Colisões de estrelas de nêutrons lançam luz sobre a expansão do universo

Nos últimos anos, a astronomia tem-se visto numa espécie de crise: embora saibamos que o Universo está a expandir-se, e embora saibamos aproximadamente a que velocidade está a avançar, as duas formas fundamentais de medir essa expansão não concordam. Agora, astrofísicos do Instituto Niels Bohr propõem um novo método que pode ajudar a resolver esta tensão.

O universo está se expandindo

Sabemos disso desde que Edwin Hubble e outros astrônomos, há cerca de 100 anos, mediram as velocidades de uma série de galáxias vizinhas. As galáxias do universo estão sendo “afastadas” por esta expansão e, portanto, afastando-se umas das outras.

Quanto maior a distância entre duas galáxias, mais rapidamente elas se afastam, e a taxa precisa desse movimento é uma das quantidades mais fundamentais da cosmologia moderna. O número que descreve a expansão é chamado de constante de Hubble e aparece em muitas equações e modelos diferentes do universo e de seus componentes.

As galáxias estão mais ou menos estacionárias no espaço, mas o próprio espaço está em expansão. Isso faz com que as galáxias se afastem umas das outras a uma taxa cada vez maior. No entanto, exatamente quão rápido é um mistério. Crédito: ISO/L. Calada. As galáxias estão mais ou menos estacionárias no espaço, mas o próprio espaço está em expansão. Isso faz com que as galáxias se afastem umas das outras a uma taxa cada vez maior. No entanto, exatamente quão rápido é um mistério. Crédito: ISO/L. Calada

Problema do Hubble

Para compreender o universo, devemos conhecer a constante de Hubble com a maior precisão possível. Existem várias maneiras de medi-lo; Os métodos são mutuamente independentes, mas felizmente dão quase o mesmo resultado.

Ou seja, é quase…

A maneira intuitiva mais fácil de entender, em princípio, é o mesmo método que Edwin Hubble e seus colegas usaram há um século: localizar um grupo de galáxias e medir suas distâncias e velocidades. Na prática, isto é feito através da procura de galáxias com estrelas em explosão, ou as chamadas galáxias Supernovas. Este método é complementado por outro método que analisa irregularidades nos chamados Radiação cósmica de fundo; Uma antiga forma de luz que remonta a pouco depois a grande explosão.

Os dois métodos – o método da supernova e o método da radiação de fundo – sempre deram resultados ligeiramente diferentes. Mas qualquer medição traz consigo incertezas e, há alguns anos, as incertezas eram suficientemente grandes para que pudéssemos culpá-las pela disparidade.

O hemisfério esquerdo mostra o remanescente em expansão da supernova descoberta por Tycho Brahe em 1572, aqui vista em raios X (Crédito: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). À direita está um mapa da radiação cósmica de fundo que emana de metade do céu, que é observada em microondas. Crédito: Equipe Científica da NASA/WMAP

Contudo, à medida que as técnicas de medição melhoraram, as incertezas diminuíram e chegámos agora a um ponto em que podemos afirmar com um elevado grau de confiança que nenhuma das duas pode ser verdadeira.

A raiz deste “problema do Hubble” – se os efeitos desconhecidos estão sistematicamente a distorcer um dos resultados, ou se apontam para uma nova física que ainda não foi descoberta – é actualmente um dos tópicos mais quentes da astronomia.

O persistente paradoxo de Hubble

A expansão do Universo é medida em “velocidade por distância”, que é pouco mais de 20 quilómetros por segundo por milhão de anos-luz. Isto significa que uma galáxia localizada a 100 milhões de anos-luz de distância está se afastando de nós a uma velocidade de 2.000 km/s, enquanto outra galáxia localizada a 200 milhões de anos-luz de distância está se afastando de nós a uma velocidade de 4.000 km/s.

No entanto, usar supernovas para medir distâncias e velocidades de galáxias resulta em 22,7 ± 0,4 km/s, enquanto a análise da radiação cósmica de fundo resulta em 20,7 ± 0,2 km/s.

Prestar atenção a uma discordância tão pequena pode parecer chato, mas pode ser muito importante. Por exemplo, o número aparece no cálculo da idade do universo, e os dois métodos produzem uma idade de 12,8 e 13,8 bilhões de anos, respectivamente.

Kilonova: uma nova abordagem para medição

Um dos maiores desafios reside em determinar com precisão as distâncias às galáxias. Mas num novo estudo, Albert Snippen, estudante de doutoramento em astrofísica no Centro para o Amanhecer Cósmico do Instituto Niels Bohr em Copenhaga, propõe uma nova forma de medir distâncias, o que poderá ajudar a resolver a disputa em curso.

“Quando duas estrelas de nêutrons extremamente compactas – elas próprias remanescentes de supernovas – orbitam uma à outra e eventualmente se fundem, elas explodem em uma nova explosão; isso é chamado de quilonova, “explica Albert Snepen. “Recentemente mostramos quão notavelmente simétrica é esta explosão, e ela acontece que “Essa simetria não é apenas bonita, mas também incrivelmente útil.”

em Terceiro estudo Recém publicado, o prolífico estudante de doutorado demonstra que quilonovas, embora complexas, podem ser descritas com uma única temperatura. Acontece que a simetria e a simplicidade da quilonova permitem aos astrónomos deduzir exactamente quanta luz ela emite.

Ao comparar este brilho com a quantidade de luz que chega à Terra, os investigadores podem calcular a que distância está a quilonova. Eles obtiveram assim um método novo e independente para calcular a distância até galáxias contendo quilonovas.

Darach Watson é professor associado do Cosmic Dawn Center e coautor do estudo. “As supernovas, que têm sido usadas até agora para medir distâncias entre galáxias, nem sempre emitem a mesma quantidade de luz, “explica ele.” Além disso, primeiro exigem que calibremos a distância usando outro tipo de estrela, chamadas estrelas Cefeidas, que por sua vez também deve ser calibrado.” Usando quilonovas podemos contornar essas complicações que causam incerteza nas medições.

Resultados preliminares e etapas futuras

Para provar seu potencial, os astrofísicos aplicaram este método a uma quilonova descoberta em 2017. O resultado é uma constante de Hubble mais próxima do método da radiação de fundo, mas se o método da quilonova é capaz de resolver o problema de Hubble, os pesquisadores ainda não se atrevem a dizer:

“Temos apenas um estudo de caso até agora e precisamos de mais exemplos antes de podermos chegar a uma conclusão sólida”, alerta Albert Sneben. “Mas o nosso método ignora pelo menos algumas fontes conhecidas de incerteza e é um sistema muito ‘limpo’ para estudar. Não requer calibração ou fator de correção.

Referência: “Medição da constante de Hubble em quilonovas usando o método da fotosfera em expansão” por Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauzayn e Radoslaw Wojtak, 2 de outubro de 2023, Astronomia e astrofísica.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306