No dia 3 de Dezembro, a humanidade teve subitamente informações na ponta dos dedos que as pessoas queriam, bem, para sempre: as distâncias precisas até às estrelas.
“Escreve-se o nome de uma estrela ou a sua posição, e em menos de um segundo terá a resposta”, disse Barry Madore, um cosmólogo da Universidade de Chicago e dos Observatórios Carnegie, numa chamada de Zoom na semana passada. “Quero dizer …”. Ele seguiu em frente.
Estória original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos e tendências da investigação em matemática e nas ciências físicas e da vida.
“Estamos a beber de uma mangueira de fogo neste momento”, disse Wendy Freedman, também cosmóloga em Chicago e esposa e colaboradora de Carnegie e Madore.
“Não posso exagerar o quanto estou entusiasmada”, disse Adam Riess da Universidade Johns Hopkins, que ganhou o Prémio Nobel da Física 2011 por co-descobrir a energia negra, num telefonema. “Posso mostrar-vos visualmente o que me entusiasma tanto?” Mudámos para Zoom para que ele pudesse partilhar belas parcelas dos novos dados estelares.
Os dados provêm da nave espacial Gaia da Agência Espacial Europeia, que passou os últimos seis anos a observar as estrelas de um poleiro com 1 milhão de milhas de altura. O telescópio mediu os “paralaxes” de 1,3 mil milhões de estrelas – pequenas deslocações nas posições aparentes das estrelas no céu que revelam as suas distâncias. “As paralaxes de Gaia são de longe as determinações de distância mais precisas e precisas de sempre”, disse Jo Bovy, astrofísico da Universidade de Toronto.
O melhor de todos para cosmólogos, o novo catálogo de Gaia inclui as estrelas especiais cujas distâncias servem como pontos de referência para medir todas as distâncias cosmológicas mais distantes. Devido a isto, os novos dados afiaram rapidamente o maior enigma da cosmologia moderna: a expansão inesperadamente rápida do universo, conhecida como a tensão Hubble.
A tensão é esta: Os ingredientes conhecidos do cosmos e as equações que o governam prevêem que este deverá estar actualmente a expandir-se a uma taxa de 67 quilómetros por segundo por megaparsec, o que significa que devemos ver galáxias a voar para longe de nós 67 quilómetros por segundo mais depressa por cada megaparsec adicional de distância. No entanto, as medidas reais ultrapassam consistentemente a marca. As galáxias estão a recuar demasiado depressa. A discrepância de forma emocionante sugere que algum agente de aceleração desconhecido pode estar em pé no cosmos.
“Seria incrivelmente excitante se houvesse uma nova física”, disse Freedman. “Tenho um segredo no meu coração que espero que exista, que haja uma descoberta a ser feita ali”. Mas queremos ter a certeza de que estamos certos. Há trabalho a fazer antes de o podermos dizer inequivocamente”
Esse trabalho envolve a redução de possíveis fontes de erro nas medições da taxa de expansão cósmica. Uma das maiores fontes dessa incerteza tem sido as distâncias às estrelas-distâncias próximas – que os novos dados de paralaxe aparecem a todos, excepto pregos para baixo.
Num artigo publicado online a 15 de Dezembro e submetido ao The Astrophysical Journal, a equipa da Riess utilizou os novos dados para fixar a taxa de expansão em 73,2 quilómetros por segundo por megaparsec, de acordo com o seu valor anterior, mas agora com uma margem de erro de apenas 1,8 por cento. Isso parece cimentar a discrepância com a taxa prevista de 67,
Freedman e Madore esperam publicar a nova e melhorada medição da taxa de expansão cósmica do seu grupo em Janeiro. Também eles esperam que os novos dados firmem, em vez de mudarem, a sua medição, que tem tendido a aterrar abaixo da de Riess e das de outros grupos, mas ainda mais alta do que a previsão.
Desde que Gaia foi lançada em Dezembro de 2013, lançou dois outros conjuntos de dados maciços que revolucionaram a nossa compreensão do nosso bairro cósmico. No entanto, as medições anteriores da paralaxe de Gaia foram uma desilusão. “Quando olhámos para o primeiro lançamento de dados” em 2016, disse Freedman, “queríamos chorar.”
Um problema imprevisto
Se as paralaxes fossem mais fáceis de medir, a revolução copernicana poderia ter acontecido mais cedo.
Copernicus propôs no século XVI que a Terra girasse em torno do Sol. Mas mesmo nessa altura, os astrónomos sabiam da paralaxe. Se a Terra se moveu, como Copérnico sustentava, então esperavam ver estrelas próximas a deslocarem-se no céu, tal como um poste de luz parece deslocar-se relativamente às colinas de fundo ao atravessar a rua. O astrónomo Tycho Brahe não detectou nenhuma paralaxe estelar e concluiu assim que a Terra não se move.
E ainda assim, e as estrelas mudam – embora mal, porque estão tão longe.
Foi preciso até 1838 para que um astrónomo alemão chamado Friedrich Bessel detectasse a paralaxe estelar. Ao medir o deslocamento angular do sistema estelar 61 Cygni em relação às estrelas circundantes, Bessel concluiu que se encontrava a 10,3 anos-luz de distância. A sua medição diferiu do valor verdadeiro em apenas 10 por cento – as novas medições de Gaia colocam as duas estrelas no sistema a 11,4030 e 11,4026 anos-luz de distância, dando ou tirando uma ou duas milésimas de um ano-luz.
O sistema 61 Cygni está excepcionalmente próximo. As estrelas mais típicas da Via Láctea deslocam-se em apenas dez milésimos de um arco de segundos – apenas centésimos de um pixel numa câmara telescópica moderna. A detecção do movimento requer instrumentos especializados e ultra-estáveis. Gaia foi concebido para o efeito, mas quando foi ligado, o telescópio teve um problema imprevisto.
O telescópio funciona olhando em duas direcções ao mesmo tempo e seguindo as diferenças angulares entre as estrelas nos seus dois campos de visão, explicou Lennart Lindegren, que co-propôs a missão de Gaia em 1993 e liderou a análise dos seus novos dados de paralaxe. Estimativas precisas da paralaxe requerem que o ângulo entre os dois campos de visão se mantenha fixo. Mas no início da missão de Gaia, os cientistas descobriram que ela não o faz. O telescópio flecte ligeiramente ao rodar em relação ao sol, introduzindo uma oscilação nas suas medições que imita a paralaxe. Pior ainda, este paralaxe “compensa” depende de formas complicadas das posições, cores e brilho dos objectos.
No entanto, à medida que os dados foram sendo obtidos, os cientistas de Gaia descobriram que é mais fácil separar a falsa paralaxe do real. Lindegren e colegas conseguiram remover grande parte da oscilação do telescópio dos dados da paralaxe recém-lançada, ao mesmo tempo que conceberam uma fórmula que os investigadores podem utilizar para corrigir as medidas finais da paralaxe dependendo da posição, cor e brilho de uma estrela.
Subindo a Escada
Com os novos dados em mãos, Riess, Freedman e Madore e as suas equipas foram capazes de recalcular a taxa de expansão do universo. Em traços largos, a forma de medir a expansão cósmica é descobrir a que distância estão as galáxias distantes e a que velocidade estão a afastar-se de nós. As medições de velocidade são simples; as distâncias são duras.
As medições mais precisas dependem de intrincadas “escadas de distância cósmica”. O primeiro degrau consiste em estrelas “vela padrão” dentro e à volta da nossa própria galáxia que têm luminosidades bem definidas, e que estão suficientemente próximas para exibir paralaxe – a única forma segura de dizer a que distância estão as coisas sem viajar para lá. Os astrónomos comparam então o brilho destas velas padrão com o das mais fracas das galáxias próximas para deduzir as suas distâncias. Este é o segundo degrau da escada. Conhecer as distâncias destas galáxias, que são escolhidas porque contêm explosões estelares raras e brilhantes chamadas supernovas tipo 1a, permite aos cosmólogos medir as distâncias relativas das galáxias mais distantes que contêm supernovas tipo 1a mais fracas. A relação entre as velocidades destas galáxias distantes e as suas distâncias dá a taxa de expansão cósmica.
Parallaxes são assim cruciais para toda a construção. “Muda-se o primeiro passo – as paralaxes – tudo o que se segue também muda”, disse Riess, que é um dos líderes da abordagem da escada de distância. “Se se alterar a precisão do primeiro degrau, então a precisão de tudo o resto muda”
A equipa de Riess utilizou os novos paralaxes de Gaia de 75 Cefeitos – estrelas pulsantes que são as suas velas padrão preferidas – para recalibrar a sua medição da taxa de expansão cósmica.
Freedman e Madore, os principais rivais de Riess no topo da escada de distância, argumentaram nos últimos anos que os Cefeitos fomentam possíveis erros nos degraus mais altos da escada. Assim, em vez de se apoiarem demasiado neles, a sua equipa está a combinar medidas baseadas em múltiplos tipos de estrelas de vela padrão do conjunto de dados de Gaia, incluindo Cepheids, estrelas de RR Lyrae, estrelas da ponta da banda e as chamadas estrelas de carbono.
“Gaia’s está a proporcionar-nos uma fundação segura”, disse Madore. Embora uma série de trabalhos da equipa de Madore e Freedman não sejam esperados durante algumas semanas, eles notaram que os novos dados de paralaxe e fórmula de correcção parecem funcionar bem. Quando usados com vários métodos de traçar e dissecar as medidas, os pontos de dados que representam os Cefeitos e outras estrelas especiais caem em linha recta, com muito pouco da “dispersão” que indicaria erro aleatório.
“Está a dizer-nos que estamos realmente a olhar para o material real”, disse Madore.
Estória original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos e tendências da investigação em matemática e nas ciências físicas e da vida.
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