Desde o final da década de 1990, entramos na era da precisão na cosmologia. Isto é tanto mais verdade quanto os resultados da missão Planck relativos à radiação fóssil e aqueles, ainda em andamento, da missão Gaia no campo da astrometria. Este último permite-nos, em particular, refinar a nossa determinação de distâncias no cosmos melhorando as medições de paralaxe das estrelas da Via Láctea e, ao fazê-lo, as características das estrelas variáveis que são as Cefeidas na nossa Galáxiaque tornam possível medir as distâncias de galáxias próximas usando essas estrelas como “ velas padrão ”, no jargão de astrofísicos.
A calibração precisa dessas velas padrão permite calibrar também aquelas que constituem o supernovas SN Ia em galáxias muito mais distantes. Lembremo-nos, de facto, que durante um brilho intrínseco conhecido de um estrelaquanto mais longe estiver, menos luminoso parecerá e de acordo com uma lei muito precisa. Por outro lado, conhecer a luminosidade aparente dá a distância quando conhecemos a luminosidade intrínseca.
Nesta edição da Space, vamos às estrelas: os astrónomos, utilizando o telescópio espacial europeu Gaia, compilaram um catálogo de mil milhões de estrelas na Via Láctea, abrindo caminho para novas décadas de descobertas. ©ESA
Temos, portanto, o que os cosmólogos chamam de escala de distância com vários métodos que se baseiam uns nos outros para determinar as distâncias no cosmos e, como bônus, estudamos a lei da expansão do cosmos.Universo observável no âmbito da teoria da relatividade geral (cada método tem seu limite de precisão que pode ser melhorado, mas que contribui para um erro final na determinação de distâncias para galáxias distantes).
Conseguimos deduzir uma aceleração desta expansão durante cerca de 5 mil milhões de anos, embora se acreditasse que estaria a desacelerar desde o Big Bang. Isto sugere a presença de um misterioso energia escura no equações deEinsteinna forma do que conhecemos há um século sob o nome de constante cosmológicauma energia que paradoxalmente se comporta como fonte de uma espécie de gravitação repelente em vez de atraente.
A lei da expansão do espaço na teoria de Einstein introduz o que é chamado de Constante de Hubble-Lemaître e esta constante também fornecem uma estimativa da idade do Universo desde o Big Bang. Para saber mais sobre esses assuntos, o leitor curioso e um tanto corajoso pode consultar os cursos introdutórios à cosmologia de Hubert Reeves e Jayant Narlikar.
Apresentação de Françoise Combes do seu curso 2016-2017: “ Modelos de energia escura e universo “. © Colégio de França
Tensão Hubble
Ainda assim, há anos que temos falado regularmente, na vanguarda das notícias, sobre desenvolvimentos na cosmologia do que é chamado “o Tensão Hubble “. Alguns se perguntam se isso não representa uma crise de modelo cosmológico padrão com matéria e energia escura, mesmo suspeitando de uma crise de físico fundamental.
Esta tensão é de facto potencialmente a manifestação da natureza da energia escura que afecta a expansão do espaço observável. No entanto, o destino do cosmos depende precisamente da natureza precisa da energia escura.
A Futura já havia dedicado um longo artigo a esta famosa tensão por ocasião do 20º aniversário da Futura e para um editorial de Françoise Combes.
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Editorial de Françoise Combes: estes três enigmas sinalizam uma nova astrofísica e cosmologia?
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Mas do que estamos realmente falando com a “tensão Hubble”?
Esta é a discordância cada vez mais significativa, até erros de medição, entre dois métodos importantes de determinação de uma constante denotada H0que desempenha um papel fundamental na famosa lei de Hubble-Lemaître, permitindo vincular a distância de uma galáxia ao seu deslocamento espectral.
Esta constante é um parâmetro fundamental do modelo cosmológico padrão que pode ser avaliado medindo com precisão as características da radiação fóssil, o que foi feito com o Missão Planck. Os “Planckianos”, como são chamados e dos quais a falecida Cécile Renault fazia parte, analisavam as medições de Planck com muito cuidado, tendo em conta diversas possíveis fontes de erro.
O ganhador do Prêmio Nobel de física Adam Riess e seus colegas, como Saul Perlmutter, decidiram medir, com a maior precisão possível, a constante de Hubble-Lemaître usando o telescópio Hubble, então o JWST estudar em particular as explosões de supernovas SN Ia em galáxias cada vez mais distantes. Riess e seus colegas encontraram um valor diferente. Na verdade, há cerca de 10 anos que o fosso tem vindo a aumentar entre estas medições obtidas por dois métodos, o estudo da radiação fóssil, o fundo cósmico de microondasdando H0 = 67,4 ± 0,5 km·s−1 MPC−1e supernovas H0 = 73,0 ± 1,0 km·s−1 MPC−1.
Estrelas velhas com 13,6 bilhões de anos são necessariamente estrelas anãs de baixa massa por terem vivido tanto tempo. As primeiras estrelas após o Big Bang, chamadas de população III, devem ter sido tão massivas que explodiram em supernovas após alguns milhões de anos de vida, no máximo. © Elena Tomasetti
Parece que hoje assistimos a uma nova reviravolta na saga do enigma da tensão Hubble, principalmente como resultado do trabalho de investigadores da Universidade de Bolonha, Itália, em conjunção com os dos membros do Instituto Leibniz deastrofísica de Potsdam (AIP), Alemanha, conforme mostrado em um comunicado de imprensa da AIP.
Idades divergentes do Universo?
Conforme mostrado em dois artigos, cujas versões de acesso aberto podem ser encontradas em arXiv, os astrofísicos confiaram em dados da missão Gaia relativos a múltiplas informações sobre o brilho, posição e distância de mais de 200.000 estrelas na Via Láctea.
Mais especificamente, o grupo de cosmologia da Universidade de Bolonha baseou-se no trabalho do Grupo de Arqueologia Estelar da AIP num catálogo de determinações de idade de mais de 200.000 estrelas retiradas de dados de Gaia, em combinação com dados analíticos e digital da evolução das estrelas – teoria que permite calcular a idade destas estrelas a partir de observações.
A ideia era tentar contribuir nas tentativas de decidir qual das determinações da constante de Hubble-Lemaître é a correta, medindo com mais precisão as idades das estrelas mais antigas.
Com efeito, embora não saibamos exatamente quando nasceram as primeiras estrelas e a determinação da idade das estrelas observadas também não esteja isenta de erros, podemos pensar a priori que uma comparação entre as idades das estrelas obtidas usando Gaia e as idades do Universo fornecidas pelos dados do Planck e aquelas relativas às supernovas SN Ia poderia inclinar a balança a favor de uma das duas determinações da constante de Hubble-Lemaître.
Para isso, foi ainda necessário selecionar entre 200 mil estrelas uma amostra que apresentasse as estimativas de idade mais confiáveis. No entanto, como explica o comunicado de imprensa da AIP, “ para a amostra final de cerca de 100 estrelas, a idade mais provável é de cerca de 13,6 mil milhões de anos. Esta idade é demasiado antiga para ser compatível com a idade do Universo deduzida das Cefeidas e das supernovas (a menos que outros parâmetros dos modelos cosmológicos sejam modificados), mas é concórdia bem com a idade cósmica deduzida da radiação cósmica de fundo “.
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O que faz com que Elena Tomasetti, da Universidade de Bolonha e primeira autora do estudo, diga: “ Este projeto ilustra perfeitamente como a combinação de conhecimentos de diferentes áreas pode abrir novas perspectivas sobre questões fundamentais. Medir a idade das estrelas é, por si só, um desafio complexo, mas vivemos agora numa era em que a quantidade e a qualidade dos dados disponíveis nos permitem alcançar uma precisão sem precedentes e, pela primeira vez, resultados estatisticamente significativos. Com a próxima divulgação de dados de Gaia no horizonte, a idade das estrelas poderá tornar-se um pilar fundamental da cosmologia. »
Retrato de Françoise Combes, medalha de ouro CNRS 2020. © CNRS
Perguntamos a Françoise Combes o que ela achou dos novos resultados de pesquisadores da Universidade de Bolonha e da AIP. Aqui está sua resposta:
“ É um belo trabalho, que graças ao Gaia proporciona maior precisão sobre a idade das estrelas mais antigas da Via Láctea. É certo que há 30 anos esta era uma restrição muito válida para a idade do Universo, que era demasiado pequena. Por outro lado, desde 1998, descobrimos a energia escura e a aceleração da expansão e, portanto, a idade do Universo aumentou consideravelmente (com o mesmo H0) e tornou-se maior que a idade das estrelas mais antigas. Não há mais contradição. Agora não sabemos quando nasceram as primeiras estrelas da Via Láctea, depois de que período de tempo após o Big Bang, então a idade das estrelas não é mais uma restrição cosmológica. “.