Wow! Uma nova medida da Constante de Hubble

Título: A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging

Autores: Geoff C.-F. Chen, Christopher D. Fassnacht, Sherry. H. Suyu, et al.

Instituição do primeiro autor: Department of Physics, University of California, Davis

Status: Submetido ao MNRAS; accesso livre no arXiv

 

O universo em expansão… e uma tensão

A taxa de expansão do Universo é governada por um parâmetro chamado de Constante de Hubble (H0), que é medida em unidades de km/s/Mpc (uma explicação sobre esta unidade esquisita encontra-se neste astroponto). H0 é um dos parâmetros cosmológicos mais importantes – ela restringe modelos de evolução do nosso Universo – mas existem duas medidas de H0 que discordam significativamente entre si. O primeiro tipo de medida provém de quando astrônomos olham para o Universo primordial, através do estudo das flutuações de temperatura da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCF) e oscilações acústicas bariônicas (OAB; do inglês Baryonic Acoustic Oscillations), que nos fornecem imagens do Universo de quando ele tinha poucas centenas de milhares de anos. Uma medida recente de H0 por este método foi realizada pelo satélite Planck, com um valor of H0 = 67.27 +/- 0.6 km/s/Mpc . Contudo, astrônomos que olham para o Universo recente, quando ele já possuía bilhões de anos de idade, estão estudando Supernovas do tipo Ia e variáveis do tipo Cefeidas (baseando-se na escada de distância cósmica ), obtendo um valor de H0 = 74.03 +/- 1.42 km/s/Mpc. Estes objetos foram formados muito tempo após a RCF e OAB terem deixado sua assinatura no Universo, o que significa que estes dois valores de H0 são medidos independentemente e então não apresentam uma origem de erro comum.

Astrônomos que olham para o Universo primordial têm medidas de H0 em excelente concordância entre si, e medidas de H0 do Universo recente também apresentam acordo entre si, e já eliminaram várias fontes possíveis de erros sistemáticos também. A discordância entre estas medidas alcançou uma tensão de 4.4σ: as barras de erro de cada tipo de medida facilmente eliminaram a outra! Como consequência disso, surgiu uma grande necessidade de medidaas independentes e diferentes de H0 a fim de explorar tanto fontes desconhecidas de erros sistemáticos como novos modelos físicos. O artigo de hoje fornece uma destas abordagens diferentes.

Uma nova visão SHARP: Óptica adaptativa e o Hubble Space Telescope

Os autores usam uma técnica chamada “cosmografia de tempo de atraso” para obter medidas de distância de uma maneira completamente independente das técnicas previamente descritas. Cosmografia de tempo de atraso pode ser pensada como uma abordagem geométrica para sondar o Universo. Este método funciona através da medição de tempos de atraso, que ocorre quando luz de uma mesma fonte leva diferentes intervalos de tempo para alcançar nossos telescópios pelo fato de seguirem diferentes trajetórias ao redor de uma fonte de lentes. Em outras palavras, medidas do tempo de atraso em si baseiam-se nas lentes gravitacionais fortes (em inglês strong gravitational lensing) de objetos que variam no tempo, como quasares. A colaboração H0LiCOW estuda sistemas de lentes gravitacionais fortes com imagens do Hubble Space Telescope (HST), e utiliza tempos de atraso medidos pelo COSMOGRAIL. Um dos desafios associados com o estudo de sistemas lenteados é a modelagem de lentes gravitacionais. Os autores dizem que novas imagens de observações de óptica adaptativa (AO) podem ter melhor resolução do que os dados utilizados anteriormente pelo HST. Deste modo, eles utilizam dados de AO tomados pelo Observatório Keck, como parte do esforço de AO SHARP. Imagens de três sistemas de quasares lenteados estudados neste artigo são mostrados na Figura 1. (É válido notar que o uso de cosmografia de tempo de atraso significa que nenhuma informação a priori sobre modelos cosmológicos se faz necessária na modelagem das lentes.)

Figura 1: Imagens do AO (fileira de cima) e HST (fileira de baixo) para três sistemas estudados neste artigo. Cada linha horizontal representa uma escala de 1 segundo de arco. A galáxia que funciona como lente está no centro de cada painel, enquanto as imagens lenteadas e arcos pertencem ao quasar e sua galáxia hospedeira (Figura 1 do artigo de hoje)

Cada sistema já possui medidas de tempos de atraso, dispersão de velocidades estelares, e caracterizações ambientais da lente, as quais são necessárias para restringir degenerescências ao ajustar modelos de lente. Os autores descrevem ferramentas estatísticas que utilizam para ajustar modelos de lente sobre os dados, notando que eles realizam uma análise cega a fim de evitar viés de confirmação – uma análise cega impediria que os cientistas favoreçam um resultado sobre outro a despeito dos dados reais. Eles analisam tanto dados AO e AO+HST, e encontram que os resultados de AO estão consistentes com os resultados do HST (que provém dos estudos do Universo mais tardio). O resultado obtido da AO fornece H0 = 75.6 +3.2/-3.3, e o AO+HST fornece H0 = 76.8 +/- 2.6. Figuras 2 e 3 mostram as distribuições de probabilidade a posteriori marginalizadas para AO e AO+HST, respectivamente. (Distribuições de probabilidade a posteriori são explicadas neste astrobite em inglês, e “marginalizada” significa que parâmetros sem importância na análise são integrados para todos os seus valores possíveis na função de distribuição de probabilidade a posteriori)

Figura 2: Distribuições de probabilidade a posteriori do H0 da análise de AO de três sistemas. Cada um dos três sistemas lenteados é representado com uma cor, e a análise conjunta deles três é representada pela linha sólida preta. A linha tracejada cinza mostra o valor recente de H0 do H0LiCOW. No pico de cada distribuição está o valor mais provável de H0. Os valores de H0 e suas respectivas incertezas são mostrados no canto superior esquerdo. (Figura 20 do artigo de hoje)
Figura 3: Figura 3: Distribuições de probabilidade a posteriori do H0 da análise de AO+HST de três sistemas. Cada um dos três sistemas lenteados é representado com uma cor, e a análise conjunta deles três é representada pela linha sólida preta. A linha tracejada cinza mostra o valor recente de H0 do H0LiCOW. No pico de cada distribuição está o valor mais provável de H0. Os valores de H0 e suas respectivas incertezas são mostrados no canto superior esquerdo. (Figura 21 do artigo de hoje)


Neste artigo, os autores evitaram fazer uma investigação compreensiva das implicações cosmológicas deste resultado, e ao invés disso se referem a um artigo companheiro que analisa um total de seis sistemas lenteados. De todo modo, este estudo é exatamente o que se precisa — uma medida independente doH0 que (esperançosamente) lança luz sobre vários valores discordantes de H0 inferidos de diferentes conjuntos de dados. A tensão entre medidas do H0 do Universo primordial e recente parece estar se tornando mais significativa – que momento fascinante para a era de precisão da Cosmologia!

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