Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, como determinar a constante Hablo: Tensão

Discrepâncias entre medições locais e do Universo primordial, levantando novas questões cosmológicas

Por que H0 importante

Constante de Hubble (H0) descreve a taxa atual de expansão do Universo, geralmente expressa em quilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Uma estimativa precisa de H0 na cosmologia é muito importante porque:

  1. Indica a idade do Universo, se extrapolarmos a expansão para trás no tempo.
  2. Calibra a escala de distâncias para outras medições cósmicas.
  3. Ajuda a resolver ambiguidades nos parâmetros cosmológicos (ex.: densidade de matéria, parâmetros da energia escura).

Tradicionalmente, os astrónomos medem H0 de duas formas diferentes:

  • Método local (escada de distâncias): Começando pelo paralaxe para Cefeidas ou TRGB (pico dos gigantes vermelhos), depois usando supernovas Tipo I. Assim obtém-se a taxa direta de expansão no Universo relativamente próximo.
  • Método do Universo Primordial: H0 é derivado dos dados da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) segundo um modelo cosmológico escolhido (ΛCDM) e oscilações acústicas bariônicas (BAO) ou outras restrições.

Nos últimos anos, estes dois métodos fornecem valores significativamente diferentes para H0: maior (~73–75 km/s/Mpc) pelo método local e menor (~67–68 km/s/Mpc) pelos cálculos baseados no CMB. Esta discrepância, chamada de «tensão de Hubble», indica ou nova física além do ΛCDM padrão, ou erros sistemáticos ainda não resolvidos em um ou ambos os métodos.

2. Escada Local de Distâncias: Princípio das Etapas

2.1 Paralaxe e Calibração

A base da escada local de distâncias é o paralaxe (trigonométrico) para objetos próximos (missão Gaia, paralaxes HST para Cefeidas, etc.). O paralaxe determina a escala absoluta para objetos padrão como as estrelas variáveis Cefeidas, que têm uma relação bem definida entre período e brilho.

2.2 Cefeidas e TRGB

  • Estrelas Variáveis Cefeidas: Etapa principal na calibração de marcadores distantes, como supernovas Tipo I. Freedman e Madore, Riess et al. (equipa SHoES) e outros melhoraram a calibração local das Cefeidas.
  • Pico dos Gigantes Vermelhos (TRGB): Outro método que utiliza o brilho das estrelas gigantes vermelhas no momento da ignição do hélio (em populações pobres em metais). A equipa Carnegie–Chicago (Freedman et al.) alcançou ~1% de precisão em algumas galáxias locais, oferecendo uma alternativa às Cefeidas.

2.3 Supernovas Tipo I

Quando as Cefeidas (ou TRGB) em galáxias se tornam pontos de ancoragem para determinar o brilho das supernovas, estas podem ser observadas a centenas de Mpc de distância. Comparando o brilho medido da supernova com o brilho absoluto derivado, obtém-se a distância. Combinando o desvio para o vermelho e a distância, é derivado localmente o H0.

2.4 Medições Locais

Riess et al. (SHoES) frequentemente determinam H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (erro ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) encontram ~69–71 km/s/Mpc – um pouco menos que Riess, mas ainda acima dos ~67 do Planck. Assim, embora as medições locais variem um pouco, geralmente se concentram na faixa de 70–74 km/s/Mpc – mais do que os ~67 do Planck.

3. Método do Universo precoce (CMB)

3.1 Modelo ΛCDM e CMB

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), medida pelo WMAP ou Planck, segundo o modelo cosmológico padrão ΛCDM, permite determinar a escala dos picos acústicos e outros parâmetros. A partir do ajuste do espectro de potência do CMB obtêm-se valores de Ωb h², Ωc h² e outros. Combinando-os com a hipótese de planaridade e dados BAO ou outros, deriva-se H0.

3.2 Medição do Planck

Os dados finais da colaboração Planck geralmente indicam H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (dependendo dos métodos), cerca de 5–6σ menor que as medições locais do SHoES. Esta diferença, conhecida como tensão de Hubble, está ao nível de ~5σ, o que indica que dificilmente é um desvio aleatório.

3.3 Por que esta discrepância é importante

Se o modelo padrão ΛCDM estiver correto e os dados do Planck forem confiáveis, então deve haver uma sistemática desconhecida no método local das escadas. Caso contrário, se as distâncias locais estiverem corretas, talvez o modelo do Universo precoce esteja incompleto – nova física poderia afetar a expansão cósmica ou existir partículas relativísticas adicionais ou energia escura precoce que alterem o valor derivado de H0.

4. Possíveis causas do desacordo

4.1 Erros sistemáticos no método das escadas?

Há suspeitas se no calibramento das Cefeidas ou na fotometria das supernovas não ficou algum erro não corrigido – por exemplo, o efeito da metalicidade nas Cefeidas, correção do fluxo local ou viés de seleção. Contudo, o forte acordo entre vários grupos reduz a probabilidade de um erro grande. Métodos TRGB também fornecem um H0 ligeiramente mais alto, mesmo que um pouco inferior ao das Cefeidas, mas ainda assim superior ao resultado do Planck.

4.2 Sistemáticas não resolvidas no CMB ou ΛCDM?

Outra possibilidade – na interpretação do CMB do Planck segundo o ΛCDM falta uma peça importante, por exemplo:

  • Propriedades estendidas dos neutrinos ou partículas relativísticas adicionais (Neff).
  • Energia escura precoce perto da recombinação.
  • Não-curvatura ou energia escura variável no tempo.

O Planck não mostra sinais claros disso, mas alguns modelos estendidos apresentam pequenas indicações. Até agora, nenhuma solução elimina completamente a tensão sem anomalias adicionais ou aumento da complexidade.

4.3 Existem dois valores diferentes para a constante de Hubble?

Alguns sugerem que, no vermelho baixo, a expansão do Universo pode diferir da média global se existirem grandes estruturas locais ou heterogeneidades (chamadas de "bolha de Hubble"). No entanto, medições em várias direções, em outras escalas cósmicas, e o princípio geral da homogeneidade indicam que um vazio local significativo ou ambiente dificilmente explicaria esta tensão.

5. Esforços para Resolver a Tensão

5.1 Métodos Independentes

Os investigadores testam calibrações locais alternativas:

  • Masers em galáxias megamaser (ex.: NGC 4258) como âncora para distâncias de supernovas.
  • Atrasos temporais de lente gravitacional forte (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Flutuações de brilho superficial em galáxias elípticas.

Até agora, esses métodos geralmente indicam H0 valores no intervalo “altos anos 60 – baixos anos 70”, não sempre idênticos, mas geralmente maiores que 67. Portanto, não existe um método independente que elimine completamente a tensão.

5.2 Mais Dados do DES, DESI, Euclid

Medições de BAO em diferentes redshifts permitem reconstruir H(z) e verificar se há desvios do ΛCDM desde z = 1100 (época do CMB) até z = 0. Se as observações indicarem um redshift onde localmente se obtém um H0 maior, coincidindo com Planck em z alto, isso poderia indicar nova física (ex.: energia escura precoce). O DESI visa ~1 % de precisão na medição de distâncias em vários redshifts, ajudando a clarificar a evolução da expansão cósmica.

5.3 Escada de Distâncias de Próxima Geração

As equipas locais continuam a melhorar a calibração das paralaxes usando dados do Gaia, refinam o ponto zero das Cefeidas e revêem os erros sistemáticos da fotometria das supernovas. Se a tensão persistir com erros menores, a possibilidade de nova física além do modelo ΛCDM aumenta. Se a tensão desaparecer – isso confirmará a robustez do ΛCDM.

6. Significado para a Cosmologia

6.1 Se o Planck estiver Correto (H pequeno0)

H pequeno0 ≈ 67 km/s/Mpc está em acordo com o ΛCDM padrão desde z = 1100 até agora. Então os métodos da escada local estariam sistematicamente errados, ou vivemos numa localização incomum. Esse cenário indica uma idade do Universo de ~13,8 mil milhões de anos, e as previsões da estrutura em grande escala concordam com dados de aglomerados de galáxias, BAO e lente gravitacional.

6.2 Se a Escada Local estiver Correta (H grande0)

Se H0 ≈ 73 confirmado, então a explicação do modelo Planck \(\Lambda\)CDM está incompleta. Pode ser necessário:

  • Energia escura precoce adicional, que temporariamente acelerou a expansão até à recombinação e assim alterou os ângulos dos picos, fazendo com que o valor de H0 derivado pelo Planck seja reduzido.
  • Mais graus de liberdade relativísticos ou nova física dos neutrinos.
  • Afastamento da suposição de que o Universo é plano e estritamente descrito apenas pelo \(\Lambda\)CDM.

Esta nova física poderia resolver a tensão, embora exigisse um modelo mais complexo. Pode ser testada com outros dados (lentes KFS, indicadores de crescimento estrutural, nucleossíntese).

6.3 Perspetivas Futuras

A tensão motiva novas verificações cruzadas. Estudos do CMB-S4 ou de gerações superiores de lentes cósmicas podem verificar se o crescimento das estruturas corresponde a um H0 alto ou baixo. Se a tensão permanecer ao nível de ~5σ, será uma forte indicação de que o modelo padrão precisa ser expandido. Avanços teóricos ou erros recentemente descobertos poderão finalmente resolver a questão.

7. Conclusão

A medição da constante de Hubble (H0) é o núcleo da cosmologia, ligando observações locais de expansão com modelos do Universo primordial. Os métodos atuais fornecem dois valores distintos:

  1. Escada local de distâncias (usando Cefeidas, TRGB, supernovas) geralmente indica H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM baseado em KFS, aplicando dados do Planck, fornece H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Esta „Tensão de Hubble“, com um nível de significância de cerca de 5σ, indica erros sistemáticos desconhecidos em algum método ou nova física para além do ΛCDM padrão. Melhorias contínuas em paralaxe (Gaia), pontos zero de supernovas, atrasos temporais de lentes e BAO de alto desvio para o vermelho testam todas as hipóteses. Se a tensão persistir, poderá indicar soluções exóticas (energia escura primordial, neutrinos adicionais, etc.). Se a tensão diminuir, confirmaremos a robustez do ΛCDM.

Qualquer cenário afeta claramente a nossa história cósmica. A tensão impulsiona novas campanhas observacionais (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) e modelos teóricos avançados, destacando a dinâmica da cosmologia moderna – onde dados precisos e discrepâncias persistentes nos levam a tentar unir o Universo primordial e o Universo atual numa imagem abrangente.

Literatura e Leitura Adicional

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Uma Determinação de 2,4% do Valor Local da Constante de Hubble.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Colaboração Planck (2018). „Resultados Planck 2018. VI. Parâmetros cosmológicos.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „O Programa Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Uma Determinação Independente da Constante de Hubble Baseada no Topo da Ramificação dos Gigantes Vermelhos.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Tensões entre o Universo Primordial e o Tardio.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Guia dos Caçadores da Constante de Hubble.“ Physics Today, 73, 38.
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