A lente gravitacional da supernova produz um novo valor para a constante de Hubble – Physics World

Um estudo sobre como a luz de uma supernova distante foi objeto de lente gravitacional ao viajar para a Terra foi usado para calcular um novo valor para a constante de Hubble – um parâmetro importante que descreve a expansão do universo. Embora este último resultado não tenha surpreendido os astrónomos, observações semelhantes no futuro poderão ajudar-nos a compreender porque é que diferentes técnicas produziram até agora valores muito diferentes para a constante de Hubble.

O universo tem se expandido desde que foi criado no Big Bang, há 13.7 bilhões de anos. Na década de 1920, o astrônomo americano Edwin Hubble observou que as galáxias mais distantes da Terra parecem estar se afastando da Terra mais rapidamente do que as galáxias mais próximas de nós. Ele fez isso medindo o desvio para o vermelho da luz dessas galáxias – que é o alongamento do comprimento de onda da luz que ocorre quando um objeto se afasta de um observador.

A relação linear entre distância e velocidade que ele mediu é descrita pela constante de Hubble e desde então os astrónomos desenvolveram várias técnicas para medi-la.

Os astrônomos estão intrigados, no entanto, porque diferentes medições forneceram valores muito diferentes para a constante de Hubble. As medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CRB) feitas pelo satélite Planck da Agência Espacial Europeia dão um valor de cerca de 67 km/s/Mpc. No entanto, medições envolvendo observações de supernovas do tipo 1a feitas pela colaboração SH0ES dão um valor de cerca de 73 km/s/Mpc. As incertezas nestas medições são de cerca de 1–2%, pelo que existe uma clara tensão entre as duas técnicas. Os astrónomos querem saber porquê e para descobrir estão a desenvolver novas formas de medir a constante de Hubble.

Agora, os astrónomos mediram a constante de Hubble usando a luz de uma supernova que explodiu há 9.34 mil milhões de anos. No seu caminho para a Terra, a luz passou através de um aglomerado de galáxias e foi desviada pelo imenso campo gravitacional do aglomerado, que focou a luz em direção à Terra. Este efeito é chamado de lente gravitacional.

Distribuição de massa irregular

A distribuição irregular de massa no aglomerado criou um campo gravitacional complexo que enviou a luz da supernova ao longo de vários caminhos diferentes em direção à Terra. Quando a supernova foi observada pela primeira vez em 2014, ela apareceu como quatro pontos de luz. À medida que os quatro pontos desapareciam, um quinto apareceu 376 dias depois. Esta luz foi atrasada pelo caminho mais longo que percorreu através do aglomerado.

Durante esses 376 dias, o Universo expandiu-se, o que significa que o comprimento de onda da luz que chega tardiamente foi desviado para o vermelho. Ao medir esse redshift extra, uma equipe liderada por Patrick Kelly da Universidade de Minnesota conseguiu calcular a constante de Hubble. Usando vários modelos diferentes de distribuição de massa para os clusters, a equipe chegou a valores para a constante de 64.8 km/s/Mpc ou 66.6 km/s/Mpc.

A medição do atraso da supernova parece, à primeira vista, favorecer o valor da constante de Hubble de Planck em relação ao SH0ES. No entanto, medições anteriores de atraso de tempo da luz do quasar observadas pelo H0LiCOW colaboração dão um valor de 73.3 km/s/Mpc – tão próximo de SH0ES.

Embora isto possa parecer confuso, o colega de Kelly Tommaso Treu da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, ressalta que os resultados mais recentes não são surpreendentes.

“Eles não são muito diferentes”, diz ele. “Dentro das incertezas, esta nova medição é consistente com todos os três [Planck, SH0ES e H0LiCOW].”

Sherry Suyu do Instituto Max Planck de Astrofísica na Alemanha, que lidera o projeto H0LiCOW e não esteve envolvido nestas novas medições de atraso de tempo, também não vê necessariamente um paradoxo.

Promessa futura

“Este valor [da supernova] provém de um sistema de lente única e, dadas as suas barras de erro, a medição é estatisticamente consistente com os resultados dos quasares com lentes do H0LiCOW”, diz ela.

A incerteza na medição do atraso da supernova está relacionada com a forma como a massa é distribuída na galáxia – quanta matéria escura e matéria bariónica (normal) está presente e como está espalhada por todo o aglomerado. A equipa de Kelly e Treu utilizou uma variedade de modelos, e as diferenças entre os modelos constituem uma grande parte da incerteza nos seus valores para a constante de Hubble.

Encontrando uma constante consistente

“A precisão das medições da baixa constante de Hubble apresentadas aqui simplesmente não é suficiente para argumentar contra o valor mais elevado de SH0ES”, diz Daniel Morlock do Imperial College, Londres, que também não esteve envolvido na pesquisa.

Ainda assim, Mortlock pensa que este cálculo da constante de Hubble a partir da medição do atraso de tempo de uma supernova é um marco. Até agora, apenas algumas supernovas com lentes foram descobertas, mas nos próximos anos, quando a Observatório Vera C. Rubin no Chile, que possui um telescópio gigante de pesquisa de 8.4 metros, entrar em operação, o número de descobertas de supernovas com lentes deverá aumentar dramaticamente.

Trabalho “adorável”

“No geral, penso que é um belo trabalho fazer esta medição, mas talvez o aspecto mais interessante disto seja a promessa futura, uma vez que pesquisas como a Rubin irão descobrir muitos mais sistemas deste tipo”, diz Mortlock.

Com o aumento do número de supernovas com lentes, haverá maior precisão nas medições da constante de Hubble, o que ajudará a reduzir as barras de erro e a confirmar se estes dados suportam os resultados do Planck ou do SH0ES. Alguns teóricos até sugeriu que a nova física pode ser necessário explicar a tensão de Hubble, assumindo que é real e não um erro sistemático não reconhecido nas observações.

“É claramente necessária mais precisão para contribuir para a resolução da tensão do Hubble,” conclui Treu. “Mas este é um primeiro passo importante.”

A pesquisa é descrita em Ciência.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/gravitational-lensing-of-supernova-yields-new-value-for-hubble-constant/