeno o suficiente para admitir a formação das primeiras estrelas, então um Universo contendo os ingredientes certos para a vida é praticamente inevitável. No entanto, se a energia escura vem e vai em ondas, com uma quantidade inicial de energia escura decaindo antes da emissão do CMB, isso poderia resolver esse enigma do Universo em expansão. (OBSERVATÓRIO EUROPEU DO SUL (ESO))


Principalmente Mute Monday conta uma história astronômica em imagens, recursos visuais e não mais de 200 palavras. Fale menos; sorria mais.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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