Podemos resolver a tensão de Hubble com vazios locais?

Título: The Local Perspective on the Hubble Tension: Local Structure Does Not Impact Measurement of the Hubble Constant

Autores:W. D’Arcy Kenworthy, Dan Scolnic, e Adam Riess

Instituição do primeiro autor: Johns Hopkins University

Status: submetido a The Astrophysical Journal, acesso aberto no arXiv.

Por que tanta tensão?

Sentindo-se tenso ultimamente? O valor da Constante de Hubble também. Este parâmetro, representado por H0, nos diz a taxa de expansão do Universo, que é causada pela misteriosa energia escura. Apesar dos melhores esforços possíveis dos cosmólogos em amenizar o problema, H0 tem sofrido por tensões entre diferentes medidas de longa data. O artigo de hoje utiliza dados mais precisos para recalcular uma das possíveis causas desta tensão.

A Constante de Hubble é o fator de proporcionalidade entre a distância de uma galáxia e a sua velocidade de recessão com relação a nós. Galáxias que estão distantes, portanto, se afastam cada vez mais rápido, como esperado dada a expansão do espaço. Medimos H0 em unidades de km/s/Mpc, o que eu gosto de pensar como um “bug” do mundo das unidades: parece esquisita a primeira vista, mas na verdade faz todo o sentido. Ela quer dizer que, para cada megaparsec (Mpc) distante de nós, as galáxias parecem se afastar a H0 quilômetros por segundo. Agora faz sentido, não?

Existem duas maneiras independentes de medir o H0: a partir da radiação cósmica de fundo (CMB, do inglês Cosmic Microwave Background) ou a partir da escada de distância cósmica (veja a Fig. 1). A primeira medida foi feita mais recentemente pelo satélite Planck. Para mais detalhes, confira este astroponto. Esta medida nos dá um valor de H0 = 67.4 +- 0.5 km/s/Mpc

Figura 1: A escada de distância cósmica. Usamos paralaxes estelar, variáveis do tipo Cefeida e Supernovas do tipo Ia (entre outras) como “degraus” desta escada a fim de medir distâncias até as fontes.

Para a outra medida, podemos simplesmente traçar um gráfico entre a velocidade de cada fonte luminosa (variáveis do tipo Cefeida, Supernovas do tipo Ia e galáxias espirais, por exemplo) como uma função de sua distância com relação a nós. O ajuste de uma reta para esta relação fornece H0 = 73.52 +- 1.62 km/s/Mpc. À primeira vista, não parece nada mal, mas olhando mais de perto, este valor está em desacordo com a medida da CMB de forma estatisticamente significante: 3σ de diferença. Então, isto aponta que há alguma física desconhecida na jogada, ou pelo menos um dos métodos está errado.

Um vazio na escada de distâncias cósmica

Um lugar onde o problema pode estar se escondendo é em como medimos distâncias até as galáxias, o que é conhecido como escada de distâncias cósmicas, mostrada na figura 1. As medidas mais recentes baseiam-se em Supernovas do Tipo Ia, que são velas padrões bem confiáveis. Mas a fim de calibrar estas distâncias, precisamos de velas mais próximas, geralmente variáveis Cefeidas em galáxias locais. Vocês então podem perceber para onde isto vai: para calibrar Cefeidas, precisamos descer a escada ainda mais. Se algum dos degraus está “quebrado”, as medidas mais distantes terão um desvio sistemático.

O artigo de hoje considera o que aconteceria se nossas medidas de distância até galáxias próximas apresentasse desvio. Isto poderia ser o caso se a Via Láctea estivesse no centro de um vazio local (uma região sub-densa de galáxias), também conhecida como bolha de Hubble. Assim, as galáxias ao nosso redor estariam mais atraídas a regiões de mais alta densidade, longe de nós. Esta atração extra tornaria o valor de H0 que medimos localmente mais alto do que seu valor real; corrigindo esse efeito, levaríamos-no mais próximo à medida de CMB.

Uma queda na Constante de Hubble?

Os autores utilizam uma amostra de 1295 Supernovas (SNs) abrangendo um regime de distâncias cosmológicas que permite, então, examinar a estrutura local do Universo com precisão mais alta do que nunca. Eles obtiveram o diagrama de Hubble modificado, conhecido como diagrama magnitude-redshift (Figura 2), de onde calcularam o valor de H0.

Figura 2: O diagrama de Hubble de Supernovas no artigo de hoje. Ao invés do gráfico clássico da velocidade de recessão das galáxias como função da distância, com a inclinação dos pontos nos fornecendo o valor da constante de Hubble, este gráfico utiliza a magnitude como aferidor da distância, e o eixo x é relacionado a velocidade. A constante de Hubble pode ser obtida da interseção no eixo x.

A fim de investigar se um vazio poderia alterar esta medida, eles verificaram como a Constante de Hubble muda com o redshift. Se existir uma queda abrupta no valor de H0, isto poderia sugerir a existência de um vazio com a borda neste redshift. Os autores fizeram isso ao dividir as SNs em dois regimes de redshift, então calculando a diferença entre o valor de H0 acima e abaixo deste redshift.

Livre de vazios

Os resultados desta análise são mostrados na Figura 3. Os autores encontram que a maior discrepância ocorre em redshift z=0.023, mas com significância de apenas 2σ. Isto implica que os vazios típicos da densidade de matéria local não afetam significantemente a medida da constante de Hubble. Todas as diferenças são muito menores do que a discrepância necessária para resolver a tensão com dados da CMB. Logo, estes vaziosnão podem explicar toda esta discrepância.

Figura 3: A mudança no valor da constante de Hubble como função do redshift da suposta borda do vazio. As cruzes vermelhas são modelos de vazio propostos em trabalhos anteriores. Pequenas mudanças desfavorecem a ideia de que o vazio local em qualquer redshift leva a um efeito significante na constante de Hubble. (Figura 6 no artigo)

A fim de verificar se vazios poderiam ainda fazer alguma diferença, o artigo revisa dois modelos anteriores. Eles situam-se em redshifts z=0.05 (KBC) e z=0.07 (WS14), mostrados nas cruzes vermelhas da Figura 3. Eles encontram que, com estas análises atualizadas, a evidência para os vazios desaparecem. As mudanças no H0 em ambos redshifts desfavorecem estes modelos de vazios por 6.2σ e 4.5σ, respectivamente.

Ainda que o paper investigue apenas modelos de vazios simples, com bordas íngremes, ele apresenta forte evidência de que vazios são pouco significantes para as medidas da constante de Hubble. Observações futuras de SNs nos permitirão examinar outros efeitos sistemáticos que podem ser justamente o massagista que precisamos para aliviar a tensão de Hubble.

Original em inglês: Can we a-void the Hubble tension with local voids? por Kate Storey-Fisher

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s