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Estado de Minas MIST�RIO

O mist�rio do tamanho real do Universo

O cosmos se expandiu desde o Big Bang, mas com que velocidade? A resposta pode revelar se tudo o que acreditamos saber sobre f�sica est� certo ou errado.


02/05/2021 11:07 - atualizado 02/05/2021 15:56

Desde o Big Bang, o Universo vem se expandindo %u2014 saber o quão rápido isso está acontecendo pode nos dizer seu tamanho e idade(foto: NASA/JPL-CALTECH)
Desde o Big Bang, o Universo vem se expandindo %u2014 saber o qu�o r�pido isso est� acontecendo pode nos dizer seu tamanho e idade (foto: NASA/JPL-CALTECH)
Vamos come�ar dizendo que o universo � grande. Estima-se que, se olharmos em qualquer dire��o, suas regi�es vis�veis mais distantes est�o a cerca de 46 bilh�es de anos-luz de dist�ncia.

Isso significa ter um di�metro de 540 sextilh�es de milhas (ou 54 seguido por 22 zeros).

Mas este �, na verdade, nosso melhor palpite: ningu�m sabe exatamente o qu�o grande o universo realmente �.


Isso se deve ao fato de que s� podemos ver a dist�ncia percorrida pela luz (ou, mais precisamente, a radia��o de micro-ondas lan�ada a partir do Big Bang) desde sua origem.

Desde que o universo surgiu h� cerca de 13,8 bilh�es de anos, ele vem se expandindo.

Mas, como tampouco sabemos sua idade precisa, � dif�cil determinar at� que ponto ele se estende al�m dos limites do que podemos ver.

No entanto, os astr�nomos tentaram usar uma propriedade para descobrir, um n�mero conhecido como constante de Hubble.

"� uma medida de qu�o r�pido o universo est� se expandindo agora", diz Wendy Freedman, astrof�sica da Universidade de Chicago, nos EUA, que dedica sua carreira a fazer estas medi��es.

"A constante de Hubble estabelece a dimens�o do universo, tanto seu tamanho quanto sua idade", acrescenta.

Pense no universo como um bal�o que infla.

� medida que as estrelas e gal�xias, pontos na superf�cie de um bal�o, se separam mais rapidamente, maior � a dist�ncia entre elas.

Da nossa perspectiva, isso significa que quanto mais longe uma gal�xia est� de n�s, mais r�pido ela se afasta.

Infelizmente, quanto mais os astr�nomos calculam esse n�mero, mais ele parece desafiar as previs�es baseadas em nossa compreens�o do universo.

Um m�todo de medir diretamente nos d� um certo valor, enquanto outra medi��o, que se baseia na nossa compreens�o de outros par�metros sobre o universo, diz algo diferente.

Ou as medidas est�o incorretas ou h� algo de errado na maneira como pensamos que nosso universo funciona.

(foto: ALLAN MORTON/DENNIS MILON/SCIENCE PHOTO LIBRARY)
(foto: ALLAN MORTON/DENNIS MILON/SCIENCE PHOTO LIBRARY)

Mas os cientistas acreditam que agora est�o mais perto de encontrar uma resposta, gra�as em grande parte a novos experimentos e observa��es destinadas a descobrir o que � exatamente a constante de Hubble.

"O que enfrentamos como cosmologistas � um desafio de engenharia: como medimos essa quantidade da forma mais precisa e exata poss�vel?", afirma Rachael Beaton, astr�noma que trabalha na Universidade de Princeton, nos EUA.

Para enfrentar este desafio, diz ela, n�o s� � preciso obter os dados para poder medir, como tamb�m verificar as medidas de todas as maneiras poss�veis.

"Da minha perspectiva como cientista, isso � mais como montar um quebra-cabe�a do que estar dentro de um mist�rio no estilo Agatha Christie."

A primeira medi��o da constante de Hubble, feita em 1929 pelo astr�nomo Edwin Hubble, que deu nome a ela, foi de 500 km por segundo por megaparsec (km/s/Mpc).

O megaparsec � uma unidade de dist�ncia usada em astronomia equivalente a 3,26 milh�es de anos-luz.

O valor calculado pelo cientista indica que para cada megaparsec mais longe da Terra que voc� olha, as gal�xias que voc� v� est�o se afastando de n�s 500 km/s mais r�pido do que aquelas que est�o a um megaparsec mais perto.

Mais de um s�culo ap�s a primeira estimativa de Hubble da taxa de expans�o c�smica, esse n�mero foi revisto v�rias vezes.

As estimativas de hoje variam entre 67 e 74 km/s/Mpc.

Parte do problema � que a constante de Hubble pode ser diferente dependendo de como � medida.

A maioria das descri��es da discrep�ncia da constante de Hubble diz que h� duas maneiras de medir seu valor.

Uma delas observa a velocidade com que as gal�xias pr�ximas est�o se afastando de n�s, enquanto a segunda usa a radia��o c�smica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em ingl�s) — vest�gios de luz do Big Bang.

Ainda podemos ver essa luz hoje, mas como as partes distantes do universo est�o se afastando de n�s, a luz se estendeu em ondas de r�dio.

Esses sinais de r�dio, descobertos por acidente na d�cada de 1960, nos d�o uma ideia de como era o universo nos tempos mais remotos.

Duas for�as concorrentes, a atra��o da gravidade e a press�o para fora da radia��o, fizeram um cabo de guerra c�smico com o universo em sua inf�ncia.

Isso criou dist�rbios que ainda podem ser vistos na radia��o c�smica de fundo em micro-ondas como pequenas diferen�as de temperatura.

Usando essas perturba��es, � poss�vel medir qu�o r�pido o universo estava se expandindo logo ap�s o Big Bang — e isso pode ser aplicado ao Modelo Padr�o de Cosmologia para deduzir a taxa atual de expans�o.

Este Modelo Padr�o � uma das melhores explica��es que temos de como o Universo come�ou, do que ele � feito e o que vemos ao nosso redor hoje.

Mas h� um problema.

Pequenos distúrbios nos primórdios do universo podem ser vistos em flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas(foto: NASA/JPL/ESA-PLANCK)
Pequenos dist�rbios nos prim�rdios do universo podem ser vistos em flutua��es na radia��o c�smica de fundo em micro-ondas (foto: NASA/JPL/ESA-PLANCK)

Quando os astr�nomos tentam medir a constante de Hubble observando como as gal�xias pr�ximas est�o se afastando de n�s, eles obt�m um valor diferente.

"Se o Modelo [Padr�o] est� correto, ent�o voc� imaginaria que os dois valores, o que voc� mede hoje localmente e o valor que voc� deduz das primeiras observa��es, estariam alinhados", diz Freedman.

"E n�o est�o."

Quando o sat�lite Planck da Ag�ncia Espacial Europeia (ESA, na sigla em ingl�s) mediu as discrep�ncias na CMB, primeiro em 2014 e depois novamente em 2018, o valor obtido para a constante de Hubble foi de 67,4 km/s/Mpc.

Mas esse n�mero � cerca de 9% menor do que o valor que astr�nomos como Freedman mediram ao observar gal�xias pr�ximas.

Outras medi��es da CMB em 2020 usando o Telesc�pio de Cosmologia do Atacama se correlacionam com os dados do sat�lite Planck.

"Isso ajuda a descartar que houve um problema sistem�tico com o Planck a partir de algumas fontes", diz Beaton.

Se as medi��es de CMB estiverem corretas, restam apenas duas possibilidades: ou as t�cnicas usando luz de gal�xias pr�ximas n�o funcionam ou o Modelo Padr�o de Cosmologia precisa ser alterado.

A t�cnica usada por Freedman e seus colegas � baseada em um tipo espec�fico de estrela chamada vari�vel cefeida.

Descobertas h� cerca de 100 anos por uma astr�noma chamada Henrietta Leavitt, essas estrelas mudam seu brilho, pulsando mais fraco ou com mais intensidade ao longo de dias ou semanas.

Leavitt descobriu que quanto mais brilhante a estrela, mais tempo leva para se iluminar, depois escurecer e ent�o brilhar novamente.

Agora, os astr�nomos podem dizer exatamente o qu�o brilhante uma estrela realmente �, estudando esses pulsos de brilho.

Ao medir o qu�o brilhante ela nos parece da Terra e sabendo que a luz diminui em fun��o da dist�ncia, esta t�cnica proporciona uma maneira precisa de medir a dist�ncia at� as estrelas.

Freedman e sua equipe foram os primeiros a usar vari�veis %u200B%u200Bcefeidas em gal�xias vizinhas � nossa para medir a constante de Hubble utilizando dados do Telesc�pio Espacial Hubble.

Em 2001, eles calcularam 72 km/s/Mpc.

Desde ent�o, o valor obtido a partir do estudo de gal�xias locais tem girado em torno do mesmo ponto.

Usando o mesmo tipo de estrela, outra equipe utilizou o Telesc�pio Espacial Hubble em 2019 e chegou a 74 km/s/Mpc.

Apenas alguns meses depois, outro grupo de astrof�sicos usou uma t�cnica diferente envolvendo a luz proveniente de quasares e obteve um valor de 73 km/s/Mpc.

Se essas medidas estiverem corretas, ent�o � poss�vel pensar que o universo poderia crescer mais r�pido do que as teorias do Modelo Padr�o de Cosmologia permitem.

Isso pode significar que esse modelo, e com ele nossa melhor tentativa de descrever a natureza fundamental do universo, precisa ser atualizado.

No momento, n�o d� para responder ao certo. Mas, se for esse o caso, as implica��es podem ser profundas.

"Isso pode nos indicar que est� faltando alguma coisa em nosso Modelo Padr�o", diz Freedman.

"Ainda n�o sabemos por que isso est� acontecendo, mas � uma oportunidade de avan�ar em dire��o a uma descoberta."

Se o Modelo Padr�o estiver errado, uma das primeiras coisas que pode significar � que nossos modelos de do que o universo � feito, as quantidades relativas de mat�ria bari�nica ou "normal", mat�ria escura, energia escura e radia��o, n�o est�o muito certas.

Al�m disso, se o universo est� realmente se expandindo mais r�pido do que pensamos, ele poderia ser muito mais jovem do que os 13,8 bilh�es de anos que atualmente acredita-se que tenha.

Uma explica��o alternativa para a discrep�ncia � que a parte do universo em que vivemos � de alguma forma diferente ou especial em compara��o com o resto do universo, e essa diferen�a est� distorcendo as medidas.

O espelho de 18 segmentos do Telescópio Espacial James Webb vai capturar a luz infravermelha de algumas das primeiras galáxias que se formaram(foto: NASA/DESIREE STOVER)
O espelho de 18 segmentos do Telesc�pio Espacial James Webb vai capturar a luz infravermelha de algumas das primeiras gal�xias que se formaram (foto: NASA/DESIREE STOVER)

"Est� longe de ser uma analogia perfeita, mas voc� pode pensar em como a velocidade ou acelera��o do seu carro muda conforme voc� sobe ou desce uma colina, mesmo se voc� estiver aplicando a mesma press�o no pedal do acelerador", diz Beaton.

"Acho pouco prov�vel que seja a causa principal da discrep�ncia na constante de Hubble que vemos, mas tamb�m acho importante n�o ignorar o trabalho desses resultados."

Mas os astr�nomos acreditam que est�o mais perto de determinar qual � a constante de Hubble e qual das medidas est� correta.

"O que � empolgante � que acredito que realmente vamos resolver isso em um per�odo de tempo bastante curto, seja em um, dois ou tr�s anos", afirma Freedman.

"H� tantas coisas vindo no horizonte e que v�o melhorar a precis�o com que podemos fazer essas medi��es que acho que vamos chegar ao fundo disso."

Uma dessas coisas � o observat�rio espacial Gaia da ESA, que foi lan�ado em 2013 e tem medido as posi��es de cerca de 1 bilh�o de estrelas com alto grau de precis�o.

Os cientistas o est�o usando para calcular as dist�ncias at� as estrelas com uma t�cnica chamada paralaxe.

� medida que este observat�rio espacial orbita ao redor do Sol, seu ponto de vista no espa�o muda, assim como se voc� fechasse um olho e olhasse para um objeto, e depois olhasse com o outro olho, o objeto parece estar em um lugar ligeiramente diferente.

Portanto, ao estudar objetos em diferentes �pocas do ano durante sua �rbita, Gaia permitir� aos cientistas calcular com precis�o a velocidade com que as estrelas est�o se afastando do nosso pr�prio Sistema Solar.

Outro recurso que ajudar� a responder qual � o valor da constante de Hubble � o Telesc�pio Espacial James Webb, que ser� lan�ado no fim de 2021

Ao estudar os comprimentos de onda infravermelhos, permitir� melhores medi��es que n�o ser�o obscurecidas pela poeira existente entre n�s e as estrelas.

No entanto, se descobrirem que a diferen�a na constante de Hubble persiste, ser� a hora de uma nova f�sica.

E embora muitas teorias tenham sido apresentadas para explicar a diferen�a, nenhuma se encaixa perfeitamente com o que vemos ao nosso redor.

Cada teoria poss�vel tem um inconveniente.

Por exemplo, pode ser que houvesse outro tipo de radia��o no in�cio do universo, mas medimos a CMB com tal precis�o que n�o parece prov�vel.

Outra op��o � que a energia escura pode mudar com o tempo.

"Parecia uma linha de estudo promissora a seguir, mas agora existem outras limita��es sobre quanto a energia escura pode mudar em fun��o do tempo", afirma Freedman.

"Teria que ser feito de uma forma realmente artificial e isso n�o parece muito promissor."

Uma alternativa � que havia energia escura presente no universo primitivo que simplesmente desapareceu, mas n�o h� nenhuma raz�o �bvia para que isso acontecesse.

Tudo isso obrigou os cientistas a vislumbrar novas ideias que poderiam explicar o que est� acontecendo.

"As pessoas est�o trabalhando muito, � empolgante", acrescenta Freedman.

"S� porque ningu�m ainda descobriu o que [a explica��o] �, n�o significa que uma boa ideia n�o aparecer�."

Dependendo do que esses novos telesc�pios revelem, Beaton e Freedman podem se ver em meio a um mist�rio digno de um romance de Agatha Christie.

* Abigail Beall � jornalista cient�fica independente e autora do livro "The Art of Urban Astronomy" ("A Arte da Astronomia Urbana", em tradu��o literal).

Leia a vers�o original desta reportagem (em ingl�s) no site BBC Future.


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