LUPAS CÓSMICAS PRODUZEM MEDIDA INDEPENDENTE DA EXPANSÃO DO UNIVERSO

NOVA MEDIÇÃO DO HUBBLE REFORÇA DISCREPÂNCIA NA TAXA DE EXPANSÃO DO UNIVERSO

Lupas Cosmicas: As pessoas usam a frase “vaca sagrada” para expressar entusiasmo. Brincando com essa frase, pesquisadores de uma colaboração internacional desenvolveram um acrônimo – H0LiCOW – para o nome do projeto, que expressa a empolgação com as medidas do telescópio espacial Hubble sobre a taxa de expansão do universo.

Conhecer o valor exato da rapidez com que o universo se expande é importante para determinar a idade, tamanho e destino do cosmos. Desvendar esse mistério tem sido um dos maiores desafios da astrofísica nos últimos anos.

Membros da equipe do H0LiCOW (lentes H0 no Wellspring da COSMOGRAIL) usaram o Hubble e uma técnica completamente independente de qualquer método anterior para medir a expansão do universo, um valor chamado constante de Hubble.

Esse valor mais recente representa a medição mais precisa até o momento usando o método de lentes gravitacionais, onde a gravidade de uma galáxia em primeiro plano age como uma lente de aumento gigante, amplificando e distorcendo a luz dos objetos de fundo. Este último estudo não se baseou na técnica tradicional de “escada de distância cósmica” para medir distâncias precisas de galáxias usando vários tipos de estrelas como “marcadores de ponto de milhagem”. Em vez disso, os pesquisadores empregaram a física exótica das lentes gravitacionais para calcular a taxa de expansão do universo.

O resultado dos pesquisadores reforça ainda mais uma discrepância preocupante entre a taxa de expansão calculada a partir de medidas do universo local e a taxa prevista pela radiação de fundo no universo primitivo, um tempo antes da existência de galáxias e estrelas. O novo estudo adiciona evidências à idéia de que novas teorias podem ser necessárias para explicar o que os cientistas estão descobrindo.

Lupas Cósmicas: Mosaico de quasares com lentes gravitacionais

 

Uma equipe de astrônomos usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA mediu a taxa de expansão do universo usando uma técnica que é completamente independente de qualquer método anterior.

Conhecer o valor exato da rapidez com que o universo se expande é importante para determinar a idade, tamanho e destino do cosmos. Desvendar esse mistério tem sido um dos maiores desafios da astrofísica nos últimos anos. O novo estudo adiciona evidências à idéia de que novas teorias podem ser necessárias para explicar o que os cientistas estão descobrindo.

O resultado dos pesquisadores reforça ainda mais uma discrepância preocupante entre a taxa de expansão, chamada constante de Hubble, calculada a partir de medidas do universo local e a taxa prevista pela radiação de fundo no universo primitivo, um tempo antes da existência de galáxias e estrelas.

Esse valor mais recente representa a medição mais precisa até o momento usando o método de lentes gravitacionais, onde a gravidade de uma galáxia em primeiro plano age como uma lente de aumento gigante, amplificando e distorcendo a luz dos objetos de fundo. Este último estudo não se baseou na técnica tradicional de “escada de distância cósmica” para medir distâncias precisas de galáxias usando vários tipos de estrelas como “marcadores de ponto de milhagem”. Em vez disso, os pesquisadores empregaram a física exótica das lentes gravitacionais para calcular a taxa de expansão do universo.

A equipe de astronomia que fez as novas medições constantes do Hubble é apelidada de H0LiCOW (lentes H0 no Wellspring da COSMOGRAIL). COSMOGRAIL é o acrônimo de Monitoramento Cosmológico de Lentes Gravitacionais, um grande projeto internacional cujo objetivo é monitorar lentes gravitacionais. “Wellspring” refere-se ao suprimento abundante de sistemas de lentes quasares.

A equipe de pesquisa derivou o valor de H0LiCOW para a constante Hubble por meio de técnicas de observação e análise que foram bastante refinadas nas últimas duas décadas.

O H0LiCOW e outras medidas recentes sugerem uma taxa de expansão mais rápida no universo local do que o esperado, com base em observações do satélite Planck da Agência Espacial Européia sobre como o cosmos se comportou há mais de 13 bilhões de anos atrás.

O abismo entre os dois valores tem implicações importantes para a compreensão dos parâmetros físicos subjacentes do universo e pode exigir que a nova física seja responsável pela incompatibilidade.

“Se esses resultados não concordarem, pode ser uma dica de que ainda não entendemos completamente como a matéria e a energia evoluíram ao longo do tempo, principalmente nos primeiros tempos”, disse a líder da equipe do H0LiCOW, Sherry Suyu, do Instituto Max Planck de Astrofísica na Alemanha, Universidade Técnica de Munique e Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica em Taipei, Taiwan.

Como eles fizeram isso

A equipe do H0LiCOW usou o Hubble para observar a luz de seis quasares distantes, os brilhantes holofotes de gás orbitando buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Quasares são objetos de plano de fundo ideais por vários motivos; por exemplo, eles são brilhantes, extremamente distantes e espalhados por todo o céu. O telescópio observou como a luz de cada quasar era multiplicada em quatro imagens pela gravidade de uma galáxia massiva em primeiro plano. As galáxias estudadas estão entre 3 e 6,5 bilhões de anos-luz de distância. A distância média dos quasares é de 5,5 bilhões de anos-luz da Terra.

Os raios de luz de cada imagem quasar com lentes seguem um caminho ligeiramente diferente através do espaço para alcançar a Terra. O comprimento do caminho depende da quantidade de matéria que está distorcendo o espaço ao longo da linha de visão até o quasar. Para traçar cada caminho, os astrônomos monitoram a oscilação da luz do quasar enquanto seu buraco negro devora o material. Quando a luz pisca, cada imagem com lente é iluminada em um momento diferente.

Essa sequência trêmula permite que os pesquisadores medam os atrasos entre cada imagem à medida que a luz da lente viaja ao longo de seu caminho para a Terra. Para entender completamente esses atrasos, a equipe primeiro usou o Hubble para fazer mapas precisos da distribuição da matéria em cada galáxia de lentes. Os astrônomos poderiam deduzir com segurança as distâncias da galáxia ao quasar, e da Terra à galáxia e ao quasar do fundo. Ao comparar esses valores de distância, os pesquisadores mediram a taxa de expansão do universo.

“A duração de cada atraso indica a rapidez com que o universo está se expandindo”, disse o membro da equipe Kenneth Wong, do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio, principal autor do artigo mais recente da colaboração H0LiCOW. “Se os atrasos forem mais curtos, o universo estará se expandindo a uma taxa mais rápida. Se eles forem mais longos, a taxa de expansão será mais lenta”.

O processo de atraso de tempo é análogo a quatro trens que saem da mesma estação exatamente no mesmo horário e viajam na mesma velocidade para chegar ao mesmo destino. No entanto, cada um dos trens chega ao destino em um horário diferente. Isso ocorre porque cada trem segue uma rota diferente e a distância para cada rota não é a mesma. Alguns trens viajam por colinas. Outros atravessam vales e outros ainda andam pelas montanhas. A partir dos variados horários de chegada, pode-se inferir que cada trem percorreu uma distância diferente para chegar à mesma parada. Da mesma forma, o padrão de cintilação do quasar não aparece ao mesmo tempo, porque parte da luz é atrasada ao viajar em curvas criadas pela gravidade da matéria densa na galáxia intermediária.

Como ele se compara

Os pesquisadores calcularam um valor constante do Hubble de 73 quilômetros por segundo por megaparsec (com 2,4% de incerteza). Isso significa que, a cada 3,3 milhões de anos-luz adicionais de distância de uma galáxia da Terra, parece estar se movendo 73 quilômetros por segundo mais rápido, devido à expansão do universo.

A medição da equipe também se aproxima do valor constante de Hubble de 74 calculado pela Supernova H0 para a equipe da Equação de Estado (SH0ES), que usou a técnica da escada de distância cósmica. A medição SH0ES baseia-se na medição das distâncias das galáxias próximas e distantes da Terra, usando estrelas variáveis ​​da Cefeida e supernovas como bastões de medição para as galáxias.

Os valores de SH0ES e H0LiCOW diferem significativamente do número de Planck 67, fortalecendo a tensão entre as medidas constantes de Hubble do universo moderno e o valor previsto com base nas observações do universo primitivo.

“Um dos desafios que superamos foi a criação de programas de monitoramento dedicados através do COSMOGRAIL para adiar o tempo de vários desses sistemas de lentes quasares”, disse Frédéric Courbin, da Ecole Polytechnique Federal de Lausanne, líder do projeto COSMOGRAIL.

Suyu acrescentou: “Ao mesmo tempo, novas técnicas de modelagem em massa foram desenvolvidas para medir a distribuição de matéria de uma galáxia, incluindo modelos que projetamos para fazer uso da imagem de alta resolução do Hubble. As imagens nos permitiram reconstruir, por exemplo, os quasares ‘. Essas imagens, juntamente com imagens adicionais de campo mais amplo tiradas de telescópios terrestres, também nos permitem caracterizar o ambiente do sistema de lentes, que afeta a curvatura dos raios de luz. As novas técnicas de modelagem em massa, em combinação com o atrasos no tempo, ajude-nos a medir distâncias precisas das galáxias “.

Iniciada em 2012, a equipe do H0LiCOW agora possui imagens do Hubble e informações de atraso de tempo para 10 quasares com lente e galáxias intervenientes. A equipe continuará a procurar e acompanhar novos quasares com lentes em colaboração com pesquisadores de dois novos programas. Um programa, chamado STRIDES (pesquisa de insights sobre energia escura), procura novos sistemas de quasares com lente. O segundo, chamado SHARP (Programa de lentes fortes em alta resolução angular), usa óptica adaptativa com os telescópios WM Keck para criar imagens dos sistemas de lentes. O objetivo da equipe é observar mais 30 sistemas quasares com lentes para reduzir a incerteza de 2,4% para 1%.

O próximo Telescópio Espacial James Webb da NASA, que deve ser lançado em 2021, pode ajudá-los a atingir seu objetivo de 1% de incerteza muito mais rápido através da capacidade de Webb de mapear as velocidades das estrelas em uma galáxia de lentes, o que permitirá aos astrônomos desenvolver modelos mais precisos do distribuição de matéria escura da galáxia.

O trabalho da equipe do H0LiCOW também abre caminho para o estudo de centenas de quasares com lentes que os astrônomos estão descobrindo através de pesquisas como o Dark Energy Survey e o PanSTARRS (Telescópio Panorâmico de Pesquisa e Sistema de Resposta Rápida), e o próximo grande telescópio de pesquisa sinóptica da National Science Foundation, que deverá descobrir milhares de fontes adicionais.

Além disso, o Wide Field Infrared Survey Telescope da NASA (WFIRST) ajudará os astrônomos a resolver o desacordo no valor constante do Hubble, rastreando a história de expansão do universo. A missão também usará várias técnicas, como amostragem de milhares de supernovas e outros objetos a várias distâncias, para ajudar a determinar se a discrepância é resultado de erros de medição, técnica de observação ou se os astrônomos precisam ajustar a teoria da qual derivam. previsões.

A equipe apresentará seus resultados na 235ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Honolulu, Havaí .

O Telescópio Espacial Hubble é um projeto de cooperação internacional entre a Agência Espacial Européia (ESA) e a NASA. O Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, gerencia o telescópio. O Instituto de Ciências do Telescópio Espacial (STScI), em Baltimore, Maryland, conduz operações científicas do Hubble. O STScI é operado para a NASA pela Associação de Universidades de Pesquisa em Astronomia em Washington, DC

CRÉDITOS:NASA , ESA , SH Suyu (Instituto de Astrofísica Max Planck, Universidade Técnica de Munique e Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica) e KC Wong (Instituto de Física e Matemática do Universo Kavli da Universidade de Tóquio)

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