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Poderia um novo tipo de supernova eliminar a energia escura?

Uma supernova revolucionária na galáxia Messier 101, observada em 2011. Crédito da imagem: NASA / Swift.

Eles são considerados velas padrão e os maiores indicadores de distância cósmica. E se eles não forem tão padrão?

Está em todo lugar, realmente. Está entre as galáxias. É nesta sala. Acreditamos que em todos os lugares em que você tem espaço, espaço vazio, você não pode evitar ter um pouco dessa energia escura. – Adam Riess

De vez em quando, surgem algumas descobertas que abalam a Terra e mudam para sempre nossa visão do Universo. No final da década de 1990, observações de supernovas distantes deixaram claro que o Universo não estava apenas se expandindo, mas que galáxias distantes estavam realmente acelerando à medida que se afastavam de nós. Descoberta digna do Prêmio Nobel que nos contou o destino do nosso Universo. Ao medir suas propriedades ópticas e compará-las com supernovas vistas nas proximidades, conseguimos determinar suas distâncias, descobrindo que elas eram mais fracas (e, portanto, mais distantes) em comparação com o que esperávamos. A interpretação foi que isso ocorreu porque o Universo estava acelerando devido a alguma forma de energia escura, mas um estudo de 2015 mostrou outra possibilidade : que essas supernovas pareciam mais fracas porque eram inerentemente diferentes das supernovas que vimos nas proximidades. Essa explicação alternativa poderia eliminar a necessidade de energia escura?

A vizinha galáxia Triangulum, uma das espirais mais próximas de nós no Universo. Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul (ESO).

Isso é potencialmente muito, muito importante para nossa compreensão de tudo o que existe e como nosso Universo terminará. Vamos voltar quase 100 anos para uma lição que devemos aprenderam e, em seguida, apresentem-se hoje para ver o porquê. Em 1923, Edwin Hubble estava olhando para uma classe particular de objetos – as nebulosas espirais obscuras e fracas no céu – estudando novas que ocorrem nelas e tentando aumentar nosso conhecimento sobre o que esses objetos eram. Algumas pessoas afirmaram que eram proto-estrelas dentro da Via Láctea, enquanto outras acreditavam que eram universos insulares , milhões de anos-luz além de nossa própria galáxia, consistindo de bilhões de estrelas cada.

Enquanto observava a grande nebulosa em Andrômeda em 6 de outubro daquele ano, ele viu uma nova explodir, depois uma segunda e depois uma terceira. E então algo inédito aconteceu: uma quarta nova explodiu no mesmo local do primeiro .

A estrela na grande Nebulosa de Andrômeda que mudou nossa visão do Universo para sempre, conforme fotografado primeiro por Edwin Hubble em 1923 e depois pelo Telescópio Espacial Hubble quase 90 anos depois. Crédito da imagem: NASA, ESA e Z. Levay (STScI) (para a ilustração); NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA) (para a imagem).

As novas às vezes se repetem, mas geralmente levam centenas ou milhares de anos para que isso aconteça, pois ocorrem apenas quando combustível suficiente se acumula na superfície de uma estrela colapsada para se inflamar. De todas as novas que já descobrimos, mesmo a mais rápida reposição leva muitos anos para explodir novamente. A ideia de que se repetiria em apenas algumas horas? Absurdo.

Mas lá foi algo que sabíamos que poderia passar de muito brilhante a fraco e brilhante novamente em apenas algumas horas: uma estrela variável! (Por isso, ele substituiu N por nova e escreveu animadamente VAR!)

A Estrela Variável RS Puppis, com seus ecos de luz brilhando através das nuvens interestelares. Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage Team.

O trabalho incrível de Henrietta Leavitt nos ensinou que algumas estrelas no Universo - estrelas variáveis ​​Cefeidas - ficam mais brilhantes e mais escuras com um certo período, e esse período está relacionado à sua brilho intrínseco . Isso é importante, porque significa que, se você medir o período (algo fácil de fazer), saberá o brilho intrínseco da coisa que está medindo. E como você pode medir facilmente o brilho aparente, pode saber imediatamente a que distância esse objeto está, porque a relação brilho/distância é algo que conhecemos há centenas de anos!

A relação brilho/distância remonta pelo menos a Christiaan Huygens no século XVII. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro Além da Galáxia.

Agora, o Hubble usou esse conhecimento de estrelas variáveis ​​e o fato de podermos encontrá-las nessas nebulosas espirais (agora conhecidas como galáxias) para medir suas distâncias de nós. Ele então combinou seu conhecido redshift com essas distâncias para derivar a Lei de Hubble e descobrir a taxa de expansão do Universo.

Notável, certo? Mas, infelizmente, muitas vezes ignoramos algo sobre essa descoberta: as conclusões do Hubble sobre o que essa taxa de expansão realmente era estavam totalmente errados !

O gráfico original das descobertas de Hubble e a primeira demonstração da Lei de Hubble. Crédito da imagem: E. Hubble, 1929.

O problema, você vê, era que as estrelas variáveis ​​Cefeidas que o Hubble mediu nessas galáxias eram intrinsecamente diferente do que as Cefeidas que Henrietta Leavitt mediu. Como se viu, as Cefeidas vêm em duas classes diferentes, algo que Hubble não sabia na época. Embora a Lei de Hubble ainda fosse válida, suas estimativas iniciais para distâncias eram muito baixas e, portanto, suas estimativas para a taxa de expansão do Universo eram muito altas. Com o tempo, acertamos e, embora as conclusões gerais – que o Universo estava se expandindo e que essas nebulosas espirais eram galáxias muito além das nossas – não mudaram, os detalhes de como o Universo estava se expandindo definitivamente mudaram!

Uma supernova extragaláctica, juntamente com a galáxia que a hospeda, de 1994. Crédito da imagem: NASA/ESA, Equipe do Projeto Hubble Key e Equipe de Pesquisa de Supernovas High-Z.

E isso nos traz aos dias atuais, e um problema muito semelhante, desta vez com supernovas. Muito mais brilhantes do que as Cefeidas, as supernovas muitas vezes podem brilhar quase tão intensamente - embora por um período muito curto - quanto toda a galáxia que a hospeda! Em vez de milhões de anos-luz de distância, eles podem ser vistos, nas circunstâncias certas, a mais de dez bilhões anos-luz de distância, permitindo-nos sondar cada vez mais longe no Universo. Além disso, um tipo especial de supernova, supernova tipo Ia, surge de uma reação de fusão descontrolada que ocorre dentro de uma anã branca.

Quando essas reações ocorrem, toda a estrela é destruída, mas, mais importante, a curva de luz da supernova, ou como ela clareia e depois escurece com o tempo, é bem conhecida e tem algumas propriedades universais.

Propriedades da curva de luz universal para supernovas do tipo Ia. Crédito da imagem: S. Blondin e Max Stritzinger.

No final da década de 1990, dados de supernovas suficientes foram coletados em distâncias grandes o suficiente para que duas equipes independentes - a equipe de busca de supernovas High-z e o projeto de cosmologia de supernovas - anunciaram que, com base nesses dados, a expansão do universo estava acelerando e que havia era alguma forma de energia escura dominando o Universo.

É importante ser adequadamente cético em relação a uma descoberta revolucionária como essa. Se descobrisse que havia algo errado com a interpretação desses dados de supernova, todo o conjunto de conclusões alcançadas – que o Universo estava acelerando – teria desaparecido completamente. Havia algumas possibilidades de por que esses dados podem não ser confiáveis:

• Por um lado, havia dois métodos diferentes pelos quais as supernovas poderiam ocorrer: acreção de matéria de uma estrela companheira (L) e de uma fusão com outra anã branca (R). Ambos resultariam no mesmo tipo de supernova?

Duas maneiras diferentes de fazer uma supernova Tipo Ia: o cenário de acreção (L) e o cenário de fusão (R). Estes podem ser fundamentalmente diferentes um do outro. Crédito das imagens: NASA / CXC / M. Weiss.

• Por outro lado, essas supernovas a grandes distâncias podem estar ocorrendo em ambientes muito diferentes dos que vemos hoje por perto. Temos certeza de que as curvas de luz que vemos hoje refletem as curvas de luz a grandes distâncias?
• E para outra ainda, é possível que algo tenha acontecido com essa luz durante suas incríveis viagens de grandes distâncias até nossos olhos. Temos certeza de que não há algum novo tipo de poeira ou alguma outra propriedade de escurecimento da luz (como oscilações de fóton-axion) em ação aqui?

Como se vê, todas essas questões puderam ser resolvidas e descartadas; essas coisas não são problemas. Mas recentemente – e foi isso que o estudo de 2015 concluiu – descobrimos que essas chamadas velas padrão podem não ser tão padrão, afinal. Assim como as Cefeidas vêm em diferentes variedades, essas supernovas do tipo Ia também vêm em diferentes variedades.

Uma supernova Tipo Ia na galáxia vizinha M82. Este é fundamentalmente diferente daquele no topo desta página, observado em 2011 em M101. Crédito da imagem: NASA/Swift/P. Brown, TAM.

Imagine que você tivesse uma caixa de velas que você achava que eram todas idênticas umas às outras: você poderia acendê-las, colocá-las todas a distâncias diferentes e imediatamente, apenas medindo o brilho que você serrar , saiba a que distância eles estão. Essa é a ideia por trás de uma vela padrão em astronomia e por que as supernovas do tipo Ia são tão poderosas.

Mas agora, imagine que essas chamas de velas não são todas com o mesmo brilho! De repente, alguns ficam um pouco mais claros e outros um pouco mais escuros; você tem dois Aulas de velas, e enquanto você pode ter mais das mais brilhantes por perto, você pode ter mais das mais escuras longe.

As velas padrão são ótimas para inferir distâncias com base no brilho medido, mas apenas se você estiver confiante no brilho intrínseco da sua vela. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

Isso é o que achamos que acabamos de descobrir com as supernovas: na verdade, existem duas classes separadas delas, onde uma é um pouco mais brilhante no azul/UV e a outra é um pouco mais brilhante no vermelho/IR, e as curvas de luz que seguem são ligeiramente diferente. este poder significa que, em altos desvios para o vermelho (grandes distâncias), as próprias supernovas são intrinsecamente mais fracas, e não que estejam mais distantes.

Em outras palavras, a inferência que tiramos – que o Universo está acelerando – poder basear-se em uma má interpretação dos dados!

Crédito da imagem: Ned Wright, com base nos dados mais recentes de Betoule et al. (2014), por http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html .

Se tivermos as distâncias erradas para essas supernovas, talvez também tenhamos errado a energia escura! Pelo menos, essa seria a grande preocupação. O menor a preocupação seria que a energia escura ainda seja real, mas pode haver menos do que pensávamos anteriormente.

Então, quais dessas preocupações são válidas? Ao que tudo indica, só o pequeno , e não o grande! Você vê, em 1998, nós só tinha dados de supernova apontando para a energia escura. Mas com o passar do tempo, ganhamos duas outras evidências que forneceram evidências igualmente fortes.

O melhor mapa do CMB e as melhores restrições à energia escura dele. Crédito das imagens: ESA & the Planck Collaboration (topo); P. A. R. Ade et al., 2014, A&A (abaixo).

1.) O Fundo Cósmico de Microondas . As flutuações no brilho remanescente do Big Bang – conforme medido pelo WMAP e, posteriormente, para maior precisão, Planck – indicaram fortemente que o Universo era cerca de 5% de matéria normal, 27% de matéria escura e cerca de 68% de energia escura. Embora o fundo de micro-ondas não faça um ótimo trabalho por si só em dizer quais são as propriedades dessa energia escura, ele diz que você tem cerca de 2/3 da energia do Universo em uma forma que não é grumosa e massiva. .

Por um tempo, isso foi realmente um problema ainda maior, já que as supernovas sozinhas indicavam que cerca de 3/4 da energia do Universo era energia escura. É possível que essas novas revelações sobre supernovas, que existem dois tipos de supernovas do Tipo Ia com diferentes curvas de luz intrínsecas, possam ajudar a alinhar os dados melhorar .

Uma ilustração de padrões de agrupamento devido a oscilações acústicas de Baryon. Crédito da imagem: Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory.

2.) A forma como as galáxias se aglomeram . No início do Universo, a matéria escura e a matéria normal – e como elas interagem e não interagem com a radiação – governam como as galáxias acabam agrupadas no Universo hoje. Se você vir uma galáxia em qualquer lugar do Universo, há essa propriedade estranha de que é mais provável que você tenha outra galáxia a cerca de 500 milhões de anos-luz de distância do que a 400 ou 600 milhões de anos-luz de distância. Isso se deve a um fenômeno conhecido como Baryon Acoustic Oscillations (BAO), e é porque a matéria normal é expulsa pela radiação, enquanto a matéria escura não.

A coisa é, o Universo está se expandindo devido a tudo nele em todos os momentos, Incluindo energia escura. Então, à medida que o Universo se expande, essa escala preferida de 500 milhões de anos-luz muda. Em vez de uma vela padrão, BAO nos permite ter uma régua padrão, que também podemos usar para medir a energia escura.

Velas padrão e réguas padrão são duas maneiras complementares de medir distâncias no Universo. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

Embora esse não fosse o caso no final da década de 1990, já que pesquisas como a 2dF GRS não estavam completas e o SDSS ainda não havia começado, as medições atuais do BAO são tão boas no momento quanto as medições de supernovas. O que é ainda mais convincente é o fato de que eles parecem dar os mesmos resultados: um Universo com cerca de 70% de energia escura e consistente com uma constante cosmológica e não paredes de domínio, cordas cósmicas ou muitos outros tipos exóticos.

De fato, se combinarmos todos os três conjuntos de dados, descobriremos que todos apontam aproximadamente em direção à mesma imagem.

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, CMB e BAO. Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura. Crédito da imagem: Supernova Cosmology Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010).

O que aprendemos com isso é que a quantidade de energia escura e a tipo da energia escura que inferimos das supernovas pode mudar ligeiramente e de maneira sutil, e isso pode realmente ser bom para alinhar melhor os três métodos - supernovas, CMB e BAO. Este é um daqueles grandes momentos da ciência em que uma suposição incorreta não nos leva a descartar todos os nossos resultados e conclusões, mas sim nos ajuda a entender com mais precisão um fenômeno que nos intrigou desde que o descobrimos. A energia escura é real e, graças a essa nova descoberta, podemos entendê-la – e seus efeitos no Universo – melhor do que nunca.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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