Tensão de Hubble: a constante de Hubble e a expansão do Universo podem estar mal medidas

É possível que tenhamos estado a errar nas contas sobre a rapidez com que o Universo se expande. Esta questão esteve durante anos entre as maiores fontes de discórdia da cosmologia, mas pode estar a aproximar-se um ponto em que os especialistas finalmente consigam pôr-se de acordo.

Há vários temas que tiram o sono aos cosmologistas por falta de uma resposta definitiva: a matéria escura, a assimetria matéria–antimatéria, a energia escura ou o destino do Universo a muito longo prazo. Existe ainda outro enigma - sem dizer que seja mais importante do que os anteriores - que continua no arquivo mental do “problema que dá dores de cabeça”: porque é que o Universo não parece expandir-se à mesma velocidade dependendo da forma como o medimos?

Quando os astrónomos observam supernovas relativamente próximas, no nosso “bairro” galáctico, obtêm um determinado valor para essa velocidade. Já quando outros investigadores partem da primeira radiação emitida após o Big Bang - a luz fóssil que ainda preenche o espaço em todas as direcções, também conhecida como fundo difuso cosmológico - e calculam a partir daí, chegam a um número diferente. A diferença (voltaremos a ela) pode parecer pequena, mas para um cientista uma constante que não é constante é um problema sério.

Este desfasamento tem nome: a tensão de Hubble. E há muito que intriga a comunidade científica, porque sugere que pode estar a faltar algo fundamental na nossa compreensão do cosmos. Duas novas investigações apresentam agora uma metodologia alternativa para estimar a expansão do Universo: de acordo com as suas conclusões, o Universo estaria a alongar-se muito mais lentamente do que se pensava. Ambas foram publicadas a 3 de fevereiro, na revista Astronomy & Astrophysics.

Hubble: a constante que não se comporta como constante

Para perceber o que está em causa, é essencial entender o que se chama a constante de Hubble. O nome homenageia o astrónomo Edwin Hubble, que na década de 1920 demonstrou que o Universo está em expansão. Na prática, esta constante quantifica a taxa a que o próprio espaço se dilata. A unidade usada é quilómetros por segundo por megaparsec, ou km/s/Mpc (sendo que 1 megaparsec corresponde a cerca de 3,3 milhões de anos-luz).

O problema surge porque, quando é medida localmente através de supernovas no nosso entorno galáctico, ou quando é inferida a grande escala com base no fundo difuso cosmológico (a luz fóssil emitida algumas centenas de milhares de anos após o Big Bang) em conjunto com o modelo padrão da cosmologia, o resultado não coincide: 73 km/s/Mpc no primeiro caso, 68 km/s/Mpc no segundo.

Onde nasce a tensão de Hubble: 73 vs 68 km/s/Mpc

Entre estas duas formas de medir existe, portanto, uma diferença de 5 km/s/Mpc. Em termos concretos: se considerarmos duas galáxias separadas por 3,3 milhões de anos-luz, um dos métodos prevê que se afastam entre si 5 km/s mais depressa do que aquilo que o outro método indica. À escala cosmológica, isto é enorme. E, acima de tudo, não deveria acontecer: a constante de Hubble deveria ser precisamente isso - uma constante, isto é, um único valor que descreve como o espaço se expande, em toda a parte e para todos. Se duas abordagens robustas devolvem números diferentes, ou pelo menos uma delas está enviesada, ou ambas estão a falhar alguma peça do puzzle.

Apesar de muitas hipóteses já terem sido exploradas, o impasse nunca foi totalmente desfeito. O que resta então ponderar? Que o modelo padrão do Universo (o modelo ΛCDM), o quadro de referência que nos orienta desde o fim dos anos 1990, pode conter um erro estrutural?

Para justificar porque é que as galáxias não se dispersam simplesmente no vazio, recorreu-se ao conceito de matéria escura. Para explicar porque é que a expansão do Universo acelera, juntou-se a energia escura. Estas duas componentes funcionam como “muletas”: no conjunto, representariam cerca de 95% do conteúdo do Universo e, no entanto, nunca foram detectadas directamente. A sua existência foi aceite porque, sem elas, as equações deixam de bater certo e o modelo ΛCDM torna-se um retrato incompleto do cosmos.

A tensão de Hubble coloca-nos, assim, perante um dilema desconcertante: se mesmo com estas duas “muletas” o modelo não consegue prever uma única constante, talvez seja necessária uma terceira peça - ou então uma das duas está mal formulada. Foi nesse espírito que duas equipas decidiram não assentar a análise nem na via das supernovas nem na do fundo difuso cosmológico, propondo uma terceira abordagem teórica independente dos enviesamentos característicos das duas primeiras.

Erro de medição ou nova constante física? A terceira hipótese

As duas equipas escolheram um tipo de laboratório natural pouco explorado para este problema: dois grupos de galáxias relativamente próximos, o grupo Centaurus A e o grupo M81. Ambos estão “entre” duas influências opostas: por um lado, a gravidade das galáxias vizinhas, que puxa para dentro; por outro, o chamado fluxo cósmico (a combinação entre a expansão do Universo associada à energia escura e a atracção de estruturas longínquas ainda mais massivas), que arrasta o sistema para fora ao esticar o espaço onde tudo está imerso.

Ao modelar esta dinâmica de atracção e repulsão (quem atrai quem e com que intensidade, e a que velocidade cada galáxia se afasta apesar disso), torna-se possível recuperar a taxa de expansão local que, por si só, explica o que é observado. Trata-se de uma estimativa independente, que não depende nem de supernovas nem do fundo difuso cosmológico e que, como já referido, não herda os potenciais enviesamentos de nenhuma dessas cadeias de inferência.

Ao estudar os dois grupos, os investigadores também salientaram algumas particularidades relevantes. No caso de Centaurus A, a galáxia gigante que lhe dá nome não domina o seu meio como se pensava: ela forma um sistema binário com a galáxia M83. Em vez de existir um único centro de gravidade, a massa distribui-se entre estes dois “pesos pesados”, o que coloca em causa cálculos anteriores que assumiam uma influência gravitacional centralizada.

Já o grupo M81 era conhecido pelo seu par central M81–M82, mas os novos dados indicam que a sua região interior está inclinada cerca de 34 ° relativamente ao seu ambiente e que, à escala de dez milhões de anos-luz, o sistema se alinha com uma grande estrutura em “folhas” de matéria que se estende até ao grupo Centaurus A. Ou seja: são dois grupos distintos, mas inseridos na mesma teia de fundo, algo que afecta a forma como se interpretam as suas dinâmicas.

Ao separar a componente gravitacional interna destes grupos do movimento geral de expansão, os investigadores obtiveram um valor próprio para a velocidade a que o espaço se estica. Pelos seus cálculos, a expansão ocorre a 64 km/s/Mpc. Este número não só é inferior aos 73 km/s/Mpc obtidos com supernovas, como fica até abaixo dos 68 km/s/Mpc inferidos a partir da radiação fóssil do Big Bang.

Se este valor se confirmar, estaremos perante uma revisão relevante na cosmologia actual. Até aqui, para lidar com a discrepância entre medições e com a tensão de Hubble, muitos teóricos estavam dispostos a quase tudo para preservar os modelos: procurar falhas na relatividade geral, propor uma energia escura que evolui com o tempo ou apostar em partículas esquivas. A aposta era encontrar uma “nova física” capaz de desbloquear um beco teórico sem saída.

Estas conclusões apontam, em contrapartida, para a ideia de que os “ingredientes” do modelo ΛCDM (matéria normal, matéria escura e energia escura) são suficientes para explicar a taxa de expansão. Se ainda existir discrepância na constante de Hubble, ela estaria, segundo os autores, nas próprias metodologias - e, em particular, em como reconstituímos distâncias e movimentos dos objectos no Universo.

As abordagens tradicionais assentam em cadeias de inferência longas e vulneráveis: no caso das supernovas, é preciso calibrar sucessivos “marcos de distância”, em que cada etapa acrescenta a sua própria margem de erro; no caso do fundo difuso cosmológico, é necessário extrapolar a evolução do Universo desde os seus instantes iniciais com base num modelo teórico, assumindo que esse modelo permanece rigoroso em todas as épocas. Ou seja, estes dois métodos não medem directamente a expansão tal como ela se manifesta hoje: reconstroem-na por caminhos distintos, apoiando-se em hipóteses e passos intermédios que podem enviesar o resultado final.

Não há, portanto, motivo para preocupação caso o Universo esteja efectivamente a expandir-se mais devagar, porque isso não teria qualquer impacto no Sistema Solar e muito menos no nosso planeta. O que está em jogo é uma potencial mudança no enquadramento cosmológico - uma passagem de paradigma cujo maior efeito seria desanuviar uma crise intelectual que parecia insolúvel sem reescrever por completo as leis fundamentais da física. Ainda assim, para se poder declarar a tensão de Hubble definitivamente resolvida, será preciso muito mais do que estes dois estudos. O desafio passa agora por demonstrar que esta hipótese pode ser generalizada ao Universo inteiro, e não apenas aos dois grupos analisados: aquilo que é válido no nosso vizinho cósmico mantém-se à escala cosmológica?