A "tensão de Hubble" representa a diferença entre a taxa de expansão observada do universo e a taxa de expansão esperada do universo. O Telescópio Espacial James Webb melhorou as medições anteriores feitas pelo Telescópio Espacial Hubble. Apesar do progresso, permanecem questões sobre a rápida expansão do universo e os fenómenos cósmicos subjacentes a ele.

Observações abrangentes da NIRCam (Near Infrared Camera) da NASA e da WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble mostram que a galáxia espiral NGC 5584 está a 72 milhões de anos-luz de distância da Terra. Entre as estrelas luminosas da NGC 5584 estão estrelas pulsantes chamadas variáveis ​​Cefeidas e supernovas do Tipo Ia, um tipo especial de estrela em explosão. Os astrônomos usam Cefeidas e supernovas do Tipo Ia como marcadores de distância confiáveis ​​para medir a taxa de expansão do universo. Fonte da imagem: NASA, ESA, CSA e A.Riess (STScI)

A taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble, é um dos parâmetros fundamentais para a compreensão da evolução e do destino final do universo. No entanto, existe uma discrepância persistente conhecida como "tensão de Hubble" entre o valor da constante medida usando várias métricas de distância independentes e o valor previsto a partir do brilho residual do Big Bang.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA fornece novas capacidades para rever e refinar algumas das evidências observacionais mais fortes desta tensão. O ganhador do Nobel Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, descreveu o trabalho recente dele e de colegas usando observações de Webb para melhorar a precisão das medições locais da constante de Hubble.

O desafio de medir o universo

Você já teve dificuldade para ver um sinal que estava no limite do seu campo de visão? O que isso diz? O que isto significa? Mesmo com os telescópios mais poderosos, os “sinais” que os astrónomos querem ler parecem tão pequenos que temos dificuldade.

A assinatura que os cosmólogos querem decifrar é a assinatura do limite de velocidade cósmica, que nos diz a rapidez com que o Universo se está a expandir – um número chamado constante de Hubble. Nossas constelações estão escritas nas estrelas de galáxias distantes. O brilho de certas estrelas nestas galáxias diz-nos a que distância estão de nós e, portanto, quanto tempo leva para esta luz chegar até nós, enquanto o desvio para o vermelho da galáxia nos diz o quanto o Universo se expandiu durante esse tempo, informando-nos assim a taxa de expansão.

Este diagrama ilustra a capacidade combinada dos telescópios espaciais Hubble e Webb da NASA para determinar a distância precisa a uma classe especial de estrelas variáveis ​​usadas para calibrar a taxa de expansão do Universo. Essas Cefeidas aparecem em um campo estelar lotado. A poluição luminosa das estrelas circundantes pode tornar as medições do brilho das Cefeidas menos precisas. A visão infravermelha mais nítida de Webb permite que o alvo Cefeida seja isolado mais claramente das estrelas circundantes, como mostrado à direita. Os dados de Webb confirmam a precisão dos 30 anos de observações das Cefeidas do Hubble, que foram críticas para estabelecer o degrau inferior da escada de distância cósmica que mede a taxa de expansão do Universo. À esquerda, NGC 5584 aparece em uma imagem composta da NIRCam (Near Infrared Camera) de Webb e da Wide Field Camera 3 do Hubble. Fonte da imagem: NASA, ESA, A.Riess(STScI), W.Yuan(STScI)

Uma classe especial de estrelas, as variáveis ​​Cefeidas, forneceu-nos as medições de distância mais precisas durante mais de um século porque estas estrelas são muito brilhantes: são supergigantes, cem mil vezes mais luminosas que o Sol. Além do mais, eles pulsam (ou seja, expandem e contraem de tamanho) durante várias semanas, o que indica seu brilho relativo. Quanto maior o período, mais brilhantes eles são intrinsecamente. São a ferramenta padrão ouro para medir distâncias a galáxias com 100 milhões de anos-luz ou mais, um passo fundamental na determinação da constante de Hubble. Infelizmente, do nosso ponto de vista distante, as estrelas nas galáxias estão aglomeradas num espaço pequeno, por isso muitas vezes não temos a resolução para separá-las dos seus vizinhos na linha de visão.

As contribuições do Hubble e o progresso do Webb

Uma das principais razões para a construção do Telescópio Espacial Hubble foi resolver este problema. Antes do lançamento do Hubble em 1990 e das subsequentes medições das Cefeidas, a taxa de expansão do Universo era tão incerta que os astrónomos não tinham a certeza se o Universo se tinha expandido durante 10 ou 20 mil milhões de anos. Isto ocorre porque uma taxa de expansão mais rápida resultará num universo mais jovem, enquanto uma taxa de expansão mais lenta resultará num universo mais antigo. O Hubble tem melhor resolução de comprimentos de onda visíveis do que qualquer telescópio terrestre porque fica acima dos efeitos de desfoque da atmosfera da Terra. Pode, portanto, identificar Cefeidas individuais em galáxias a mais de 100 milhões de anos-luz de distância e medir os intervalos de tempo durante os quais mudam de brilho.

No entanto, também temos que olhar para as Cefeidas na parte do infravermelho próximo do espectro para ver a luz passando ilesa pela poeira intermediária. (A poeira absorve e espalha a luz óptica azul, fazendo com que objetos distantes pareçam escuros e nos levando a acreditar que estão mais distantes do que realmente estão). Infelizmente, a visão da luz vermelha do Hubble não é tão clara quanto a azul, então a luz das estrelas que vemos nas Cefeidas é misturada com outras estrelas no campo de visão. Poderíamos interpretar estatisticamente a mistura média, tal como um médico calcularia o peso corporal subtraindo o peso médio das roupas da leitura de uma balança, mas isso acrescentaria ruído à medição. , porque as roupas de algumas pessoas são mais pesadas que outras.

No entanto, a visão infravermelha apurada é um dos superpoderes do Telescópio Espacial James Webb. Com os seus grandes espelhos e óptica sensível, pode facilmente separar a luz Cefeida das estrelas vizinhas com pouca mistura. No primeiro ano de operação do Programa de Observação Universal Webb em 1685, coletamos observações das Cefeidas descobertas pelo Hubble em duas etapas ao longo da chamada escada de distância cósmica. O primeiro passo envolve a observação de Cefeidas em galáxias a distâncias geométricas conhecidas, o que nos permite calibrar as verdadeiras luminosidades das Cefeidas. Para nossos propósitos, essa galáxia é NGC 4258. O segundo passo é observar as variáveis ​​Cefeidas na galáxia hospedeira da recente supernova Tipo Ia. A combinação dos dois primeiros passos transfere o conhecimento da distância às supernovas para calibrar as suas verdadeiras luminosidades. O terceiro passo é observar supernovas distantes onde a expansão do universo é significativa, o que pode ser medido comparando a distância inferida do seu brilho com o desvio para o vermelho da galáxia hospedeira da supernova. Esta série de degraus é chamada de escada de distância.

Recentemente obtivemos as primeiras medições de Webb nas etapas um e dois, o que nos permitiu completar a escada de distância e comparar com medições anteriores do Hubble (ver figura), devido à resolução do observatório em comprimentos de onda do infravermelho próximo. Essa melhoria é o que os astrônomos sonham! Observamos mais de 320 Cefeidas nas duas primeiras etapas. Confirmamos que as primeiras medições do Telescópio Espacial Hubble eram precisas, embora ruidosas. Também observamos quatro outros hospedeiros de supernovas com Webb e vimos resultados semelhantes em toda a amostra.

Comparação das relações período-luminosidade da estrela variável Cefeida para medir distâncias. O ponto vermelho é do Webb da NASA, e o ponto cinza é do Hubble da NASA. O painel superior é NGC 5584, um hospedeiro de supernova Tipo Ia, e a inserção mostra marcadores de imagem da mesma variável Cefeida vista por cada telescópio. O painel inferior é NGC 4258, uma galáxia com uma distância geométrica conhecida, e a inserção mostra a diferença no módulo de distância entre NGC 5584 e NGC 4258 medido com cada telescópio. A concordância entre os dois telescópios é muito boa. Fonte da imagem: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand (STScI)

O mistério da persistência da tensão Hubble

Os resultados ainda não explicam porque é que o Universo se está a expandir tão rapidamente! Podemos prever a rapidez com que o Universo se está a expandir olhando para a sua imagem bebé (a radiação cósmica de fundo em micro-ondas) e depois utilizando os melhores modelos de como o Universo cresceu ao longo do tempo para nos dizer com que rapidez o Universo deveria estar a expandir-se hoje. O fato de as medições atuais da taxa de expansão excederem em muito as previsões é um problema de uma década conhecido como “tensão de Hubble”. A possibilidade mais excitante é que a tensão seja uma das pistas que faltam na nossa compreensão do universo.

Poderia indicar a existência de energia escura exótica, matéria escura exótica, uma revisão da nossa compreensão da gravidade ou a existência de partículas ou campos únicos. A explicação mais comum é que vários erros de medição conspiraram na mesma direção (os astrônomos descartam erros individuais usando etapas independentes), por isso é tão importante refazer as medições com maior fidelidade. Com a confirmação de Webb das medições de Hubble, as medições de Webb fornecem a evidência mais forte até agora de que erros sistemáticos na fotometria Cefeida de Hubble não desempenham um papel significativo na atual tensão de Hubble. Como resultado, permanecem possibilidades mais interessantes e o mistério da tensão se aprofunda.

Este artigo destaca dados de um artigo aceito pelo The Astrophysical Journal.