A chamada Tensão de Hubble pode sugerir uma nova física?

Um diagrama que representa o supervazio Keenan-Barger-Cowie em meio à teia cósmica de matéria que abrange o universo. A Via Láctea está localizada fora do centro do vazio. (Crédito da imagem: AG Kroupa/Universidade de Bonn)

Uma grande discrepância entre as diferentes medições da taxa de expansão do Universo poderia ser explicada se a nossa galáxia, a Via Láctea, se situasse num vazio com uma extensão de dois bilhões de anos-luz. Esta é a conclusão dos cientistas que argumentam que uma teoria da gravidade modificada pode substituir o modelo padrão da cosmologia. No entanto, esta hipótese é fortemente contestada por muitos astrônomos.

O modelo padrão da cosmologia descreve como vivemos num universo dominado pela energia escura e pela matéria escura . A energia escura é uma força misteriosa que aparentemente está causando a aceleração da expansão do universo, enquanto a matéria escura fornece a maior parte da gravidade do universo e acredita-se que cerca as galáxias em formas semelhantes a halos, evitando que elas se desintegrem. Juntos, esses fenômenos indescritíveis descrevem como a matéria é distribuída pelo cosmos e como as galáxias se movem umas em relação às outras.

Um dos maiores desafios a serem superados pelo modelo padrão da cosmologia, entretanto, é conhecido como “Tensão de Hubble”. Este conceito não tem o nome do telescópio espacial como você pode imaginar, mas sim do astrônomo Edwin Hubble. Em 1929, Edwin Hubble descobriu que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece estar se afastando de nós. Ele foi capaz de derivar uma relação para descrever esta conexão, que posteriormente ficou conhecida como Lei Hubble-Lemaître (em homenagem ao físico teórico e padre belga, Georges Lemaître, que também a descobriu de forma independente). Diz que a velocidade com que uma galáxia se afasta de nós é o produto da sua distância multiplicada pela taxa de expansão do universo, que é dada por um parâmetro denominado constante de Hubble. 

Desde a época de Edwin Hubble, os astrônomos têm se esforçado para medir a constante de Hubble com precisão cada vez maior. Conhecendo a constante de Hubble e, portanto, a rapidez com que o Universo se está a expandir, podemos calcular a idade que o Universo deve ter para atingir o seu tamanho atual. As nossas melhores medições atuais colocam a idade do Universo em 13,8 bilhões de anos.

No entanto, há um problema. 

As medições da expansão do universo criadas pela medição do desvio para o vermelho da luz das supernovas do tipo Ia resultaram em um valor constante de Hubble de 73,2 quilômetros por segundo por megaparsec. Em outras palavras, diz que cada volume de espaço com um megaparsec de diâmetro (um parsec tem 3,26 anos-luz, e um megaparsec tem um milhão de parsecs, ou seja, 3,26 milhões de anos-luz) está a expandir-se 73,2 quilómetros por segundo.

No entanto, a taxa de expansão do universo também está incorporada na física da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). As medições da CMB pela missão Planck da Agência Espacial Europeia dão um valor da constante de Hubble de 67,4 quilómetros por segundo por megaparsec. Ambas as medições foram feitas com alta precisão, mas ambas podem não estar corretas. 

Esta estranha dicotomia, que ficou conhecida como Tensão de Hubble, é agora indiscutivelmente o problema mais incômodo da cosmologia. Enquanto alguns astrónomos suspeitam que seja o produto de um erro de medição, outros pensam que pode ser um indício de uma nova física.

É exatamente isso que um novo artigo, elaborado por cientistas da Alemanha, Escócia e República Checa, propõe.

“O Universo… parece estar expandindo-se mais rapidamente na nossa vizinhança – isto é, até uma distância de cerca de três bilhões de anos-luz – do que na sua totalidade”, afirma um dos autores do artigo, Pavel Kroupa, da Universidade de Bona, na Alemanha, em um comunicado à imprensa . "E esse não deveria ser o caso."

A sua hipótese centra-se numa estranheza astrofísica chamada supervazio Keenan-Barger-Cowie, em homenagem ao trio de astrónomos que o estudou. O supervazio é a chamada "subdensidade" de matéria no universo, uma região onde estatisticamente há menos galáxias em média - e a nossa galáxia, a Via Láctea, está bem no meio dela, dizem os cientistas. 

Fora deste supervazio, as galáxias são compactadas em média um pouco mais densamente, resultando em mais gravidade que pode puxar objetos dentro do supervazio em sua direção. Isto pode dar a impressão de que o espaço está expandndo-se mais rapidamente na nossa vizinhança, sugere a equipe, à medida que as galáxias são arrastadas pela gravidade da matéria para além do supervazio.

“É por isso que eles estão se afastando de nós mais rápido do que seria realmente esperado”, disse o coautor Indranil Banik, da Universidade de St Andrews, na Escócia.

O modelo padrão da cosmologia diz que a matéria deve estar espalhada de maneira bastante uniforme por todo o universo e que quaisquer vazios não devem crescer além de um determinado tamanho. Portanto, tem alguma dificuldade em explicar um supervazio tão grande quanto o vazio de Keenan-Barger-Cowie. Alguns astrónomos, incluindo Kroupa e Banik, acreditam que o modelo padrão não pode explicá-lo, enquanto outros, como Martin Sahlén, Iñigo Zubeldía e Joseph Silk, da Universidade de Oxford, declararam publicamente que sim.

Na hipótese de Kroupa, Banik e seus co-autores (Sergij Mazurenko da Universität Bonn e Moritz Haslbauer da Charles University na República Tcheca), nossa teoria atual da gravidade e, portanto, da matéria escura, é substituída por uma nova teoria chamada Dinâmica Newtoniana Modificada, ou MOND para abreviar. Isto postula que em baixas acelerações, a gravidade se comporta de maneira diferente da descrita por Einstein e Newton, e que a gravidade extra pode substituir a necessidade de matéria escura. No paradigma MOND, o universo poderia criar mais facilmente grandes vazios como o supervazio Keenan-Barger-Cowie.

No entanto, a ideia de que a presença do vazio pode afetar as medições da taxa de expansão do Universo foi fortemente contestada no passado. O ganhador do Prêmio Nobel Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, em Baltimore, que está liderando esforços para medir a constante de Hubble com supernovas do tipo Ia, junto com W. D'Arcy Kenworthy, da Johns Hopkin, e Dan Scolnic, da Universidade Duke, nos Estados Unidos, mostrou que esse tipo de supernovas Ia observadas além do limite do supervazio tiveram a mesma taxa de expansão daquelas dentro do vazio. Em resposta, Kroupa, Banik, Mazurenko e Haslbauer argumentam que o efeito do supervazio seria sentido muito além do próprio vazio e, portanto, seria de esperar medir uma taxa de expansão mais elevada em supernovas bem além dos limites do super vazio.

Outros métodos para medir a constante de Hubble, que não levam em conta o supervazio e o modelo padrão da cosmologia, também sustentam que a Tensão de Hubble não pode ser explicada. Ao rastrear a distância angular no céu que os masers de água em nuvens moleculares orbitando buracos negros supermassivos em galáxias distantes, e daí derivar sua distância física da geometria, produziu um valor da constante de Hubble de 73,9 quilômetros por segundo por megaparsec, que está próximo das medições da supernova tipo Ia, dada a incerteza nas medições do maser. Há também o projeto H0LiCOW (H0 refere-se à constante de Hubble), que estuda como a luz dos quasares no universo primitivo pode seguir diferentes caminhos de diferentes comprimentos através de lentes gravitacionais em primeiro plano . Os quasares costumam apresentar flutuações em seu brilho; enquanto percorre os diferentes caminhos através das lentes gravitacionais. Neste caso, o universo ainda está em expansão e a taxa dessa expansão é impressa nas diferentes imagens das lentes das variações de brilho do quasar. Este projeto constata que a taxa de expansão é de 73,3 quilômetros por segundo por megaparsec, quase idêntica ao valor da supernova tipo Ia. 

Estas medições estão em conflito com as medições da CMB e são independentes da hipótese de que o supervazio pode criar a tensão de Hubble. Então, em última análise, para que essa hipótese tenha pernas, parece que Kroupa, Banik, Mazurenko e Haslbauer terão de convencer muito mais pessoas.

Fonte: Space.com