Começa Com Um Estrondo

O maior enigma da cosmologia é uma pista, não uma controvérsia

O Universo em expansão, cheio de galáxias e a estrutura complexa que observamos hoje, surgiu de um estado menor, mais quente, mais denso e mais uniforme. Levou milhares de cientistas trabalhando por centenas de anos para chegarmos a esta imagem, e ainda assim a falta de consenso sobre qual é a taxa de expansão realmente nos diz que ou algo está terrivelmente errado, temos um erro não identificado em algum lugar, ou há uma nova revolução científica no horizonte. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Quão rápido o Universo está se expandindo? Os resultados podem estar apontando para algo incrível.

Se você quer saber como algo no Universo funciona, tudo o que você precisa fazer é descobrir como alguma quantidade mensurável lhe dará as informações necessárias, sair e medir e tirar suas conclusões. Claro, haverá preconceitos e erros, juntamente com outros fatores de confusão, e eles podem levá-lo ao erro se você não for cuidadoso. O antídoto para isso? Faça o máximo de medições independentes que puder, usando tantas técnicas diferentes quanto possível, para determinar essas propriedades naturais da forma mais robusta possível.

Se você estiver fazendo tudo certo, todos os seus métodos convergirão para a mesma resposta e não haverá ambiguidade. Se uma medição ou técnica estiver errada, as outras o apontarão na direção certa. Mas quando tentamos aplicar essa técnica ao Universo em expansão, surge um quebra-cabeça: obtemos uma de duas respostas e elas não são compatíveis entre si. É o maior enigma da cosmologia , e pode ser apenas a pista que precisamos para desvendar os maiores mistérios sobre nossa existência.

A relação redshift-distância para galáxias distantes. Os pontos que não caem exatamente na linha devem o pequeno descompasso às diferenças nas velocidades peculiares, que oferecem apenas pequenos desvios da expansão geral observada. Os dados originais de Edwin Hubble, usados pela primeira vez para mostrar que o Universo estava se expandindo, todos cabem na pequena caixa vermelha no canto inferior esquerdo. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))

Sabemos desde a década de 1920 que o Universo está se expandindo, com a taxa de expansão conhecida como constante de Hubble. Desde então, tem sido uma busca para as gerações determinarem quanto?

No início, havia apenas uma classe de técnica: a escada de distância cósmica. Essa técnica era incrivelmente simples e envolvia apenas quatro etapas.

Escolha uma classe de objeto cujas propriedades sejam intrinsecamente conhecidas, onde se você medir algo observável sobre ele (como seu período de flutuação de brilho), você conhece algo inerente a ele (como seu brilho intrínseco).
Meça a quantidade observável e determine qual é o seu brilho intrínseco.
Em seguida, meça o brilho aparente e use o que você sabe sobre distâncias cósmicas em um universo em expansão para determinar a que distância ele deve estar.
Finalmente, meça o redshift do objeto em questão.

Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se expande para longe de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia se movendo com o Universo em expansão estará a um número ainda maior de anos-luz de distância, hoje, do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que a luz emitida por ela levou para chegar até nós. Mas a rapidez com que o Universo está se expandindo é algo com o qual os astrônomos que usam diferentes técnicas não podem concordar. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)

O redshift é o que une tudo isso. À medida que o Universo se expande, qualquer luz que o atravesse também se estenderá. A luz, lembre-se, é uma onda e tem um comprimento de onda específico. Esse comprimento de onda determina qual é a sua energia, e cada átomo e molécula no Universo tem um conjunto específico de linhas de emissão e absorção que ocorrem apenas em comprimentos de onda específicos. Se você puder medir em que comprimento de onda essas linhas espectrais específicas aparecem em uma galáxia distante, poderá determinar o quanto o Universo se expandiu desde o momento em que deixou o objeto até chegar aos seus olhos.

Combine o desvio para o vermelho e a distância para uma variedade de objetos em todo o Universo, e você pode descobrir o quão rápido ele está se expandindo em todas as direções, bem como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo.

A história do Universo em expansão, incluindo o que é composto atualmente. É apenas medindo como a luz se desvia para o vermelho à medida que viaja pelo Universo em expansão que podemos entendê-lo como o fazemos, e isso requer uma grande série de medições independentes. (ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK (MAIN), COM MODIFICAÇÕES DE E. SIEGEL; USUÁRIO DA NASA / WIKIMEDIA COMMONS 老陳 (INSET))

Ao longo do século 20, os cientistas usaram essa técnica para tentar determinar o máximo possível sobre nossa história cósmica. A cosmologia – o estudo científico do que o Universo é feito, de onde veio, como se tornou o que é hoje e o que seu futuro reserva – foi ridicularizada por muitos como uma busca por dois parâmetros: a taxa de expansão atual e como a taxa de expansão evoluiu ao longo do tempo. Até a década de 1990, os cientistas não conseguiam nem concordar com o primeiro deles.

Eles estavam todos usando a mesma técnica, mas fizeram suposições diferentes. Alguns grupos usaram diferentes tipos de objetos astronômicos uns dos outros, outros usaram instrumentos diferentes com diferentes erros de medição. Algumas classes de objetos acabaram sendo mais complicadas do que pensávamos originalmente. Mas muitos problemas ainda apareceram.

Velas padrão (L) e réguas padrão (R) são duas técnicas diferentes que os astrônomos usam para medir a expansão do espaço em vários tempos/distâncias no passado. Com base em como quantidades como luminosidade ou tamanho angular mudam com a distância, podemos inferir o histórico de expansão do Universo. Usar o método da vela faz parte da escada de distância, produzindo 73 km/s/Mpc. O uso da régua faz parte do método de sinal inicial, produzindo 67 km/s/Mpc. (NASA/JPL-CALTECH)

Se o Universo estivesse se expandindo muito rápido, não haveria tempo suficiente para formar o planeta Terra. Se pudermos encontrar as estrelas mais antigas da nossa galáxia, sabemos que o Universo deve ser pelo menos tão antigo quanto as estrelas dentro dele. E se a taxa de expansão evoluísse ao longo do tempo, porque havia algo além de matéria ou radiação nela – ou uma quantidade diferente de matéria do que assumimos – isso apareceria em como a taxa de expansão mudou ao longo do tempo.

Resolver essas controvérsias iniciais foi a principal motivação científica para a construção do Telescópio Espacial Hubble. Seu projeto-chave era fazer essa medição e foi tremendamente bem-sucedido. A taxa obtida foi de 72 km/s/Mpc, com apenas 10% de incerteza. Esse resultado, publicado em 2001, resolveu uma polêmica tão antiga quanto a própria lei de Hubble. Juntamente com a descoberta da matéria escura e da energia, parecia nos dar uma imagem totalmente precisa e auto-consistente do Universo.

A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada etapa traz consigo suas próprias incertezas, especialmente a variável Cefeida e as etapas de supernovas; também seria tendencioso para valores mais altos ou mais baixos se vivêssemos em uma região subdensa ou superdensa. 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))

O grupo de escada de distância tornou-se muito mais sofisticado ao longo do tempo. Há agora um número incrivelmente grande de maneiras independentes de medir a história de expansão do Universo:

usando lentes gravitacionais distantes,
usando dados de supernova,
usando propriedades rotacionais e de dispersão de galáxias distantes,
ou usando flutuações de brilho da superfície de espirais frontais,

e todos eles produzem o mesmo resultado. Independentemente de você calibrá-los com estrelas variáveis Cefeidas, estrelas RR Lyrae ou estrelas gigantes vermelhas prestes a sofrer fusão de hélio, você obtém o mesmo valor: ~73 km/s/Mpc, com incertezas de apenas 2–3%.

A Estrela Variável RS Puppis, com seus ecos de luz brilhando através das nuvens interestelares. As estrelas variáveis vêm em muitas variedades; uma delas, as variáveis Cefeidas, podem ser medidas tanto dentro de nossa própria galáxia quanto em galáxias de até 50 a 60 milhões de anos-luz de distância. Isso nos permite extrapolar distâncias de nossa própria galáxia para muito mais distantes no Universo. Outras classes de estrelas individuais, como uma estrela na ponta do AGB ou uma variável RR Lyrae, podem ser usadas em vez de Cefeidas, produzindo resultados semelhantes e o mesmo enigma cósmico sobre a taxa de expansão. (NASA, ESA E EQUIPE HUBBLE HERITAGE)

Seria uma tremenda vitória para a cosmologia, exceto por um problema. Agora é 2019, e há uma segunda maneira de medir a taxa de expansão do Universo. Em vez de olhar para objetos distantes e medir como a luz que eles emitiram evoluiu, podemos usar relíquias dos primeiros estágios do Big Bang. Quando o fazemos, obtemos valores de ~67 km/s/Mpc, com uma incerteza alegada de apenas 1 a 2%. Esses números são 9% diferentes um do outro e as incertezas não se sobrepõem.

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))

Desta vez, porém, as coisas são diferentes. Não podemos mais esperar que um grupo esteja certo e o outro errado. Tampouco podemos esperar que a resposta esteja em algum lugar no meio e que ambos os grupos estejam cometendo algum tipo de erro em suas suposições. A razão pela qual não podemos contar com isso é que existem muitas linhas independentes de evidência. Se tentarmos explicar uma medição com um erro, ela irá contradizer outra medição que já foi feita.

A quantidade total de coisas que estão no Universo é o que determina como o Universo se expande ao longo do tempo. A Relatividade Geral de Einstein une o conteúdo de energia do Universo, a taxa de expansão e a curvatura geral. Se o Universo se expandir muito rapidamente, isso implica que há menos matéria e mais energia escura, e isso entrará em conflito com as observações.

Antes do Planck, o melhor ajuste aos dados indicava um parâmetro de Hubble de aproximadamente 71 km/s/Mpc, mas um valor de aproximadamente 69 ou mais agora seria muito grande para a densidade de matéria escura (eixo x) que temos visto por outros meios e o índice espectral escalar (lado direito do eixo y) que precisamos para a estrutura em grande escala do Universo fazer sentido. (P.A.R. ADE ET AL. E A COLABORAÇÃO PLANCK (2015))

Por exemplo, sabemos que a quantidade total de matéria no Universo deve ser cerca de 30% da densidade crítica, como visto na estrutura em grande escala do Universo, aglomeração de galáxias e muitas outras fontes. Também vemos que o índice espectral escalar - um parâmetro que nos diz como a gravitação formará estruturas vinculadas em escalas pequenas versus grandes - deve ser um pouco menor que 1.

Se a taxa de expansão for muito alta, você não apenas obtém um Universo com muito pouca matéria e um índice espectral escalar muito alto para concordar com o Universo que temos, mas também um Universo muito jovem: 12,5 bilhões de anos em vez de 13,8 bilhões anos. Como vivemos em uma galáxia com estrelas que foram identificadas como tendo mais de 13 bilhões de anos, isso criaria um enorme enigma: um que não pode ser reconciliado.

Localizada a cerca de 4.140 anos-luz de distância no halo galáctico, SDSS J102915+172927 é uma estrela antiga que contém apenas 1/20.000 dos elementos pesados que o Sol possui e deve ter mais de 13 bilhões de anos: uma das mais antigas do Universo , e possivelmente tendo se formado antes mesmo da Via Láctea. A existência de estrelas como esta nos informa que o Universo não pode ter propriedades que levem a uma idade mais jovem do que as estrelas dentro dele. (AQUELE, PESQUISA DO CÉU DIGITALIZADO 2)

Mas talvez ninguém esteja errado. Talvez as primeiras relíquias apontem para um verdadeiro conjunto de fatos sobre o Universo:

tem 13,8 bilhões de anos,
ele tem aproximadamente uma proporção de 70%/25%/5% de energia escura para matéria escura para matéria normal,
parece ser consistente com uma taxa de expansão que está na extremidade inferior de 67 km/s/Mpc.

E talvez a escada de distância também aponte para um verdadeiro conjunto de fatos sobre o Universo, onde está se expandindo a uma taxa maior hoje em escalas cosmicamente próximas.

Embora pareça bizarro, ambos os grupos podem estar corretos. A reconciliação pode vir de uma terceira opção que a maioria das pessoas ainda não está disposta a considerar. Em vez de o grupo da escada de distância estar errado ou o grupo das primeiras relíquias estar errado, talvez nossas suposições sobre as leis da física ou a natureza do Universo estejam erradas. Em outras palavras, talvez não estejamos lidando com uma controvérsia; talvez o que estamos vendo seja uma pista de uma nova física.

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. Os primeiros resultados agora mostram um total de quatro sistemas quasares com lentes, fornecendo uma estimativa para a taxa de expansão consistente com o grupo da escada de distância. (NASA HUBBLE SPACE TELESCOPE, TOMMASO TREU/UCLA E BIRRER ET AL)

É possível que as maneiras como medimos a taxa de expansão do Universo estejam realmente revelando algo novo sobre a natureza do próprio Universo. Algo sobre o Universo pode estar mudando com o tempo, o que seria mais uma explicação para o motivo pelo qual essas duas classes diferentes de técnicas poderiam produzir resultados diferentes para a história de expansão do Universo. Algumas opções incluem:

nossa região local do Universo tem propriedades incomuns em comparação com a média (que já está desfavorecido ),
a energia escura está mudando de forma inesperada ao longo do tempo,
a gravidade se comporta de maneira diferente do que antecipamos em escalas cósmicas,
ou há um novo tipo de campo ou força permeando o Universo.

A opção de evoluir a energia escura é de particular interesse e importância, pois é exatamente isso que a futura missão principal da NASA para astrofísica, WFIRST, está sendo explicitamente projetada para medir.

A área de visualização do Hubble (canto superior esquerdo) em comparação com a área que o WFIRST poderá visualizar, na mesma profundidade, no mesmo período de tempo. A visão de campo amplo do WFIRST nos permitirá capturar um número maior de supernovas distantes do que nunca, e nos permitirá realizar levantamentos profundos e amplos de galáxias em escalas cósmicas nunca antes sondadas. Trará uma revolução na ciência, independentemente do que encontrar. (NASA / GODDARD / WFIRST)

Neste momento, dizemos que a energia escura é consistente com uma constante cosmológica. O que isso significa é que, à medida que o Universo se expande, a densidade da energia escura permanece constante, em vez de se tornar menos densa (como a matéria). A energia escura também pode se fortalecer com o tempo, ou pode mudar de comportamento: empurrando o espaço para dentro ou para fora em quantidades diferentes.

Nossas melhores restrições sobre isso hoje, em um mundo pré-WFIRST, mostram que a energia escura é consistente com uma constante cosmológica em torno do nível de 10%. Com o WFIRST, poderemos medir qualquer desvio até o nível de 1%: o suficiente para testar se a evolução da energia escura é a resposta para a controvérsia do Universo em expansão. Até que tenhamos essa resposta, tudo o que podemos fazer é continuar a refinar nossas melhores medidas e examinar o conjunto completo de evidências em busca de pistas sobre qual pode ser a solução.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Se a energia escura mudar ao longo do tempo, poderíamos descobrir não apenas uma possível solução para esse enigma sobre o Universo em expansão, mas uma nova visão revolucionária sobre a natureza da existência . (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Esta não é uma ideia marginal, onde alguns cientistas contrários estão superenfatizando uma pequena diferença nos dados. Se ambos os grupos estiverem corretos – e ninguém pode encontrar uma falha no que qualquer um deles fez – pode ser a primeira pista que temos para dar nosso próximo grande salto na compreensão do Universo. O Prêmio Nobel Adam Riess, talvez a figura mais proeminente atualmente pesquisando a escada da distância cósmica, teve a gentileza de gravar um podcast comigo , discutindo exatamente o que tudo isso pode significar para o futuro da cosmologia.

É possível que em algum lugar ao longo do caminho, tenhamos cometido um erro em algum lugar. É possível que, quando o identificarmos, tudo se encaixe como deveria, e não haverá mais controvérsia ou enigma. Mas também é possível que o erro esteja em nossas suposições sobre a simplicidade do Universo e que essa discrepância abra caminho para uma compreensão mais profunda de nossas verdades cósmicas fundamentais.

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 .