Notícias

Cientistas recalculam velocidade de expansão do Universo

Usando dados de colisão de estrela de nêutrons detectada 2017, novo método aperfeiçoa valor da chamada Constante de Hubble

Representação da colisão de estrelas de nêutrons detectada em 2017. Imagem: NASA’s Goddard Space Flight Center

A que taxa exatamente o Universo está se expandindo? Os cientistas ainda não têm certeza, mas uma equipe de astrofísicos, liderada pela Universidade de Princeton, procurou chegar a um valor mais preciso dessa grandeza, conhecida como “Constante de Hubble”, utilizando os dados da fusão de estrelas de nêutrons detectada em 2017. O estudo foi publicado na revista Nature Astronomy.

“A Constante de Hubble é uma das informações mais fundamentais que descreve o estado do Universo no passado, presente e futuro”, conta Kenta Hotokezaka, pós-doutorando no Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. “Por isso, gostaríamos de saber qual é o seu valor.”

Atualmente, as duas técnicas mais bem-sucedidas para estimar a constante de Hubble baseiam-se em observações da radiação cósmica de fundo em microondas ou de estrelas explodindo em lugares distantes do Universo.

Mas essas duas estimativas discordam entre si: as medições de estrelas que explodiram — ou seja, supernovas do tipo Ia — sugerem que o Universo está se expandindo mais rápido do que o previsto pelas observações da radiação cósmica de fundo em microondas feitas pela sonda  Planck.

“Então, ou uma dessas medições está incorreta, ou os modelos da física que as sustentam estão errados”, diz Hotokezaka. “Se queremos saber o que realmente está acontecendo no Universo, então precisamos de uma terceira checagem independente”.

Ele e sua equipe — o pós-doutorando de Princeton Kento Masuda; Ore Gottlieb e Ehud Nakar, da Universidade de Tel Aviv, em Israel; Samaya Nissanke, da Universidade de Amsterdã; Gregg Hallinan e Kunal Mooley, do Instituto de Tecnologia da Califórnia; e Adam Deller, da Universidade de Tecnologia de Swinburne na Austrália — encontraram essa possibilidade de realizar uma verificação independente usando a fusão de duas estrelas de nêutrons.

Fusões de estrelas de nêutrons são eventos fenomenalmente energéticos, nos quais duas estrelas massivas giram em torno uma da outra centenas de vezes por segundo, até que se fundem em uma colisão extraordinária que lança uma explosão de ondas gravitacionais e uma enorme explosão de material. No caso da fusão de estrelas de nêutrons que foi detectada em 17 de agosto de 2017, as duas estrelas — cada uma do tamanho de Manhattan e com quase o dobro da massa do sol — estavam se movendo a uma fração significativa da velocidade da luz, antes de colidirem.

A onda gravitacional de uma fusão de estrelas de nêutrons gera um padrão distinto conhecido como “sirene padrão”. Com base na forma do sinal das ondas gravitacionais, os astrofísicos podem calcular o quão forte elas deveriam ter sido. Eles podem então comparar isso com a força medida do sinal para descobrir a que distância ocorreu a fusão.

Mas há um problema:  isso só funciona se eles souberem como as estrelas que se fundem estavam orientadas em relação aos telescópios da Terra. Os dados da onda gravitacional não diferenciam entre estrelas que estavam próximas e quase se tocando, separadas e uma de frente para a outra, ou em alguma posição intermediária.

Para separar essas possibilidades, os pesquisadores usaram um “filme” de altíssima resolução de ondas de rádio da bola de fogo de material remanescente da fusão das estrelas de nêutrons. Para fazer o filme, eles combinaram dados de radiotelescópios espalhados pelo mundo.

“A resolução das imagens de rádio que fizemos foi tão alta que, se fosse uma câmera óptica, ela poderia ver fios de cabelo individuais na cabeça de alguém a cinco quilômetros de distância”, explica Deller.

“Comparando as mudanças minúsculas na localização e na forma desta distante bola de gás emissora de ondas de rádio com vários modelos, incluindo um desenvolvido em supercomputadores, fomos capazes de determinar a orientação das estrelas de nêutrons que se fundem”, diz Nakar.

Usando isso, eles calcularam o quão distantes as estrelas de nêutrons estavam antes de se fundirem — e então, comparando com a rapidez com que a sua galáxia hospedeira está se afastando da nossa, eles puderam medir a constante de Hubble.

Depois que a fusão de estrelas de nêutrons de 2017 (GW170817) foi registrada por quase todos os instrumentos astronômicos do planeta, os astrofísicos calcularam que o valor da Constante de Hubble estava entre 66 e 90 quilômetros por segundo por megaparsec. Ao usar parâmetros rígidos para a orientação da colisão, publicados ano passado por Mooley e vários dos mesmos co-autores, incluindo Hotokezaka, o atual grupo de colaboradores conseguiu reduzir ainda mais essa estimativa, para entre 65,3 e 75,6 km / s / Mpc.

Embora essa precisão seja “muito boa”, disse Hotokezaka, ainda não é boa o suficiente para distinguir entre os modelos de Planck e da Supernova Tipo Ia. A equipe estima que, para obter esse nível de precisão, eles precisariam de dados de mais 15 colisões como a GW170817 — com sua abundância útil de dados colhidos por todo o espectro eletromagnético — ou de 50 a 100 colisões detectadas apenas com ondas gravitacionais.

“Esta é a primeira vez que astrônomos foram capazes de medir a Constante de Hubble usando uma análise conjunta de sinais de ondas gravitacionais e imagens de rádio”, conta Hotokezaka. “É notável que apenas um único evento de fusão nos permite medir a Constante de Hubble com alta precisão — e essa abordagem não se baseia nem no modelo cosmológico (Planck) nem na escada de distância cósmica (Tipo Ia).”

Universidade de Princeton