O universo parece estar se expandindo mais rápido do que deveria. E ninguém sabe por quê - e as novas medições de distância ultraprecisas apenas agravaram esse problema.
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em 3 de dezembro, a humanidade de repente teve a informação que queríamos receber desde tempos imemoriais: a distância exata até as estrelas.
"Digite o nome de uma estrela ou sua localização e, em um segundo, você obtém uma resposta", disse Barry Mador , cosmologista da Universidade de Chicago e Observatórios Carnegie, durante uma chamada de vídeo. "Em geral ..." - ele se calou.
“Estamos inundados com esses dados”, disse Wendy Friedman , cosmologista das mesmas universidades e esposa e colega de Mador.
“Você não pode exagerar meu entusiasmo com isso”, disse Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, que ganhou o Prêmio Nobel de 2011 por sua contribuição para a descoberta da energia escura , por telefone . "Deixe-me mudar para o vídeo para mostrar o que me fascinou tanto?" Mudamos para o Zoom para que ele pudesse compartilhar sua tela, onde há belos gráficos que descrevem novos dados sobre a localização das estrelas.
Esses dados foram coletados pela espaçonave GaiaAgência Espacial Europeia. Nos últimos seis anos, ele tem olhado para as estrelas de uma posição de um milhão e meio de quilômetros. O telescópio mediu as paralaxes de 1,3 bilhão de estrelas - pequenas mudanças nas posições aparentes das estrelas que revelam a distância a elas. “A paralaxe de Gaia é a medição de distância mais precisa de todos os tempos”, disse Joe Bovey , astrofísico da Universidade de Toronto.
E o que é mais agradável para cosmologistas, o novo catálogo de Gaia inclui estrelas especiais, cujas distâncias servem de padrão para todas as outras distâncias mais distantes. Portanto, os novos dados exacerbaram instantaneamente o maior problema da cosmologia moderna: a expansão inesperadamente rápida do universo, a "tensão de Hubble" [tensão de Hubble].
A tensão é a seguinte: com base nos componentes conhecidos do Universo e nas equações que o governam, verifica-se que ele deve se expandir a uma velocidade de 67 km por segundo por megaparsec - ou seja, com cada megaparsec adicional entre nós e a galáxia, ela deve voar para longe de nós 67 km mais rápido ... No entanto, as medições reais excedem consistentemente este valor. As galáxias estão voando muito rápido. Essa discrepância sugere uma ideia perturbadora de que deve haver algum tipo de fator de aceleração desconhecido para nós no espaço.
“Seria incrivelmente ótimo descobrir uma nova física”, disse Friedman. “Eu secretamente espero que uma descoberta possa ser feita com base nisso. Mas precisamos ter certeza de que estamos certos. Há muito trabalho a ser feito antes de tornar isso explícito. ”
Este trabalho inclui a redução de possíveis fontes de erro nas medições da taxa de expansão. A maior dessas fontes era a distância até as estrelas mais próximas de nós - e essa distância foi refinada por novos dados de paralaxe.
Em um artigo publicado na revista The Astrophysical Journal paperA equipe de Riesz usou os novos dados para refinar a taxa de expansão. Eles conseguiram 73,2 km por segundo por megaparsec, o que está em linha com suas estimativas anteriores, só que agora o erro caiu para 1,8%. Isso apenas reforça a discrepância com a velocidade prevista, 67.
Friedman e Mador estão planejando em breve publicar sua própria medição nova e aprimorada dessa velocidade . Eles também acreditam que os novos dados irão apenas fortalecer, mas não mudar, suas dimensões, que, embora fossem menores que as de Riesz e outros grupos, ainda superavam as previsões.
Desde o lançamento do Gaia em dezembro de 2013, ele lançou dois conjuntos de dados enormes que revolucionaram a compreensão das partes do cosmos mais próximas de nós. No entanto, as medições anteriores de paralaxe de Gaia desapontaram a todos. “Quando analisamos o primeiro lançamento de dados”, em 2016, “sentimos vontade de chorar”, disse Friedman.
Um problema inesperado
Se as paralaxes fossem mais fáceis de medir, a revolução copernicana poderia ter acontecido antes.
No século 16, Copérnico sugeriu que a Terra gira em torno do Sol [tais suposições foram expressas muito antes dele, mas na Europa o sistema geocêntrico foi considerado geralmente aceito ]. No entanto, mesmo assim, os astrônomos sabiam sobre a paralaxe. Se Copérnico estivesse certo e a Terra estivesse se movendo, eles esperavam ver as posições das estrelas no céu mudar - assim como o poste de luz que você vê muda em relação às colinas distantes atrás dele quando você atravessa a rua. O astrônomo Tycho Brahe não detectou tais mudanças e concluiu que a Terra não estava se movendo.
E, no entanto, está se movendo, e as estrelas estão mudando, embora muito pouco, uma vez que estão localizadas muito longe de nós.
Somente em 1838, o astrônomo alemão Friedrich Wilhelm Bessel foi capaz de detectar paralaxe estelar. Medindo o deslocamento angular do sistema estelar 61 Cygnus em relação às estrelas circundantes, Bessel concluiu que ele está localizado a uma distância de 10,3 anos-luz de nós [na expressão figurativa de seus contemporâneos, "pela primeira vez muito, jogado nas profundezas do universo, atingiu o fundo ”/ aprox ... por.]. E suas medições diferiam da verdade por apenas 10% - as novas medições de Gaia dizem que as duas estrelas deste sistema estão localizadas a uma distância de 11,4030 e 11,4026 anos-luz de nós, mais ou menos alguns milésimos.
O System 61 Swan está extremamente perto de nós. As estrelas mais típicas da Via Láctea se movem apenas centésimos de segundo de arco - cem vezes menos do que um pixel em uma câmera telescópica moderna. Para determinar seu movimento, é necessário equipamento ultraestável especializado. Gaia foi projetado especialmente para esse fim, mas quando o telescópio foi ligado, enfrentamos um problema imprevisto.
O telescópio funciona olhando em duas direções ao mesmo tempo e rastreia a diferença angular entre as estrelas em dois campos de visão, explicou Lennart Lindergen , um dos autores do projeto Gaia em 1993, e líder da equipe de análisenovos dados de paralaxe. A medição de paralaxe precisa requer que o ângulo entre os dois campos de visão permaneça constante. Mas no início da missão, os cientistas descobriram que não era esse o caso. O telescópio flexionou levemente ao girar em relação ao Sol, o que causou vibrações em seu movimento que imitavam paralaxe. Pior ainda, essa mudança dependia complexamente da localização dos objetos, sua cor e brilho.
No entanto, conforme os dados foram coletados, os cientistas descobriram que seria mais fácil separar a falsa paralaxe da real. Lindegren e seus colegas conseguiram remover a maior parte da oscilação do telescópio dos novos dados e também derivaram uma fórmula que os pesquisadores podem usar para corrigir mudanças na paralaxe com base na localização, cor e brilho de uma estrela.
Subindo as escadas
Armados com os novos dados, Riess, Friedman e Mador e suas equipes foram capazes de recalcular a taxa de expansão do universo. Em termos gerais, para medir a taxa de expansão, você precisa entender a que distância as galáxias estão distantes de nós e com que rapidez elas se afastam de nós. Medir a velocidade é fácil, mas a distância é difícil.
As medições mais precisas dependem de escadas complexas de distâncias cósmicas". O primeiro passo são as" velas padrão "- as estrelas, dentro e fora de nossa Galáxia com um brilho bem definido, localizadas perto o suficiente de nós para medir sua paralaxe - e esta é a única maneira de medir a distância a um objeto sem se aproximar. Os astrônomos comparam o brilho dessas velas padrão com o brilho das velas mais fracas nas galáxias próximas para calcular a distância. Este é o segundo degrau da escada. Saber a distância até as galáxias escolhidas porque têm explosões raras e brilhantes de supernovas do tipo Ia., os astrônomos podem medir as distâncias relativas às galáxias localizadas ainda mais distantes, onde também existem supernovas do tipo Ia, que já são mais escuras para nós. A relação entre a velocidade dessas galáxias distantes e a distância delas dá a velocidade de expansão do espaço.
Os paralaxes são, portanto, essenciais para todo esse design. “Mude a primeira etapa - as paralaxes - e todas as etapas que se seguem também mudarão”, disse Riess, um dos líderes na abordagem de escada de distância. "Mude a precisão do primeiro passo, a precisão de todo o resto muda."
A equipe de Riesz usou um novo paralaxe Cefeida medido por Gaia - estrelas variáveis pulsantes, escolhidas por eles como suas velas padrão preferidas - para recalibrar sua medição da taxa de expansão do universo.
Os principais rivais de Riess no jogo de escada de distância, Friedman e Mador, começaram a argumentar nos últimos anos que as Cefeidas podem estar escondendo um erro que afeta os degraus superiores da escada. Portanto, sem depender deles, sua equipe combina medições com base em várias velas padrão do conjunto de dados Gaia - Cefeidas, variáveis RR Lyrae, estrelas do topo do galho gigante vermelho, etc. estrelas de carbono .
“Os novos dados de Gaia nos fornecem uma plataforma segura”, disse Mador. Ela e Friedman observaram que os novos dados e sua fórmula de ajuste funcionam bem. Ao usar vários métodos de construção e análise de medidas, os pontos no gráfico, denotando cefeidas e outras estrelas, caem lindamente em linhas retas, quase sem hesitação, falando sobre erros aleatórios.
“Isso mostra que estamos realmente obtendo dados reais”, disse Mador.