Um novo estudo sugere que as ondas gravitacionais de colisões de buracos negros distantes podem ser usadas para resolver um dos aspectos mais irritantes da cosmologia: a taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble. .
Existem duas maneiras padrão de medir a constante de Hubble.
Um ‘método global’ envolve o uso do fundo cósmico de microondas (CMB) – ‘radiação fóssil do Big Bang que preenche uniformemente o universo’ – para revelar a expansão do universo no início da história. No nível local, as supernovas do tipo Ia (também chamadas de “velas padrão” por causa de sua emissão de energia estável) são usadas para medir a constante de Hubble e a taxa de expansão recente do universo. Informações do portal Popular Mechanics.
O problema? O uso de diferentes métodos para medir a constante de Hubble oferece resultados diferentes. O valor da constante de Hubble fornecido pelas velas padrão é muito maior do que o valor que as observações do CMB deram.
Parece que deveria ter uma solução simples. Um método deve estar dando um resultado impreciso, certo? Mas, esse não é o caso. Aperfeiçoar esses métodos não fechou essa lacuna, mas aumentou ainda mais o abismo. Esse problema ficou conhecido como a “tensão de Hubble”.
Astrofísicos da Universidade de Chicago sugerem um novo método para medir a constante de Hubble e a taxa de expansão do universo, com a esperança de que possa resolver a tensão de Hubble. Essa nova técnica não usa o fundo cósmico de micro-ondas ou supernovas, mas capitaliza as ondas gravitacionais lançadas por buracos negros distantes à medida que se chocam.
A expansão do universo sempre foi motivo de preocupação para os físicos, especialmente desde que se descobriu que, em vez de desacelerar, está acelerando. A força misteriosa que está impulsionando essa aceleração recebeu o nome de “energia escura”.
“Se a matéria no universo for finita, os físicos esperavam que sua expansão acabasse parando e o universo entrasse em colapso novamente”, disse a astrofísica Luz Ángela García, da Universidad ECCI em Bogotá, Colômbia. “Em 1998, dois grupos independentes que usaram dois conjuntos de supernovas do tipo Ia descobriram que o universo não estava apenas se expandindo, mas estava fazendo isso em um ritmo acelerado.”
Ela acrescenta que isso significa que outras galáxias estão acelerando seu movimento para longe de nós… e umas das outras. E quanto mais longe estão, mais rapidamente recuam.
“Na era mais recente da história cósmica, a expansão do universo está se acelerando”, disse o cosmólogo da Universidade de Genebra, Lucas Lombriser. “Se medirmos a taxa de expansão atual usando observações de objetos mais próximos como supernovas, portanto, testando o universo mais recente, acabamos com uma constante de Hubble que é significativamente maior do que sua contraparte inferida do universo inicial e do CMB.
“A tensão entre as duas medições está agora em um nível de significância que não pode mais ser ignorado.”
Por que o universo em expansão é um problema crescente
Para imaginar por que a expansão acelerada do universo é tão preocupante, imagine uma analogia mundana e cotidiana: empurrar uma criança em um balanço normal de playground.
À medida que o tempo do empurrão único inicial passa, o balanço da criança atinge pontos mais baixos. Então, quando o balanço pára, ele de repente começa a balançar novamente, sem empurrão, atingindo pontos cada vez mais altos.
Isso é semelhante ao universo desacelerando após seu período de rápida expansão inicial – que chamamos de “Big Bang” – apenas para começar a se expandir rapidamente novamente e acelerar.
“Essa expansão acelerada só é prevista pelo nosso modelo de gravidade se houver algo que ultrapasse a força da gravidade em grandes escalas e cause uma pressão negativa”, diz García. “Isso é energia escura.”
A energia escura não pode ser ignorada porque, para manter a expansão do universo acelerando, ela deve representar pelo menos 68% de toda a matéria e energia do universo.
“A comunidade está intrigada com os resultados. Podemos afirmar que as técnicas podem ser ainda mais refinadas para obter valores mais próximos da constante de Hubble ou podemos melhorar os modelos que usamos para calibrar as observações”, acrescenta García. “Há uma terceira possibilidade que poderia ser considerada – uma taxa variável de Hubble em diferentes épocas do universo, o que implica que a contribuição da energia escura não é constante, mas varia ao longo do tempo.”
E uma maneira de olhar para trás no tempo é estudar as ondas gravitacionais lançadas por eventos distantes.
Buracos negros como “sirenes padrão” para medir a constante de Hubble
Quando os buracos negros colidem, eles se fundem para produzir um buraco negro ainda maior, mas esses eventos têm outro efeito no universo; a fusão de buracos negros é tão poderosa que o evento envia ondulações através do próprio tecido do espaço-tempo como ondas gravitacionais.
Interferômetros a laser sensíveis e massivos, como o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO), com sede nos EUA, e a versão italiana , Virgo, podem medir essas ondulações aqui na Terra.
Assim como observar a luz de uma fonte distante mostra os objetos como eles eram quando a luz os deixou — assim uma estrela a três anos-luz de distância é vista como era há três anos, e assim por diante — a observação de ondas gravitacionais revela eventos e objetos que ocorreram no passado distante do universo.
Em um artigo publicado no mês passado na revista Physical Review Letters, os astrofísicos Daniel Holz e Jose María Ezquiaga sugerem que essas ondas gravitacionais de buracos negros em colisão poderiam ser usadas para testar se a constante de Hubble era a mesma na infância relativa do universo.
“Ao pensar em maneiras de usar ondas gravitacionais para medir a expansão do universo, a colisão de buracos negros é vantajosa sobre estrelas de nêutrons binárias porque sua taxa de detecção atual é muito maior e elas podem ser observadas mais longe”, disse o pesquisador da NASA Einstein da Universidade de Chicago, Ezquiaga, diz à Popular Mechanics. “Em outras palavras, eles nos permitem sondar a taxa mais para trás no tempo, permitindo-nos medir a constante de Hubble e também a abundância de energia escura e matéria escura.”
Isso dependeria de os pesquisadores serem capazes de determinar como a taxa de expansão do universo afeta as ondas gravitacionais – e as altera – antes de serem medidas aqui na Terra. E isso, por sua vez, deve revelar se a taxa de expansão do universo está mudando em grandes distâncias e, portanto, no tempo.
“Diferentes taxas de expansão afetam tanto a amplitude das ondas gravitacionais, ou seja, quão altas ou silenciosas elas são, e as taxas de fusão, porque o volume do universo também muda”, diz Ezquiaga.
A vantagem desse método é que, embora dependa de eventos não locais, ao observar buracos negros mais próximos de casa, os pesquisadores sugerem que os cosmólogos possam calibrar suas medidas.
“Os buracos negros locais permitem que você tenha um censo das massas típicas de buracos negros binários. Então, você pode olhar para trás no tempo para ver se os buracos negros que se fundiram anteriormente têm o mesmo espectro”, acrescenta Ezquiaga. “Mudanças no modelo cosmológico devem apenas deslocar as massas detectadas. Ao comparar a mudança entre os dois espectros, o do universo local e o de volta no tempo, pode-se aprender o quanto o universo se expandiu.”
Isso significa que essa técnica para medir a taxa de expansão do universo e definir a constante de Hubble poderia lançar luz sobre um problema que incomoda pesquisadores há décadas sem depender de metodologias existentes.
Tanto García quanto Lombriser, no entanto, têm suas próprias ideias que podem explicar de onde vem a disparidade na constante de Hubble.
Olhando para trás no tempo (e através do espaço) para resolver a tensão do Hubble
García trabalhou em um modelo chamado “Early Dark Energy” (EDE) que sugere que a energia escura era um fator no universo antes de começar a dominar a gravidade, não deixando vestígios no fundo cósmico de micro-ondas. A constante de Hubble com esta radiação fóssil produz um valor pequeno.
“Os modelos EDE são prescrições teóricas que exploramos recentemente para descrever um componente de energia escura cuja energia não é constante ao longo do tempo”, diz García.
Esses tipos de modelos permitem que a energia escura varie com a distância. Assim, a taxa de expansão seria impactada por uma densidade de energia variável da energia escura.
“A inclusão da energia escura precoce pode explicar por que estamos medindo valores diferentes da constante de Hubble em momentos iniciais e tardios”, explica García. “Isso ocorre porque a energia escura inicial mudaria a taxa de expansão antes do momento em que o CMB é observado e, em seguida, cessaria seu efeito, deixando uma constante de Hubble que detectamos com as velas padrão do universo local quando a estrutura evoluiu há muito tempo”.
Enquanto isso, Lombriser tem uma ideia que envolve mudanças no espaço, e não no tempo.
Ele acha que nosso universo local – a Via Láctea e as galáxias ao redor – pode estar em um bolsão de baixa densidade dentro do universo. Chamando esse bolsão de “Bolha do Hubble”, Lombriser diz que a consequência seria o espaço local se expandir mais rapidamente do que o resto do universo na região densa fora da bolha.
Isso explicaria por que olhar para supernovas próximas resulta em um valor maior do que o fornecido por medições distantes dos rendimentos da CMB, resolvendo assim a tensão de Hubble.
“O fato de o ‘conformal’ ‘Hubble Bubble’ não invocar nenhuma nova física é um recurso atraente que convida a uma inspeção mais próxima”, diz Lombriser. “Uma opção para testar isso seria resolver a temperatura CMB em nossa estrutura cósmica muito próxima para testar uma queda para uma temperatura mais baixa localmente”.
Se o uso de ondas gravitacionais para medir a constante de Hubble é para resolver a tensão de Hubble, instrumentos como o LIGO precisarão de grandes atualizações de sensibilidade para ver ondulações no espaço-tempo de colisões mais distantes.
García não está necessariamente preocupado com a tensão do Hubble se ela não puder ser resolvida em breve. Em vez disso, ela vê isso como uma oportunidade de testar os limites da física.
“Experimentos futuros focados na natureza da energia escura e na estrutura em grande escala do universo terão um enorme impacto em como resolveremos essa crise na cosmologia”, concluiu. “Mas, se a tensão persistir, teremos que pensar mais sobre como a gravidade funciona em outras escalas, e isso é muito empolgante!”
