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O universo em expansão pode não depender de como você o mede, mas quando

O Universo em expansão, repleto de galáxias e a estrutura complexa que observamos hoje, surgiu de um estado… [+] menor, mais quente, mais denso, 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. 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))

Tem sido chamado de o maior enigma em toda a cosmologia, e medições recentes apenas aumentam a confusão.

Um dos fatos mais intrigantes sobre o Universo é que diferentes maneiras de medir a rapidez com que ele se expande produzem resultados diferentes. Não é que existam duas formas de medir e elas não concordem; é que talvez haja uma dúzia de maneiras diferentes de medi-lo, e eles produzem dois conjuntos diferentes de resultados . Ambos requerem um Universo cheio de matéria normal, matéria escura e energia escura, mas seus valores preferidos diferem em cerca de 9%: muito maiores do que as incertezas envolvidas.

Não foram identificadas fontes de erro que pudessem explicar a discrepância, existindo várias linhas de evidência independentes para ambos os conjuntos de resultados. Recentemente, no entanto, um novo teste muito inteligente da taxa de expansão do Universo foi concebido e aproveitado, e parece oferecer uma pista como nenhuma antes: o mesmo teste favorece valores diferentes em horários tardios versus horários iniciais . Talvez a expansão do Universo dependa de quando, e não de como, você o mede.

Um gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) é consistente com um Universo que se expandiu mais rápido no passado, mas onde galáxias distantes estão acelerando em sua recessão hoje. Esta é uma versão moderna, estendendo-se milhares de vezes além do trabalho original do Hubble. Observe o fato de que os pontos não formam uma linha reta, indicando a variação da taxa de expansão ao longo do tempo. O fato de o Universo seguir a curva que faz é indicativo da presença e dominância tardia da energia escura. (NED WRIGHT, COM BASE NOS DADOS MAIS RECENTES DE BETOULE ET AL. (2014))

Cerca de uma década atrás, havia três conjuntos independentes de medições que revelavam as propriedades do Universo de maneira abrangente, complementar, mas independente:

1. as flutuações no fundo cósmico de microondas,
2. o agrupamento de galáxias, aglomerados de galáxias e outras características da estrutura em grande escala do Universo,
3. e medições diretas de distâncias e desvios para o vermelho de objetos individuais, de estrelas individuais próximas a supernovas distantes em todo o Universo.

Todos eles tinham incertezas em suas medições, mas todos eram consistentes entre si, produzindo um Universo de cerca de 5% de matéria normal, 25% de matéria escura, 70% de energia escura e uma taxa de expansão que, hoje, era de cerca de 71 km/ s/Mpc.

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, CMB e BAO (que são uma característica da estrutura em grande escala do Universo. Observe que mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura, e que apenas 1/6 da matéria encontrado pode ser matéria normal; o resto deve ser matéria escura. Este gráfico, de 2010, ofereceu alguma margem de manobra sobre qual poderia ser a taxa de expansão e a densidade dos vários componentes. (SUPERNOVA COSMOLOGY PROJECT, AMANULLAH, ET AL. , AP.J. (2010))

Variações nesses valores foram permitidas, e havia um pouco de espaço de manobra com os vários parâmetros, consistente entre todas as observações. Mas à medida que a ciência dessas várias técnicas se tornou melhor compreendida e os dados foram aprimorados com observações cada vez mais precisas e conjuntos de dados maiores, alguns quebra-cabeças começaram a surgir.

Por um lado, os resultados cósmicos de fundo em micro-ondas tornaram-se muito mais precisos à medida que os resultados finais do satélite Planck surgiram. Os padrões de flutuações, correspondentes a:

• as flutuações iniciais de sementes derrubadas pela inflação cósmica,
• sua evolução através das forças combinadas da gravitação e da interação da matéria normal com a radiação,
• e a velocidade de propagação de sinais no universo denso e primitivo,

produziu uma imagem coerente por si só que preferia um valor mais baixo da taxa de expansão atual: 67 km/s/Mpc.

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. (ESA & THE PLANCK COLABORATION (TOP); P. A. R. ADE ET AL., 2014, A&A (BAIXO))

O colapso gravitacional só pode ocorrer em escalas onde os sinais de diferentes partes do Universo tiveram tempo, desde o Big Bang, para sentir os efeitos uns dos outros. Assim como a luz só pode viajar pelo Universo a uma velocidade finita (a velocidade da luz), a gravidade também é limitada por seu próprio limite de velocidade cósmica: a velocidade da gravidade, que demonstrou ser igual à velocidade da luz.

A escala em que essas flutuações parecem maiores em magnitude corresponde à maior escala em que esse colapso da matéria ocorreu, no momento da emissão da radiação cósmica de fundo, antes de ser refletida pela radiação no Universo. Em uma escala angular de apenas um pouco menos de 1°, isso corresponde a uma escala física específica na qual é mais provável que encontremos uma galáxia a uma determinada distância de outra galáxia, em oposição a um pouco mais perto ou mais longe. Chamamos isso de escala acústica, e hoje corresponde a uma distância de aproximadamente 500 milhões de anos-luz.

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 estão de acordo com os dados da CMB, e um Universo composto por 27% de matéria escura, em oposição a 5% de matéria normal, com uma taxa de expansão de cerca de 67 km/s/Mpc. (ZÓSIA ROSTOMIA)

Esta segunda peça do quebra-cabeça, então, é a ligação entre o sinal inicial da escala acústica impressa no fundo cósmico de micro-ondas e o sinal posterior do agrupamento de galáxias. Esses recursos de estrutura em grande escala, quando você reúne todos os dados, também mostraram uma concordância com as medições do fundo cósmico de micro-ondas, favorecendo uma taxa de expansão de 67–68 km/s/Mpc.

Mas a terceira peça do quebra-cabeça, que envolve as medições diretas de distâncias e desvios para o vermelho de objetos individuais, tornou-se tremendamente mais precisa na última década. O método tradicional usa o que é conhecido como escada de distância cósmica, de onde vêm as melhores medidas:

• as paralaxes são medidas para obter a distância de estrelas individuais,
• estrelas individuais são medidas em galáxias próximas que também abrigam supernovas do tipo Ia,
• e as supernovas do tipo Ia são então medidas em todo o Universo,

produzem um valor muito mais alto: 73–74 km/s/Mpc, com apenas 2% de incerteza.

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))

Ao longo dos últimos anos, um grande número de outras linhas de evidência surgiram usando diferentes métodos que medem as distâncias e os desvios para o vermelho de objetos individuais. Diferentes indicadores de distância incluem:

• usando flutuações de brilho de superfície de galáxias distantes em vez de supernovas do tipo Ia,
• usando estrelas na ponta do ramo gigante vermelho em vez de variáveis ​​Cefeidas,
• usando lentes gravitacionais de quasares como um método completamente independente,
• ou usando medições geométricas de distância para galáxias que hospedam fenômenos astronômicos conhecidos como megamasers .

Notavelmente, cada um parece concordar com as medidas da escada de distância, produzindo valores entre 72–76 km/s/Mpc, sem nenhum conjunto de medições preferindo o valor mais baixo de 67 km/s/Mpc.

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. (L. VERDE, T. TREU E A. G. RIESS (2019), ARXIV: 1907.10625)

O que é notável sobre essa discrepância é que os tipos de medições que levam a um valor mais baixo estão ancorados nos primeiros estágios do Universo, com base na interação física da matéria escura, matéria normal e radiação nos primeiros 100.000 anos desde o Big Bang, enquanto os que levam a um valor mais alto são baseados em medições diretas de nossa perspectiva para objetos distantes. Enquanto muitos cenários têm sido propostos para explicar isso , não houve uma sondagem direta de como a taxa de expansão difere entre as medições iniciais e tardias.

Mas em 29 de janeiro de 2020, um novo jornal foi lançado que usaram explicitamente uma das técnicas iniciais - a da estrutura em grande escala do Universo - e se restringiram apenas às medições tardias, sem uma âncora inicial do Universo. O que eles descobriram foi fascinante: a taxa de expansão foi medida em 72,3±1,9 km/s/Mpc, consistente com outras medições tardias.

Entre os grandes aglomerados e filamentos do Universo existem grandes vazios cósmicos, alguns dos quais podem abranger centenas de milhões de anos-luz de diâmetro. Quando galáxias, quasares e vazios estão correlacionados, isso pode ajudar a melhorar a tensão entre várias técnicas de medição que fornecem informações sobre o Universo em expansão. (ANDREW Z. COLVIN (COLHEADO POR ZERYPHEX) / WIKIMEDIA COMMONS)

A maior conquista do novo artigo é levar em consideração o efeito dos vazios cósmicos: as vastas e amplamente vazias regiões do espaço que existem entre os fios da teia cósmica que traçam a estrutura em grande escala do nosso Universo. Por si só, com essa nova técnica, a estrutura em grande escala do Universo fornece evidências esmagadoras de energia escura – com mais de 10 sigma de significância, uma margem maior do que até mesmo supernovas – completamente independente do fundo cósmico de micro-ondas.

O mais notável, no entanto, é que as galáxias e quasares que se aglomeram no Universo próximo e tardio, sem outras medidas ou suposições, preferem uma taxa de expansão de 73,7 km/s/Mpc, embora com cerca de 4-5 % de incerteza. Adicionando as medições de vazios reduz o valor ligeiramente, mas reduz bastante a incerteza: para 72,3 km/s/Mpc, com uma incerteza de 2,6%.

Quando apenas galáxias e quasares do universo próximo são considerados, obtém-se o círculo verde, favorecendo um valor próximo a 74 km/s/Mpc para a taxa de expansão. Quando os vazios são incluídos, esse valor cai para 72 (laranja), mas quando todas as galáxias, quasares e vazios são considerados, incluindo os do Universo primitivo (azul), o valor cai para 69 km/s/Mpc, um valor que fica entre os dois resultados de melhor ajuste atuais e mutuamente inconsistentes. (S. NADATHUR ET AL. (2020), ARXIV: 2001.11044)

No entanto, adicionar galáxias e quasares que se aglomeram no Universo ultra-distante e primitivo arrasta o valor de volta para baixo: para 69,0 km/s/Mpc, com uma incerteza de ~ 1,7%, o que é interessante por duas razões.

1. Isso mostra que a fatoração nas medições de vazios cósmicos é extremamente importante na reconstrução da taxa de expansão do Universo, pois as medições de estrutura em larga escala sem esses vazios deram 67,6 km/s/Mpc, em oposição à nova análise que inclui os vazios e é ~2,1% maior.
2. Isso mostra que, se você medir a taxa de expansão do Universo relativamente próximo exclusivamente, obterá uma taxa de expansão sistematicamente mais alta em vez de usar o conjunto completo de dados, mesmo usando a mesma técnica.

Apesar o mesmo papel não encontra evidências de que a energia escura evolua com o tempo, é outra pista fascinante nesta saga cósmica em andamento.

As restrições à evolução da energia escura ao longo do tempo, como mostrado aqui, melhoram drasticamente com a inclusão de vazios cósmicos (laranja) em análises anteriores que não os incluem (azul). Observe que a ideia de que a energia escura é uma constante cosmológica imutável, que corresponde a um valor do eixo y de 0 e um valor do eixo x de -1, é totalmente consistente com os dados. (S. NADATHUR ET AL. (2020), ARXIV: 2001.11044)

É definitivamente o caso de diferentes métodos de medição do Universo em expansão fornecerem valores diferentes, mas esta é a primeira vez que o mesmo método produziu dois resultados diferentes, dependendo de você observar o conjunto de dados completo ou apenas as medições tardias. A taxa de expansão do Universo tem sido uma das questões mais controversas em toda a ciência moderna – o telescópio espacial Hubble foi até nomeado por seu principal objetivo científico de medir essa taxa, também conhecida como constante de Hubble – e este novo resultado fornece uma pista principal.

Poderia fatorar o efeito dos vazios cósmicos em todas as medições explicar a discrepância total? Estaríamos vendo evidências de que algo, mesmo que não seja energia escura, está evoluindo no Universo de maneira inesperada? Ou, muito possivelmente, isso poderia ser uma sugestão de que são os dados cósmicos de fundo de microondas que estão de alguma forma errados, afinal? Uma coisa é clara: mais e melhores dados, que devem estar a caminho com Euclides, LSST e WFIRST, nos ajudarão a decidir.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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