A medição mais rigorosa até hoje da velocidade a que o Universo se expande indica que estamos perante um problema real - e sério.
A colaboração internacional H0DN - um relatório de consenso da comunidade sobre a constante de Hubble - voltou a cartografar os marcadores usados para medir a expansão cósmica e definiu um enquadramento que fixa, para o Universo local, uma taxa de 73.5 quilómetros por segundo por megaparsec, com uma certeza de 7 sigma.
O problema é que medições independentes continuam a apontar, para o Universo primordial, uma taxa de 67.24 quilómetros por segundo por megaparsec - e estes novos esforços não nos aproximaram de resolver a discrepância, conhecida como tensão de Hubble.
Prepare-se: nós explicamos.
O que é a constante de Hubble (H0)
O Universo surgiu há cerca de 13.8 mil milhões de anos e, desde então, tem estado em expansão. A velocidade a que essa expansão ocorre é descrita pela constante de Hubble, ou H0, uma das medições fundamentais para compreendermos o cosmos.
A constante de Hubble é útil para estimar a idade e a dimensão do Universo. Ajuda-nos a interpretar o papel da enigmática energia escura que acelera a expansão. E é também um dos valores necessários para calcular distâncias entre galáxias.
Os astrónomos dispõem de várias ferramentas muito precisas para determinar H0 - e é aqui que começam as dificuldades.
Porque é que existe a tensão de Hubble
Quando se mede H0 no Universo local e recente, diferentes métodos tendem a convergir em resultados consistentes, tipicamente entre 72 e 74 quilómetros por segundo por megaparsec. Já as técnicas aplicadas ao Universo distante e antigo também são coerentes entre si, mas apontam sistematicamente para valores mais baixos, por volta de 67 ou 68 quilómetros por segundo por megaparsec.
O problema é que estes dois períodos do Universo não encaixam entre si: não é possível reconciliar os números de forma satisfatória, o que sugere que nos está a escapar algo relevante. Esta discrepância é precisamente aquilo a que se chama a tensão de Hubble.
A escada de distâncias cósmicas e a Rede Local de Distâncias da H0DN
A H0DN decidiu atacar a questão focando-se no Universo local. Para obter H0 nas proximidades cósmicas, os astrónomos recorrem ao que se designa por escada de distâncias cósmicas: cada “degrau” corresponde a uma técnica distinta de medição.
O primeiro degrau é a paralaxe, isto é, a deslocação aparente da posição de objectos distantes quando observados a partir de pontos de vista diferentes. À medida que a Terra orbita o Sol, a paralaxe das estrelas permite inferir a que distância se encontram.
O segundo degrau recorre a estrelas com brilho conhecido, como as variáveis Cefeidas. O terceiro degrau usa supernovas do Tipo Ia, que apresentam um pico de brilho característico.
Uma explicação possível para a tensão de Hubble seria a existência de um erro de cálculo num destes degraus, que depois se propagaria até ao valor final.
Para contornar esta hipótese, a colaboração construiu não uma “escada”, mas uma rede de distâncias composta por muitas técnicas sobrepostas de medição - incluindo variáveis Cefeidas, estrelas na ponta do ramo das gigantes vermelhas, variáveis Mira, megamasers, supernovas do Tipo Ia e do Tipo II, flutuações do brilho de superfície, a relação de Tully–Fisher e o Plano Fundamental.
Em conjunto, estes métodos fornecem medições rigorosas para estrelas e galáxias próximas, com áreas de sobreposição entre si. O resultado agregado da Rede Local de Distâncias indica que a constante de Hubble no Universo local é de 73.5 quilómetros por segundo por megaparsec.
Testes de robustez: o valor quase não muda
Um ponto decisivo é que os investigadores submeteram os resultados a testes de esforço particularmente exigentes. Foram retirando, alternadamente, vários métodos e telescópios para verificar se a exclusão de um elemento alterava o valor final - algo que denunciaria um problema nesse método.
Além disso, experimentaram diferentes conjuntos de dados e modificaram pressupostos utilizados na análise.
Ainda assim, o valor praticamente não se mexeu. Trata-se do exame mais rigoroso até agora de H0 no Universo local, e resistiu a tudo o que a H0DN lhe aplicou.
Mas as medições de H0 no Universo distante também são sólidas e continuam a concentrar-se de forma consistente em torno de 67 quilómetros por segundo por megaparsec.
Nos últimos anos, algumas tentativas procuraram eliminar a tensão de Hubble partindo da ideia de que as medições poderiam estar erradas. Em geral, quando as alternativas são erro humano ou física desconhecida, tende a suspeitar-se primeiro da primeira opção - por isso, a expectativa não era descabida.
No entanto, estes novos resultados apontam com força para que o problema seja mesmo real - e que possa exigir nova física para ser resolvido.
Os investigadores disponibilizaram gratuitamente no GitHub o código da Rede Local de Distâncias, para que outras pessoas possam tentar reproduzir os resultados.
"Em vez de servir apenas para restringir modelos de energia escura, como se imaginava há uma década, a precisão melhorada de H0 expõe agora uma inconsistência mais ampla no enquadramento cosmológico padrão e reforça o argumento a favor de nova física ou de uma reavaliação mais profunda das inferências sobre o Universo primordial", escreve a colaboração H0DN.
"O papel em evolução de H0 já reformulou a nossa compreensão da cosmologia de precisão, e mais surpresas poderão estar à frente."
O artigo foi publicado na revista Astronomia e Astrofísica.
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