O Telescópio Espacial James Webb pode resolver um dos mistérios mais profundos da cosmologia
Ilustração de um artista do Telescópio Espacial James Webb totalmente implantado e desdobrado no espaço. Crédito: NASA Photo/UPI/Alamy Stock Photo
Na manhã de Natal de 2021, os astrônomos assistiram sua nova e maior ferramenta decolar com sucesso para o espaço. Agora, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) está totalmente implantado e chegou ao seu destino no espaço profundo, um local tranquilo a 1,5 milhão de quilômetros além da Terra.
Massimo Stiavelli chefia o Escritório da Missão JWST no instituto que aloca tempo de pesquisa no telescópio. Segundo Stiavelli, “todas as áreas da ciência são cobertas” nas propostas que seu grupo aprovou, desde a busca de exoplanetas potencialmente habitáveis, até estudos das primeiras estrelas. No entanto, ele está particularmente esperançoso de que o JWST possa ajudar a resolver uma das maiores controvérsias da astronomia moderna: a disputa sobre a taxa de expansão do universo.
“Se você tentar medir a taxa de expansão atual, bem, há uma variedade de técnicas que as pessoas usam, e elas tendem a obter um certo número”, diz Tommaso Treu, astrofísico da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (EUA). “E acontece que esses números não coincidem.”
As medições da taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble, atualmente se agrupam em torno de dois números: 67 e 73. Cada número é uma expressão da mesma coisa – a taxa, em quilômetros por segundo, de expansão cósmica por megaparsec (1 megaparsec é igual a aproximadamente 3,26 milhões anos-luz) do espaço. Embora aparentemente pequena, a diferença entre esses números é enorme em comparação com o acordo tácito de alta precisão que existe para outras medidas cosmológicas. Simplificando, está faltando algo.
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Os pesquisadores não sabem ao certo como explicar essa discrepância, que eles chamam de tensão de Hubble. Pode ser apenas um erro resultante das diferentes maneiras pelas quais a constante de Hubble está sendo medida. Caso contrário, a tensão pode significar problemas para nossa compreensão atual da física, forçando os teóricos a revisitar (e talvez até descartar) alguns de seus modelos mais queridos.
“A busca para medir a taxa de expansão remonta a cerca de 100 anos”, diz Adam Riess, astrofísico da Universidade Johns Hopkins (EUA). Os cientistas que participam dessa missão se dividem em dois campos principais.
O primeiro grupo reúne dados do universo primitivo. Esses pesquisadores se baseiam na radiação cósmica de fundo, um brilho residual de radiação de aproximadamente 400.000 anos após o Big Bang. Ao fazer medições do fundo cósmico de micro-ondas e extrapolá-las para o presente, usando nossos melhores modelos físicos, os astrônomos deste campo podem chegar a uma estimativa da taxa de expansão do universo hoje. Seus cálculos indicam que a constante de Hubble é em torno de 67.
Mas Riess acrescenta que o JWST não irá melhorar as medições desse tipo de radiação. As microondas do universo primitivo têm comprimentos de onda muito longos para o JWST detectar – já que ele se concentra na luz infravermelha. Em vez disso, o JWST tem o potencial de melhorar os resultados do outro campo (do qual Riess é um membro proeminente): medições locais.
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“Local” é um termo relativo. Aqui, refere-se a medições da constante de Hubble que dependem do cálculo das distâncias de estrelas e galáxias, que podem estar a “apenas” milhões de anos-luz de distância. “Medir distâncias é o que você precisa para medir a constante de Hubble, porque a constante de Hubble descreve como as distâncias mudam ao longo do tempo”, diz Treu.
Os astrônomos encontraram algumas maneiras de medir essas distâncias celestes. A maioria deles depende de “velas padrão”, objetos astronômicos de brilho conhecido. Ao comparar o brilho real e intrínseco de tal objeto com seu brilho aparente através de um telescópio, os observadores podem determinar com segurança sua distância da Terra.
Wendy Freedman, astrônoma da Universidade de Chicago (EUA), usa uma certa classe de estrelas gigantes vermelhas como sua vela padrão preferida. “A física [dessas estrelas] leva a essa luminosidade padrão”, o que as torna indicadores de distância perfeitos, explica Freedman. Usando o Telescópio Espacial Hubble para observar essas gigantes vermelhas, a equipe de Freedman chegou a uma estimativa para a constante de Hubble em 2019: aproximadamente 70.
Esse valor está na extremidade inferior das estimativas locais. (Na verdade, é irritantemente a meio caminho entre os valores padrão adotados por cada campo.) De acordo com Riess, cujo trabalho com velas padrão usa supernovas e estrelas variáveis Cefeidas em vez de gigantes vermelhas, a maioria dos estudos locais produziu valores um pouco mais altos para a constante de Hubble — alguns chegam a 75, com uma média em torno de 73.
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Este é um intervalo muito maior do que as medições feitas pelo grupo do universo primitivo. Da mesma forma, estudos locais tendem a ter maiores “barras de erro” (ou incertezas) do que estudos que usam dados do universo primordial.
É aí que o JWST pode ajudar. Ao observar no espectro infravermelho, será capaz de olhar diretamente através de nuvens de poeira espacial que muitas vezes interferem nas medições do grupo dos astrônomos locais. O Telescópio Espacial Hubble – a ferramenta anterior escolhida pelos astrônomos locais – tem capacidades muito mais modestas para atuar no infravermelho; suas medições infravermelhas são captadas à custa de uma qualidade de imagem inferior. Como explica Riess, o JWST pode fazer as duas coisas: observar em infravermelho e manter imagens de alta resolução.
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O JWST é uma melhoria tecnológica tão grande que, em vez de alterar seus métodos, muitos astrônomos planejam replicar cuidadosamente suas pesquisas anteriores para ver se os resultados mudam. Tanto Riess quanto Freedman receberam tempo de pesquisa no JWST para fazer exatamente isso.
Se seus resultados mudarão ou não, é incerto. É possível que os dados do JWST possam levar os estudos locais a se agruparem em torno de uma estimativa para a constante de Hubble tão baixa quanto a do campo do universo primitivo. Mas isso parece muito improvável: Riess aponta que praticamente nenhum estudo local produziu um resultado tão baixo, assim como nenhum estudo do universo primitivo produziu um resultado tão alto quanto 73.
Então, o que significaria se os estudos locais voltassem a se agrupar em torno de 73, mas desta vez com precisão ainda maior? De acordo com Treu, isso implicaria que a tensão de Hubble é uma discrepância real e não apenas o resultado de um erro de estudo.
Se assim for, acrescenta Treu, isso provavelmente apontaria para algo fundamentalmente ausente em nossa compreensão da física. Como os primeiros estudos do universo dependem de modelos físicos para extrapolar seus dados primordiais para o presente, a falta de física pode ser a razão pela qual esses estudos estão produzindo um número tão baixo quanto 67.
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Que tipo de física está ausente? “Pode ser outro neutrino”, diz Riess. “Pode ser um episódio inicial de energia escura. Ou matéria escura em decomposição. Podem ser campos magnéticos primordiais. Tudo isso foi sugerido como coisas que ajudariam a mitigar ou explicar isso.” Mas Riess aponta que nenhuma delas tem “uma forte segunda linha de evidência” além do fato de que elas poderiam ajudar a explicar a tensão de Hubble.
Da mesma forma, Freedman observa que a maioria dessas ideias acaba “destruindo” outras partes da física, que concordam entre si, em algum lugar ao longo da linha. “Isso acaba sendo muito difícil de resolver – o que não quer dizer que alguém não terá uma ideia brilhante em algum momento”, diz Freedman.
Pode haver um buraco na física. Não há garantia de que o JWST nos ajudará a descobrir como preenchê-lo. Mas, ao fornecer uma visão mais ampla da tensão de Hubble, o JWST pode pelo menos ajudar a confirmar que o buraco está realmente lá.
Daniel Leonard
Daniel Leonard é um fã de ficção científica e jornalista científico freelance cujo trabalho se concentra em física, tecnologia e espaço.
Publicado originalmente no site da Scientific American dos EUA em 25/01/2022.