DESI mede a constante de Hubble com precisão inédita

A intriga volta a adensar-se na tentativa de determinar com maior rigor a taxa de expansão do Universo.

Uma nova medição da expansão acelerada do Universo, designada constante de Hubble, fixou a sua taxa em 67.97 quilómetros por segundo por megaparsec. Segundo uma grande equipa internacional de investigadores, o resultado assenta no maior e mais rigoroso mapa 3D do nosso Universo produzido até à data.

Baseia-se em «bolhas» formadas pelo Universo primordial em expansão e constitui um avanço importante, tanto na medição da constante de Hubble como na procura da misteriosa energia escura que impulsiona essa expansão… mas também agrava uma crise persistente na cosmologia.

Isto acontece porque dois métodos distintos de medir a constante de Hubble produzem, de forma consistente, dois intervalos de resultados diferentes. Estes valores, obtidos com o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura do Lawrence Berkeley National Laboratory, estão muito perto de excluir o erro humano, pelo menos neste método.

«Nenhuma experiência espectroscópica teve antes tantos dados, e continuamos a recolher dados de mais de um milhão de galáxias todos os meses», afirma Nathalie Palanque-Delabrouille, cosmóloga do Berkeley Lab.

«É surpreendente que, apenas com os dados do nosso primeiro ano, já possamos medir a história da expansão do nosso Universo em sete segmentos distintos do tempo cósmico, cada um com uma precisão entre 1 e 3 por cento.»

A tensão da constante de Hubble

A tensão de Hubble - possivelmente o maior problema actual da cosmologia - resulta da discrepância entre os resultados obtidos com ferramentas conhecidas como velas padrão e réguas padrão para medir a constante de Hubble (H₀).

Como já explicámos, as velas padrão são objectos cuja luminosidade intrínseca é conhecida, como as estrelas variáveis Cefeidas e as supernovas do Tipo Ia. Quando sabemos quão brilhante é algo por natureza, conseguimos calcular a que distância se encontra com elevada precisão. As Cefeidas e as supernovas do Tipo Ia apontam para uma constante de Hubble de cerca de 73 quilómetros por segundo por megaparsec.

As réguas padrão, por sua vez, dependem de sinais do Universo primordial. Entre estes estão a radiação cósmica de fundo em micro-ondas - a luz que atravessou o Universo pela primeira vez cerca de 380,000 anos após o Big Bang - e as «bolhas» espaciais denominadas oscilações acústicas de bariões, ou BAO. Estes métodos indicam uma constante de Hubble de aproximadamente 67 quilómetros por segundo por megaparsec.

DESI, BAO e as bolhas do Universo primordial

As BAO, nas quais se baseou o mapa do DESI, são essencialmente ondas acústicas esféricas de densidade que viajaram através do nevoeiro de plasma do Universo primordial. Quando esse nevoeiro se dissipou, a densidade de matéria do Universo ficou congelada nestas bolhas esféricas. Naturalmente, os objectos deslocaram-se desde então, mas ainda é possível identificar distribuições esféricas de galáxias, desde que se saiba o que procurar.

O raio destas bolhas é fixo e conhecido: ronda os 150 megaparsecs. Assim, se os astrónomos detectarem uma BAO no espaço distante, podem calcular a sua distância por saberem qual é a sua dimensão. Isto permite medir a constante de Hubble.

No seu levantamento do céu, o DESI observou 11 mil milhões de anos-luz no espaço-tempo, medindo BAO até onde lhe foi possível alcançar. Quando estes dados foram combinados com medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, os resultados ficaram firmemente do lado das réguas padrão. Mesmo sem a CMB, porém, a medição de BAO parece excluir velocidades mais elevadas.

«Tendemos a obter valores de H₀ no intervalo de 67-68 quilómetros por segundo por megaparsec, mesmo quando variamos as premissas relativas à amostra de dados ou à história da expansão cósmica. Estes dados de BAO permitem-nos afirmar de forma robusta que o valor de H₀ é inferior a 70 quilómetros por segundo por megaparsec quando se usa uma régua padrão calibrada pela física do Universo primordial», diz a ScienceAlert o físico Kyle Dawson, da Universidade do Utah.

«Isto deixa duas explicações possíveis para a tensão de Hubble: existe uma nova física que tem de ser considerada para calibrar correctamente a régua padrão com base na física do Universo primordial, ou existem fontes de erro sistemático que não foram devidamente consideradas na propagação das medições SN+Cefeidas, desde as estimativas geométricas de distância locais até às estimativas de distância no fluxo de Hubble.»

O principal problema é que as recentes medições com velas padrão efectuadas pelo Telescópio Espacial James Webb parecem apoiar de forma bastante sólida os 73 quilómetros por segundo por megaparsec. Com as medições e os dados actuais, parece cada vez menos provável conseguir colmatar a diferença entre os dois resultados. Isto significa que, afinal, a nova física poderá ser a resposta.

Precisão do DESI e o modelo LCDM

Contudo, esta nova medição é apenas uma etapa e baseia-se num único ano de dados do DESI, que já oferece uma precisão muito superior àquela que as experiências da geração anterior demoraram 10 anos a alcançar. Também revela alguns desvios subtis face ao modelo Lambda de matéria escura fria (LCDM) do Universo actualmente utilizado, assente em modelos específicos tanto para a energia escura como para a matéria escura.

«Esta precisão adicional colocou-nos no regime que procurávamos há 20 anos, aquele em que podemos testar de forma significativa a natureza da energia escura», afirma Dawson.

«Os resultados obtidos apenas com BAO do DESI e CMB são melhor descritos por um modelo que se desvia do modelo LCDM padrão em 2.6 sigma. Embora ainda não se tenha atingido o nível de 3-sigma que justificaria evidências de nova física, este grau de discordância face ao modelo assumido nos últimos 20 anos deixa-nos a todos ansiosos pelas medições com a amostra de três anos.

«Demonstrámos que as técnicas de análise desenvolvidas neste primeiro ano são robustas e esperamos que as próximas medições sejam significativamente mais precisas.»

Mal podemos esperar.

A equipa apresentou os seus resultados na Reunião de Março da Sociedade Americana de Física e disponibilizou-os no servidor de preprints arXiv.