Não, o universo não pode ser um bilhão de anos mais jovem do que pensamos
Esta é uma imagem Digitized Sky Survey da estrela mais antiga com uma idade bem determinada em nossa galáxia. A estrela envelhecida, catalogada como HD 140283, fica a mais de 190 anos-luz de distância. O Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi usado para diminuir a incerteza de medição da distância da estrela, e isso ajudou a refinar o cálculo de uma idade mais precisa de 14,5 bilhões de anos (mais ou menos 800 milhões de anos). Isso pode ser reconciliado com um Universo que tem 13,8 bilhões de anos (dentro das incertezas), mas não com um que tem apenas 12,5 bilhões de anos. (DIGITIZED SKY SURVEY (DSS), STSCI/AURA, PALOMAR/CALTECH E UKSTU/AAO)
Há realmente um enigma cósmico sobre a rapidez com que o Universo está se expandindo. Mudar sua idade não vai ajudar.
Uma das descobertas mais surpreendentes e interessantes do século 21 é o fato de que diferentes métodos de medição da taxa de expansão do Universo geram respostas diferentes e inconsistentes. Se você medir a taxa de expansão do Universo observando os primeiros sinais – flutuações iniciais de densidade no Universo que foram impressas desde os estágios iniciais do Big Bang – você descobrirá que o Universo se expande a uma taxa específica: 67 km/s/ Mpc, com uma incerteza de cerca de 1%.
Por outro lado, se você medir a taxa de expansão usando a escada de distância cósmica – observando objetos astronômicos e mapeando seus desvios para o vermelho e distâncias – você obterá uma resposta diferente: 73 km/s/Mpc, com uma incerteza de cerca de 2%. este realmente é um enigma cósmico fascinante , mas apesar das alegações de uma equipe em contrário , você não pode corrigi-lo tornando o Universo um bilhão de anos mais jovem. Aqui está o porquê.
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))
À primeira vista, você pode pensar que a taxa de expansão do Universo tem tudo a ver com a idade do Universo. Afinal, se voltarmos ao momento do Big Bang quente e soubermos que o Universo estava se expandindo extremamente rapidamente a partir desse estado quente e denso, sabemos que deve ter esfriado e desacelerado à medida que se expandia. A quantidade de tempo que se passou desde o Big Bang, juntamente com os ingredientes (como radiação, matéria normal, matéria escura e energia escura) de que é feito, determinam o quão rápido o Universo deve estar se expandindo hoje.
Se ele se expandir 9% mais rápido do que suspeitávamos anteriormente, talvez o Universo seja 9% mais jovem do que esperávamos. Este é o raciocínio ingênuo (e incorreto) aplicado ao problema, mas o Universo não é tão simples assim.
Três tipos diferentes de medições, estrelas e galáxias distantes, a estrutura em grande escala do Universo e as flutuações na CMB, permitem-nos reconstruir a história de expansão do nosso Universo. O fato de diferentes métodos de medição apontarem para diferentes histórias de expansão pode apontar o caminho para uma nova descoberta na física, ou uma maior compreensão do que compõe nosso Universo. (ESA/HUBBLE E NASA, SLOAN DIGITAL SKY SURVEY, ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK)
A razão pela qual você não pode simplesmente fazer isso é que existem três evidências independentes que precisam se encaixar para explicar o Universo.
- Você deve considerar os primeiros dados de relíquia, de características (conhecidas como oscilações acústicas bariônicas, que representam interações entre matéria normal e radiação) que aparecem na estrutura em grande escala do Universo e as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas.
- Você deve considerar os dados da escada de distância, que usa os brilhos aparentes e os desvios para o vermelho medidos de objetos para reconstruir tanto a taxa de expansão quanto a mudança na taxa de expansão ao longo do tempo ao longo de nossa história cósmica.
- E, finalmente, você deve considerar as estrelas e aglomerados estelares que conhecemos em nossa galáxia e além, que podem ter as idades de suas estrelas determinadas independentemente apenas por meio de propriedades astronômicas.
Restrições na energia escura de três fontes independentes: supernovas, o CMB (fundo de microondas cósmico) e BAO (que é uma característica ondulada vista nas correlações da estrutura em grande escala). Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura com certeza, e também que existem incertezas e degenerações entre a quantidade de matéria escura e energia escura que precisaríamos para descrever com precisão nosso Universo. (PROJETO DE COSMOLOGIA SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))
Se olharmos para as duas primeiras evidências – os primeiros dados da relíquia e os dados da escada de distância – é daí que vem a enorme discrepância na taxa de expansão. Você pode determinar a taxa de expansão de ambos, e é daí que vem a inconsistência de 9%.
Mas este não é o fim da história; nem mesmo perto. Você pode ver, a partir do gráfico acima, que os dados da escada de distância (que inclui os dados da supernova, em azul) e os dados da relíquia inicial (que se baseiam em oscilações acústicas bariônicas e dados de fundo em micro-ondas cósmicas, nas outras duas cores) não apenas se cruzam e se sobrepõem, mas que existem incertezas tanto na densidade da matéria escura (eixo x) quanto na densidade da energia escura (eixo y). Se você tem um Universo com mais energia escura, ele parecerá mais antigo; se você tem um Universo com mais matéria escura; vai parecer mais jovem.
Quatro cosmologias diferentes levam às mesmas flutuações no CMB, mas medir um único parâmetro de forma independente (como H_0) pode quebrar essa degeneração. Os cosmólogos que trabalham na escada de distância esperam desenvolver um esquema semelhante ao de um pipeline para ver como suas cosmologias dependem dos dados incluídos ou excluídos. (MELCHIORRI, A. & GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321)
Este é o grande problema quando se trata dos dados de relíquia iniciais e dos dados da escada de distância: os dados que temos podem se encaixar em várias soluções possíveis. Uma taxa de expansão lenta pode ser consistente com um Universo com as flutuações que vemos no fundo cósmico de microondas, por exemplo (mostrado acima), se você ajustar as densidades de matéria normal, matéria escura e energia escura, juntamente com a curvatura do Universo .
De fato, se você olhar apenas para os dados de fundo de micro-ondas cósmicas, poderá ver que uma taxa de expansão maior é muito possível, mas que você precisa de um Universo com menos matéria escura e mais energia escura para explicar isso. O que é particularmente interessante, neste cenário, é que mesmo que você exija uma taxa de expansão maior, o ato de aumentar a energia escura e diminuir a matéria escura mantém a idade do Universo praticamente inalterada em 13,8 bilhões de anos.
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. Um valor mais alto da constante de Hubble de 73 km/s/Mpc ainda é permitido, mas somente se o índice espectral escalar for alto, a densidade de matéria escura for baixa e a densidade de energia escura for alta. (P.A.R. ADE ET AL. E A COLABORAÇÃO PLANCK (2015))
Se trabalharmos a matemática onde o Universo tem os seguintes parâmetros:
- uma taxa de expansão de 67 km/s/Mpc,
- uma densidade total de matéria (normal + escura) de 32%,
- e uma densidade de energia escura de 68%,
temos um Universo que existe há 13,81 bilhões de anos desde o Big Bang. O índice espectral escalar (ns), neste caso, é de aproximadamente 0,962.
Por outro lado, se exigirmos que o Universo tenha os seguintes parâmetros muito diferentes:
- uma taxa de expansão de 73 km/s/Mpc,
- uma densidade total de matéria (normal + escura) de 24%,
- e uma densidade de energia escura de 76%,
temos um Universo que existe há 13,72 bilhões de anos desde o Big Bang. O índice espectral escalar (ns), neste caso, é de aproximadamente 0,995.
Correlações entre certos aspectos da magnitude das flutuações de temperatura (eixo y) em função da escala angular decrescente (eixo x) mostram um Universo que é consistente com um índice espectral escalar de 0,96 ou 0,97, mas não 0,99 ou 1,00. (P.A.R. ADE ET AL. E A COLABORAÇÃO PLANCK)
Claro, os dados que temos para o índice espectral escalar desfavorecem esse valor, mas esse não é o ponto. A questão é esta: fazer o Universo se expandir mais rápido não implica um Universo mais jovem. Em vez disso, implica um Universo com uma proporção diferente de matéria escura e energia escura, mas a idade do Universo permanece praticamente inalterada.
Isso é muito diferente do que uma equipe vem afirmando, e é extremamente importante por um motivo que já mencionamos: o Universo deve ser pelo menos tão antigo quanto as estrelas dentro dele. Embora existam certamente barras de erro substanciais (ou seja, incertezas) nas idades de qualquer estrela individual ou aglomerado de estrelas, o conjunto completo de evidências não pode ser reconciliado muito facilmente com um Universo com menos de 13,5 bilhões de anos.
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)
Leva pelo menos 50 a 100 milhões de anos para o Universo formar as primeiras estrelas de todas, e essas estrelas eram feitas apenas de hidrogênio e hélio: elas não existem mais hoje. Em vez disso, as estrelas individuais mais antigas são encontradas nos arredores de halos de galáxias individuais e têm quantidades extraordinariamente pequenas de elementos pesados. Essas estrelas são, na melhor das hipóteses, parte da segunda geração de estrelas a se formar, e suas idades são inconsistentes com um Universo que é um bilhão de anos mais jovem do que o valor aceito de 13,8 bilhões de anos.
Mas podemos ir além das estrelas individuais e observar as idades dos aglomerados globulares: densas coleções de estrelas que se formaram nos estágios iniciais do nosso Universo. As estrelas no interior, com base em quais se transformaram em gigantes vermelhas e quais ainda não o fizeram, nos dão uma medida completamente independente da idade do Universo.
As estrelas cintilantes que você vê são evidências de variabilidade, devido a uma relação única de período/brilho. Esta é uma imagem de uma parte do aglomerado globular Messier 3, e as propriedades das estrelas dentro dele nos permitem determinar a idade geral do aglomerado. (JOEL D. HARTMAN)
A ciência da astronomia começou com os estudos dos objetos no céu noturno, e nenhum objeto é mais numeroso ou aparente a olho nu do que as estrelas. Através de séculos de estudo, aprendemos uma das peças mais essenciais da ciência astronômica: como as estrelas vivem, queimam seu combustível e morrem.
Em particular, sabemos que todas as estrelas, quando estão vivas e queimando seu combustível principal (fundindo hidrogênio em hélio), têm um brilho e uma cor específicos e permanecem nesse brilho e cor específicos apenas por um determinado período de tempo: até que seus núcleos comecem a ficar sem combustível. Nesse ponto, as estrelas mais brilhantes, azuis e de maior massa começam a se desligar da sequência principal (a linha curva no diagrama cor-magnitude, abaixo), evoluindo para gigantes e/ou supergigantes.
Os ciclos de vida das estrelas podem ser entendidos no contexto do diagrama de cor/magnitude mostrado aqui. À medida que a população de estrelas envelhece, elas “desligam” o diagrama, permitindo-nos datar a idade do aglomerado em questão. Os aglomerados de estrelas globulares mais antigos têm uma idade de pelo menos 13,2 bilhões de anos. (RICHARD POWELL SOB C.C.-BY-S.A.-2.5 (L); R. J. HALL SOB C.C.-BY-S.A.-1.0 (R))
Ao olhar para onde é esse ponto de desligamento para um aglomerado de estrelas que se formaram ao mesmo tempo, podemos descobrir – se soubermos como as estrelas funcionam – quantos anos essas estrelas no aglomerado têm. Quando olhamos para os aglomerados globulares mais antigos, os mais baixos em elementos pesados e cujos desligamentos vêm para as estrelas de menor massa, muitos têm mais de 12 ou mesmo 13 bilhões de anos, com idades de até 13,2 bilhões. anos.
Não há nenhum que seja mais antigo do que a idade atualmente aceita do Universo, o que parece fornecer uma importante verificação de consistência. Os objetos que vemos no Universo teriam uma tremenda dificuldade em se reconciliar com uma idade do Universo de 12,5 bilhões de anos, que é o que você obteria se reduzisse nosso valor de melhor ajuste (de 13,8 bilhões de anos) em 9%. Um Universo mais jovem é, na melhor das hipóteses, um tiro no escuro cósmico.
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))
Pode haver alguns que afirmam que não sabemos qual é a idade do Universo, e que esse enigma sobre o Universo em expansão pode resultar em um Universo muito mais jovem do que o que temos hoje. Mas isso invalidaria uma grande quantidade de dados robustos que já temos e aceitamos; uma resolução muito mais provável é que as densidades da matéria escura e da energia escura sejam diferentes do que suspeitávamos anteriormente.
Algo interessante certamente está acontecendo com o Universo para nos fornecer uma discrepância tão fantástica. Por que o Universo parece se importar com qual técnica usamos para medir a taxa de expansão? A energia escura ou alguma outra propriedade cósmica está mudando ao longo do tempo? Existe um novo campo ou força? A gravidade se comporta de maneira diferente em escalas cósmicas do que o esperado? Mais e melhores dados nos ajudarão a descobrir, mas é improvável que um Universo significativamente mais jovem seja a resposta.
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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