Tensão de Hubble: nova medição aponta 64 km/s/Mpc para a constante de Hubble

É possível que tenhamos feito mal as contas sobre a rapidez com que o universo se expande. Esta questão tem sido uma das maiores fontes de discórdia na cosmologia, mas pode estar a aproximar-se um caminho para alinhar posições.

Há temas que deixam os cosmologistas sem dormir por falta de respostas definitivas: a matéria escura, a assimetria matéria-antimatéria, a energia escura ou o destino a muito longo prazo do cosmos. Há ainda outro - sem afirmar que seja mais relevante do que os anteriores - que continua no dossier do “problema que dá dores de cabeça”: porque é que o universo não parece expandir-se à mesma velocidade consoante a forma como o medimos?

Quando os astrónomos observam estrelas em explosão no nosso “bairro” galáctico, obtêm um valor para essa velocidade. Já quando outros recuam até ao primeiro brilho libertado após o Big Bang - a luz fóssil que ainda hoje preenche o espaço em todas as direcções, conhecida como fundo difuso cósmico - e fazem as contas a partir desse ponto de partida, chegam a um número diferente. A discrepância (já lá vamos) pode parecer pequena, mas para um cientista uma constante que não é constante é uma pedra no sapato.

Este desfasamento tem nome: a “tensão de Hubble”. E tem alimentado dúvidas na comunidade científica, porque sugere que poderá estar a faltar uma peça essencial na nossa compreensão do universo. Duas novas investigações propõem agora uma metodologia alternativa para estimar a expansão do universo; segundo os seus resultados, o universo estaria a esticar-se bem mais devagar do que se pensava. Ambos os trabalhos foram publicados a 3 de fevereiro na revista Astronomy & Astrophysics.

Porque a tensão de Hubble continua a incomodar

O ponto central é simples: duas formas consideradas rigorosas de medir a mesma grandeza - a taxa de expansão - acabam por não coincidir. E, quando isso acontece, ou existe viés num dos métodos (ou em ambos), ou então estamos a interpretar mal alguma parte do quadro cosmológico.

Hubble: a constante que faz o que quer

Para perceber o problema, é preciso entender o que se chama constante de Hubble. O nome homenageia o astrónomo Edwin Hubble, que nos anos 1920 mostrou que o universo está em expansão. Esta constante descreve a velocidade a que o próprio espaço se dilata. Expressa-se em quilómetros por segundo por megaparsec, ou km/s/Mpc (sendo 1 megaparsec cerca de 3,3 milhões de anos-luz).

A dificuldade surge porque o valor não é o mesmo consoante o método. Se a constante for estimada localmente, a partir de observações de supernovas relativamente próximas, obtém-se 73 km/s/Mpc. Se, pelo contrário, se usar o fundo difuso cósmico (a luz fóssil emitida algumas centenas de milhares de anos após o Big Bang) em conjunto com o modelo padrão da cosmologia, o resultado é 68 km/s/Mpc.

Isto deixa um intervalo de 5 km/s/Mpc entre as duas abordagens. Em termos práticos: para duas galáxias separadas por 3,3 milhões de anos-luz, um método implica que se afastam uma da outra 5 km/s mais depressa do que o previsto pelo outro. Nessa escala, é uma diferença enorme. E, acima de tudo, não deveria existir: a constante de Hubble deveria ser, precisamente, uma constante - um valor único a descrever a dilatação do espaço, em todo o lado e para qualquer observador. Se dois procedimentos robustos produzem respostas incompatíveis, pelo menos um deles estará enviesado, ou ambos estarão a falhar alguma coisa.

Apesar de inúmeras hipóteses exploradas pelos cosmologistas, a questão nunca ficou definitivamente resolvida. Então, o que está em causa? Será que o modelo padrão do universo (o modelo ΛCDM), o grande “manual de bordo” que tem servido de guia desde o fim dos anos 1990, tem um problema estrutural?

Para explicar porque é que as galáxias não se dispersam no vazio, recorreu-se à matéria escura. Para justificar porque é que a expansão do universo acelera, acrescentou-se a energia escura. São as duas “muletas” do modelo: juntas, corresponderiam a cerca de 95% do conteúdo do universo e, ainda assim, ninguém as detectou directamente. A sua existência foi aceite porque, sem elas, as equações deixam de bater certo e o ΛCDM ficaria como um retrato incompleto do cosmos.

A tensão de Hubble coloca, portanto, um dilema desconcertante: se mesmo com estas duas componentes o modelo não acerta na constante, talvez seja necessária uma terceira “muleta” - ou então uma das duas primeiras está mal definida. Duas equipas optaram por não se apoiar nem nas supernovas nem no fundo difuso cósmico, e avançaram com uma terceira via teórica, desenhada para evitar os enviesamentos típicos das duas abordagens anteriores.

Erro de medição ou nova constante física? A terceira hipótese

Centaurus A e M81 como laboratório para a constante de Hubble

Para atacar o problema por outro ângulo, as duas equipas escolheram um tipo de alvo pouco explorado nesta discussão: dois grupos de galáxias relativamente próximos, o grupo Centaurus A e o grupo M81. Em ambos, as galáxias ficam “entre duas forças”: por um lado, a gravidade das vizinhas que as mantém ligadas; por outro, o fluxo cósmico (a combinação entre a expansão do universo impulsionada pela energia escura e a atracção exercida por estruturas distantes ainda mais massivas), que as puxa para fora ao esticar o espaço onde se inserem.

Ao modelar este equilíbrio de atracção e “repulsão” - que galáxia influencia qual, e a que ritmo cada uma se afasta apesar da gravidade local - torna-se possível inferir a taxa de expansão local que melhor explica o que é observado. Assim obtém-se uma medição independente, que não depende das supernovas nem do fundo difuso cósmico, e que, por isso, não herdaria os seus potenciais vieses, como já foi referido.

Os investigadores encontraram também características relevantes em cada grupo. Em Centaurus A, a galáxia gigante que dá nome ao conjunto afinal não domina o ambiente como se assumia: ela forma um sistema binário com a galáxia M83. Em vez de existir um centro gravitacional único, a massa distribui-se por estes dois “pesos pesados”, o que põe em causa cálculos antigos assentes numa influência centralizada.

No grupo M81, o par central M81–M82 já era conhecido, mas as novas medições indicam que a região interior está inclinada cerca de 34 ° em relação ao exterior. Além disso, à escala de dez milhões de anos-luz, o grupo alinha-se com uma extensa estrutura em “folhas” de matéria que se estende até ao grupo Centaurus A. São, portanto, dois grupos distintos, mas inseridos na mesma malha de grande escala - algo que afecta a forma como as suas dinâmicas devem ser interpretadas.

Uma expansão a 64 km/s/Mpc e o que isso implica para o modelo ΛCDM

Ao separar o efeito gravitacional interno destes grupos do movimento global associado à expansão, os autores extraíram um valor próprio para a rapidez com que o espaço se estica. Pelas suas contas, a expansão corresponde a 64 km/s/Mpc. Este número não só fica abaixo dos 73 km/s/Mpc obtidos com supernovas, como desce também abaixo dos 68 km/s/Mpc derivados da radiação fóssil do Big Bang.

Se este valor se confirmar, trata-se de uma revisão importante para a cosmologia actual. Perante a tensão de Hubble, muitos teóricos estavam dispostos a quase tudo para manter os modelos de pé: procurar fissuras na relatividade geral, imaginar uma energia escura variável, ou apostar em partículas “fantasma”. O objectivo era encontrar uma “nova física” que fosse capaz de desbloquear um impasse teórico que não se conseguia explicar.

As conclusões destes trabalhos apontam, porém, noutra direcção: os “ingredientes” do modelo ΛCDM (matéria comum, matéria escura e energia escura) seriam, por si só, suficientes para justificar a taxa de expansão. Se continuar a existir um desvio na constante de Hubble, isso adviria - segundo os autores - das próprias técnicas de medição, em particular de como reconstituímos distâncias e movimentos dos objectos no universo.

As abordagens clássicas assentam em cadeias de inferência longas e vulneráveis. No caso das supernovas, é necessário calibrar “marcos de distância” uns a partir dos outros, e cada etapa acrescenta a sua margem de erro. No caso do fundo difuso cósmico, é indispensável extrapolar a evolução do universo desde os primeiros instantes com base num modelo teórico, assumindo que esse modelo está correcto em todas as épocas. Ou seja: estes métodos não medem directamente a expansão tal como ocorre hoje; reconstroem-na por caminhos diferentes, apoiados em pressupostos e etapas intermédias que podem enviesar o resultado final.

Por isso, não há motivo para alarme caso o universo esteja mesmo a expandir-se mais devagar: isso não teria qualquer impacto no Sistema Solar, muito menos no nosso pequeno planeta. O que está em causa é, antes, uma possível mudança de enquadramento cosmológico - uma passagem de paradigma cujo principal efeito seria apaziguar uma crise intelectual que parecia não ter solução sem uma revisão completa das leis físicas fundamentais. Ainda assim, para declarar a tensão de Hubble definitivamente resolvida, será necessário muito mais do que estes dois estudos. O desafio, a partir de agora, é demonstrar que esta hipótese se aplica ao universo como um todo, e não apenas aos dois grupos analisados: aquilo que é válido no nosso entorno galáctico também o será à escala cosmológica?