• Começa Com Um Estrondo

O maior enigma da cosmologia é oficial, e ninguém sabe como o Universo se expandiu

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que cada fóton perde energia à medida que viaja pelo Universo em expansão, e essa energia vai a qualquer lugar; energia simplesmente não é conservada em um Universo que é diferente de um momento para o outro. (Crédito: Rob Knop)

• Existem duas maneiras fundamentalmente diferentes de medir o Universo em expansão: uma 'escada de distância' e um método de 'relíquia primitiva'.
• O método de relíquia inicial prefere uma taxa de expansão de ~67 km/s/Mpc, enquanto a escada de distância prefere um valor de ~73 km/s/Mpc - uma discrepância de 9%.
• Devido aos esforços hercúleos das equipes de escada de distância, suas incertezas agora são tão baixas que há uma discrepância de 5 sigma entre os valores. Se a discrepância não for devido a um erro, pode haver uma nova descoberta.

Será que realmente entendemos o que está acontecendo no Universo? Se o fizéssemos, então o método que usamos para medi-lo não importaria, porque obteríamos resultados idênticos, independentemente de como os obtivéssemos. Se usarmos dois métodos diferentes para medir a mesma coisa, no entanto, e obtivermos dois resultados diferentes, você esperaria que uma das três coisas estivesse acontecendo:

1. Talvez tenhamos cometido um erro, ou uma série de erros, ao usar um dos métodos e, portanto, nos deu um resultado errôneo. A outra, portanto, está correta.
2. Talvez tenhamos cometido um erro no trabalho teórico que fundamenta um ou mais dos métodos e que, embora a totalidade dos dados seja sólida, estamos chegando a conclusões erradas porque calculamos algo incorretamente.
3. Talvez ninguém tenha cometido um erro, e todos os cálculos foram feitos corretamente, e a razão pela qual não estamos obtendo a mesma resposta é porque fizemos uma suposição incorreta sobre o Universo: que obtivemos as leis da física corretas , por exemplo.

Claro, anomalias aparecem o tempo todo. É por isso que exigimos medições múltiplas e independentes, diferentes linhas de evidência que apoiam a mesma conclusão e incrível robustez estatística, antes de saltar a arma. Na física, essa robustez precisa atingir um significado de 5-σ, ou menos de uma chance em um milhão de ser um acaso.

Bem, quando se trata do Universo em expansão, acabamos de cruzar esse limite crítico , e uma controvérsia de longa data agora nos obriga a contar com este fato desconfortável: diferentes métodos de medição do Universo em expansão levam a resultados diferentes e incompatíveis. Em algum lugar no cosmos, a solução para esse mistério aguarda.

Qualquer que seja a taxa de expansão hoje, combinada com quaisquer formas de matéria e energia existentes em seu universo, determinará como o desvio para o vermelho e a distância estão relacionados para objetos extragalácticos em nosso universo. ( Crédito : Ned Wright/Betoule et al. (2014))

Se você quiser medir a rapidez com que o Universo está se expandindo, existem duas maneiras básicas de fazer isso. Ambos contam com a mesma relação subjacente: se você sabe o que está realmente presente no Universo em termos de matéria e energia, e pode medir a rapidez com que o Universo está se expandindo a qualquer momento, você pode calcular qual era a taxa de expansão do Universo. ou será em qualquer outro momento. A física por trás disso é sólida como uma rocha, tendo sido trabalhada no contexto da relatividade geral em 1922 por Alexander Friedmann. Quase um século depois, é uma pedra angular da cosmologia moderna que as duas equações que governam o Universo em expansão são simplesmente conhecidas como equações de Friedmann, e ele é o primeiro nome na métrica Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW): o espaço-tempo que descreve nosso Universo em expansão.

Com isso em mente, os dois métodos de medição do Universo em expansão são:

• O método da relíquia primitiva — Você pega algum sinal cósmico que foi criado muito cedo, você o observa hoje e, com base em como o Universo se expandiu cumulativamente (através de seu efeito na luz que viaja através do Universo em expansão), você infere o que o Universo é feito.
• O método da escada de distância – Você tenta medir as distâncias dos objetos diretamente junto com os efeitos que o Universo em expansão teve na luz emitida e inferir a rapidez com que o Universo se expandiu a partir disso.

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. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)

Nenhum deles é realmente um método em si, mas cada um descreve um conjunto de métodos: uma abordagem de como você pode determinar a taxa de expansão do Universo. Cada um deles tem vários métodos dentro dele. O que eu chamo de método de relíquia inicial inclui o uso da luz do fundo cósmico de micro-ondas, alavancando o crescimento da estrutura em grande escala no Universo (inclusive através da impressão de oscilações acústicas bariônicas) e através da abundância de elementos de luz que sobraram de a grande explosão.

Basicamente, você pega algo que ocorreu no início da história do Universo, onde a física é bem conhecida, e mede os sinais onde essa informação está codificada no presente. Desses conjuntos de métodos, inferimos uma taxa de expansão, hoje, de ~67 km/s/Mpc, com incerteza de cerca de 0,7%.

Enquanto isso, temos um número enorme de diferentes classes de objetos para medir, determinar a distância e inferir a taxa de expansão usando o segundo conjunto de métodos: a escada de distância cósmica.

A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada degrau traz consigo suas próprias incertezas, especialmente os degraus onde os diferentes degraus da escada se conectam. No entanto, melhorias recentes na escada de distância demonstraram o quão robustos são seus resultados. ( Crédito : NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (JHU))

Para os objetos mais próximos, podemos medir estrelas individuais, como Cefeidas, estrelas RR Lyrae, estrelas na ponta do ramo gigante vermelho, binários eclipsantes destacados ou masers. Em distâncias maiores, olhamos para objetos que têm uma dessas classes de objetos e também têm um sinal mais brilhante, como flutuações de brilho na superfície, a relação Tully-Fisher ou uma supernova do tipo Ia, e depois vamos ainda mais longe para medir esse brilho mais sinal para grandes distâncias cósmicas. Ao juntá-los, podemos reconstruir a história de expansão do Universo.

E, no entanto, esse segundo conjunto de métodos produz um conjunto de valores consistente, mas muito, muito diferente do primeiro. Em vez de ~67 km/s/Mpc, com uma incerteza de 0,7%, ele tem consistentemente produzido valores entre 72 e 74 km/s/Mpc. Esses valores datam de 2001 quando os resultados do projeto chave do Telescópio Espacial Hubble foram publicados. O valor inicial, ~72 km/s/Mpc, tinha uma incerteza de cerca de 10% quando foi publicado pela primeira vez, e isso foi uma revolução para a cosmologia. Os valores anteriormente variavam de cerca de 50 km/s/Mpc a 100 km/s/Mpc, e o Telescópio Espacial Hubble foi projetado especificamente para resolver essa controvérsia; a razão pela qual foi nomeado o telescópio espacial Hubble é porque seu objetivo era medir a constante de Hubble, ou a taxa de expansão do Universo.

O melhor mapa do CMB e as melhores restrições à energia escura e o parâmetro Hubble dele. Chegamos a um Universo que é 68% de energia escura, 27% de matéria escura e apenas 5% de matéria normal desta e de outras linhas de evidência, com uma taxa de expansão de 67 km/s/Mpc. Não há espaço de manobra que permita que esse valor suba para ~73 e ainda seja consistente com os dados. (Crédito: ESA & The Planck Collaboration: P.A.R. Ade et al., A&A, 2014)

Quando o satélite Planck terminou de retornar todos os seus dados, muitos assumiram que ele teria a palavra final sobre o assunto. Com nove bandas de frequência diferentes, cobertura de todo o céu, capacidade de medir a polarização, bem como a luz e resolução sem precedentes até ~0,05°, forneceria as restrições mais rígidas de todos os tempos. O valor fornecido, de ~67 km/s/Mpc, tem sido o padrão-ouro desde então. Em particular, mesmo apesar das incertezas, havia tão pouca margem de manobra que a maioria das pessoas presumia que as equipes da escada de distância descobririam erros anteriormente desconhecidos ou mudanças sistemáticas, e que os dois conjuntos de métodos algum dia se alinhariam.

Mas é por isso que fazemos a ciência, em vez de simplesmente presumir que sabemos qual deve ser a resposta com antecedência. Nos últimos 20 anos, vários novos métodos foram desenvolvidos para medir a taxa de expansão do Universo, incluindo métodos que nos levam além da escada de distância tradicional: sirenes padrão de estrelas de nêutrons em fusão e atrasos fortes de lentes de supernovas com lentes que nos dão a mesma explosão cósmica em repetição. À medida que estudamos os vários objetos que usamos para fazer a escada de distância, conseguimos, lenta mas firmemente, reduzir as incertezas, ao mesmo tempo em que construímos amostras estatísticas maiores.

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. ( Crédito : A.G. Riess, Nat Rev Phys, 2020)

À medida que os erros diminuíam, os valores centrais se recusavam obstinadamente a mudar. Eles permaneceram entre 72 e 74 km/s/Mpc por toda parte. A ideia de que os dois métodos um dia se reconciliariam parecia cada vez mais distante, à medida que método após método continuava a revelar a mesma incompatibilidade. Enquanto os teóricos estavam mais do que felizes em encontrar soluções potencialmente exóticas para o quebra-cabeça, uma boa solução tornou-se cada vez mais difícil de encontrar. Ou algumas suposições fundamentais sobre nossa imagem cosmológica estavam incorretas, vivíamos em uma região do espaço incrivelmente improvável e subdensa, ou uma série de erros sistemáticos – nenhum deles grande o suficiente para explicar a discrepância por conta própria – estavam todos conspirando para mudar o conjunto de métodos de escada de distância para valores mais altos.

Alguns anos atrás, eu também fui um dos cosmólogos que presumiu que a resposta estaria em algum lugar em um erro ainda não identificado. Presumi que as medições do Planck, reforçadas pelos dados da estrutura em grande escala, eram tão boas que todo o resto deveria se encaixar para pintar um quadro cósmico consistente.

Com os resultados mais recentes, no entanto, esse não é mais o caso. Uma combinação de muitos caminhos de pesquisa recente reduziu drasticamente as incertezas em várias medições de escada de distância.

Usar a escada de distância cósmica significa costurar diferentes escalas cósmicas, onde sempre se preocupa com as incertezas onde os diferentes degraus da escada se conectam. Como mostrado aqui, agora estamos reduzidos a apenas três degraus dessa escada, e o conjunto completo de medidas concorda uma com a outra espetacularmente. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

Isso inclui pesquisas como:

• melhorando uma calibração para a Grande Nuvem de Magalhães , a galáxia satélite mais próxima da Via Láctea
• para grande aumento no número total de supernovas do tipo Ia : para mais de 1700, atualmente
• melhoria em as calibrações de curvas de luz de supernova
• representando os efeitos de velocidades peculiares , que se sobrepõem à expansão geral do Universo
• melhorias em os redshifts medidos/inferidos das supernovas usadas na análise cósmica
• melhorias em modelagem de poeira/cor e outros aspectos de pesquisas de supernovas

Sempre que houver uma cadeia de eventos em seu pipeline de dados, faz sentido procurar o elo mais fraco. Mas com o estado atual das coisas, mesmo os elos mais fracos na escala de distância cósmica são agora incrivelmente fortes.

Foi há pouco menos de três anos que Achei que tinha identificado um elo particularmente fraco : havia apenas 19 galáxias que conhecíamos que possuíam medições de distância robustas, através da identificação de estrelas individuais que residiam dentro delas, e que também continham supernovas do tipo Ia. Se mesmo uma dessas galáxias tivesse sua distância medida incorretamente por um fator de 2, ela poderia ter deslocado toda a estimativa da taxa de expansão em algo como 5%. Como a discrepância entre os dois conjuntos diferentes de medidas era de cerca de 9%, parecia que esse seria um ponto crítico a ser observado e poderia ter levado a uma resolução completa da tensão.

Em 2019, havia apenas 19 galáxias publicadas que continham distâncias medidas por estrelas variáveis ​​Cefeidas que também foram observadas com supernovas do tipo Ia ocorrendo nelas. Agora temos medições de distância de estrelas individuais em galáxias que também hospedavam pelo menos uma supernova do tipo Ia em 42 galáxias, 35 das quais com excelentes imagens do Hubble. Essas 35 galáxias são mostradas aqui. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

No que é certo ser um documento de referência após sua publicação no início de 2022 , agora sabemos que não pode ser a causa dos dois métodos diferentes produzirem resultados tão diferentes. Em um tremendo salto, agora temos supernovas do tipo Ia em 42 galáxias próximas, todas com distâncias determinadas com extrema precisão devido a uma variedade de técnicas de medição. Com mais que o dobro do número anterior de hospedeiros de supernovas próximos, podemos concluir com segurança que essa não era a fonte de erro que esperávamos. De fato, 35 dessas galáxias têm belas imagens do Hubble delas disponíveis, e a margem de manobra desse degrau da escada de distância cósmica leva a uma incerteza de menos de 1 km/s/Mpc.

Na verdade, esse é o caso de todas as possíveis fontes de erro que conseguimos identificar. Considerando que havia nove fontes separadas de incerteza que poderiam ter deslocado o valor da taxa de expansão hoje em 1% ou mais em 2001, não há nenhuma hoje. A maior fonte de erro só poderia alterar o valor médio em menos de um por cento, e essa conquista se deve em grande parte ao grande aumento no número de calibradores de supernovas. Mesmo se combinarmos todas as fontes de erro, conforme indicado pela linha tracejada horizontal na figura abaixo, você pode ver que não há como atingir, ou mesmo aproximar, essa discrepância de 9% que existe entre o método da relíquia inicial e o método da escada de distância.

Em 2001, havia muitas fontes diferentes de erro que poderiam ter influenciado as melhores medições da escada de distância da constante de Hubble e a expansão do Universo para valores substancialmente mais altos ou mais baixos. Graças ao trabalho meticuloso e cuidadoso de muitos, isso não é mais possível. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

A razão pela qual usamos 5-σ como o padrão-ouro em física e astronomia é que um σ é uma abreviação de desvio padrão, onde quantificamos o quão provável ou improvável temos o valor verdadeiro de uma quantidade medida dentro de um certo intervalo de o valor medido.

• Você tem 68% de probabilidade de que o valor real esteja dentro de 1-σ do seu valor medido.
• Você tem 95% de probabilidade de que o valor verdadeiro esteja dentro de 2-σ do valor medido.
• 3-σ dá 99,7% de confiança.
• 4-σ dá 99,99% de confiança.

Mas se você chegar a 5-σ, há apenas uma chance de 1 em 3,5 milhões de que o valor verdadeiro esteja fora dos valores medidos. Somente se você puder cruzar esse limite, teremos feito uma descoberta. Esperamos até que 5-σ fosse alcançado até anunciarmos a descoberta do bóson de Higgs; muitas outras anomalias físicas apareceram com, digamos, uma significância de 3-σ, mas elas serão obrigadas a cruzar esse limiar padrão-ouro de 5-σ antes de nos levar a reavaliar nossas teorias do Universo.

No entanto, com a última publicação, o limite de 5-σ para este último enigma cósmico sobre o Universo em expansão foi ultrapassado. Agora é hora, se você ainda não o fez, de levar a sério esse descompasso cósmico.

A discrepância entre os valores iniciais da relíquia, em azul, e os valores da escada de distância, em verde, para a expansão do Universo atingiram agora o padrão de 5 sigma. Se os dois valores tiverem essa incompatibilidade robusta, devemos concluir que a resolução está em algum tipo de nova física, não em um erro nos dados. ( Crédito : A. G. Riess et al., ApJ, 2022)

Estudamos o Universo minuciosamente o suficiente para podermos tirar um conjunto de conclusões notáveis ​​sobre o que não pode estar causando essa discrepância entre os dois conjuntos diferentes de métodos. Não é devido a um erro de calibração; não se deve a nenhum degrau específico na escada de distância cósmica; não é porque há algo errado com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas; não é porque não entendemos a relação período-luminosidade; não é porque as supernovas evoluem ou seus ambientes evoluem; não é porque vivemos em uma região subdensa do Universo (que foi quantificada e não pode); e não é porque uma conspiração de erros está influenciando nossos resultados em uma direção específica.

Podemos estar bastante confiantes de que esses diferentes conjuntos de métodos realmente produzem valores diferentes para a rapidez com que o Universo está se expandindo e que não há uma falha em nenhum deles que possa explicar isso facilmente. Isso nos força a considerar o que antes pensávamos impensável: talvez todos estejam corretos, e há alguma nova física em jogo que está causando o que estamos observando como uma discrepância. É importante ressaltar que, devido à qualidade das observações que temos hoje, essa nova física parece ter ocorrido durante os primeiros ~400.000 anos do Big Bang quente e poderia ter tomado a forma de um tipo de transição de energia para outro. Quando você ouve o termo energia escura precoce, que sem dúvida ouvirá nos próximos anos, esse é o problema que está tentando resolver.

Como sempre, a melhor coisa que podemos fazer é obter mais dados. Com a astronomia de ondas gravitacionais apenas começando, mais sirenes padrão são esperadas no futuro. À medida que James Webb decola e telescópios de classe de 30 metros ficam online, bem como o observatório Vera Rubin, pesquisas de lentes fortes e medições de estrutura em larga escala devem melhorar drasticamente. Uma resolução para esse enigma atual é muito mais provável com dados aprimorados, e é exatamente isso que estamos tentando descobrir. Nunca subestime o poder de uma medição de qualidade. Mesmo que você pense que sabe o que o Universo vai lhe trazer, você nunca saberá com certeza até descobrir a verdade científica por si mesmo.

Compartilhar: