Astrónomos Usam Lentes Gravitacionais para Medir o Ritmo de Expansão do Universo

Um grupo de astrónomos liderado por Sherry Suyu, do Max Planck Institute for Astrophysics, usou o telescópio espacial Hubble para obter uma estimativa do valor da constante de Hubble — Ho (lê-se H-zero) — com base em observações de 5 lentes gravitacionais. O valor de Ho determina o ritmo de expansão do Universo e é, por isso, uma das constantes cosmológicas mais importantes; tem como unidades: quilómetros por segundo por Megaparsec. A técnica utilizada pela equipa de Suyu é inovadora: utiliza apenas geometria e a Teoria da Relatividade Geral aplicadas às observações de lentes gravitacionais para calcular o valor de Ho. Os resultados estão de acordo com uma estimativa publicada no ano passado por uma equipa liderada por Adam Riess que usou as distâncias às galáxias até algumas centenas de milhões de anos luz calculadas com base em observações de estrelas cefeidas e de supernovas de tipo Ia.

A lente gravitacional HE0435–1223 apresenta 4 imagens de um mesmo quasar. A lente deve-se a uma galáxia mais próxima, visível debilmente entre as 4 imagens do quasar.
Crédito: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

A equipa de Suyu usa lentes gravitacionais criadas pela presença de galáxias relativamente próximas que por acaso estão alinhadas com quasares distantes quando vistos a partir da Terra. A luz de um tal quasar é forçada a percorrer trajectórias distintas quando atravessa o espaço deformado em torno de uma galáxia maciça. Como consequência, a imagem do quasar é replicada em dois ou mais pontos em torno da galáxia e o seu brilho é amplificado, tal e qual numa lente óptica. O leitor pode observar um efeito visualmente semelhante utilizando o fundo de uma garrafa ou a base de um cálice e alinhando-os com uma fonte de luz próxima.

(A massa enorme de uma galáxia deforma o espaço em seu redor e obriga a luz proveniente de um quasar distante a seguir trajectórias ligeiramente diferentes antes de chegar à Terra, funcionando como uma lente gravitacional. Dependendo da geometria da lente, um observador na Terra poderá ver várias réplicas da imagem do quasar e a luz do mesmo pode ser amplificada consideravelmente.
Crédito: ESA/Hubble, NASA)

O efeito de uma lente gravitacional pode ser emulado com alguma fidelidade com o fundo de uma garrafa ou uma base de um cálice.
Fonte: Samantha Scibelli

Ao contrário de uma lente de vidro que é extremamente homogénea e tem superfícies muito perfeitas, uma lente gravitacional deforma o espaço em seu redor de uma forma menos regular, função da distribuição de massa da galáxia. Isto implica que as trajectórias distintas seguidas pela luz do quasar correspondem, em geral, a tempos de viagem distintos. Dito de outra forma, se dois fotões saíssem do quasar num mesmo instante e percorressem trajectórias distintas, os dois chegariam à Terra em instantes diferentes, desfasados no tempo. Ora, os quasares variam frequentemente de brilho permitindo aos astrónomos construir a sua curva de luz (brilho versus tempo) e determinar o desfasamento relativo das várias imagens de um quasar numa lente gravitacional. A “cereja em cima do bolo” consiste no facto de estes desfasamentos dependerem não apenas das trajectórias dos fotões na lente mas também do valor da constante de Hubble. Desta forma, observando os desfasamentos referidos e conhecendo as propriedades da lente gravitacional é possível estimar o valor de Ho.

As curvas a roxo e laranja mostram a variação de brilho ao longo do tempo de duas réplicas de um mesmo quasar vistas através de uma lente gravitacional. As curvas são iguais porque a luz vem do mesmo quasar. No entanto, estão desfasadas alguns dias no tempo porque a luz proveniente de cada réplica percorre um trajecto diferente na lente, correspondendo a um tempo de viagem distinto.
Fonte: https://inspirehep.net/record/1261511/files/figures_lc_sample_ex.png

Os valores para Ho publicados agora pela equipa de Suyu (71.9±2.7) e pela equipa de Riess em 2016 (73.24±1.74) são compatíveis entre si, mesmo com as margens de erro pequenas. Os métodos utilizados pelas duas equipas medem Ho com base em galáxias que observamos num passado recente — a luz que emitem demorou apenas algumas centenas de milhões de anos a fazer a viagem até à Terra. Curiosamente, em 2015, a equipa da missão Planck, da ESA, publicou um valor bem diferente e preciso para a constante (66.93±0.62), incompatível com os dois anteriores. Este último valor é baseado, no entanto, em observações da Radiação Cósmica de Fundo em Microondas (Cosmic Microwave Background ou CMB), uma relíquia de quando o Universo tinha ainda a tenra idade de 300 mil anos. Mais, das três estimativas, apenas a da missão Planck é compatível com o modelo cosmológico mais aceite, o ΛCDM. Este modelo explica, tanto quanto é possível determinar com sucesso, a formação de um Universo semelhante ao nosso com início num Big-Bang e composto por matéria normal, matéria negra e energia negra. A discrepância nos valores de Ho sugere que o Universo está a expandir-se 9% mais rapidamente do que o previsto, mesmo tendo em conta a contribuição da energia negra. A explicação deste fenómeno poderá necessitar de nova física, para lá do ΛCDM.

(Fonte: NASA/ESA)