TRGVs nos dão mais uma medida de H0

Título: The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. An Independent Determination of the Hubble Constant Based on the Tip of the Red Giant Branch

Autores: Wendy L. Freedman, Barry F. Madore, Dylan Hatt, Taylor J. Hoyt, In Sung Jang, et al.

Instituição do primeiro autor: Department of Astronomy & Astrophysics, University of Chicago

Status: Aceito para publicação no The Astrophysical Journal, acesso livre no arxiv

O valor da Constante de Hubble (H0) é difícil de determinar. Porém, é essencial para a nossa compreensão de como o Universo evoluiu, e como continuará a evoluir. H0 relaciona a velocidade com a qual objetos distantes se afastam de nós – devido a expansão do Universo – com o quão distante eles se situam (veja este Astrobite, em inglês para uma explicação detalhada sobre como o H0 tornou-se importante). Medidas de H0 podem ser realizadas usando o Universo primordial, da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCF), e o Universo recente através de medidas de distâncias de estrelas, galáxias e outros objetos.

De acordo com nossa compreensão atual do Universo, esses dois tipos de medidas devem fornecer valores similares de H0. Ao invés disso, temos testemunhado uma divergência crescente (link em inglês da newscience) entre elas que só piorou (ou ficou mais interessante?) com o tempo (veja figura 4, sob alerta de spoiler). Atualmente, medidas do Universo primordial de H0 dependem de observações da RCF realizadas pelo satélite Planck, ao passo que medidas do Universo recente se baseiam em variáveis do tipo Cefeidas e Supernovas do tipo Ia (Sne Ia) A discrepância entre essas medidas primordiais e recentes de H0 podem ser indícios de uma nova física no Universo primordial além do nosso modelo padrão. Mas antes de afirmar isto, precisamos descartar qualquer problema sobre como estas medidas estão sendo realizadas.

No lado do Universo recente, precisamos utilizar outros objetos astronômicos para efetuar as medidas de H0 e então calibrar as distâncias até as velas padrões (objetos cujo brilho é bem entendido), como Sne Ia. Bem recentemente, uma nova medida de H0 foi anunciada, a qual utiliza sistemas de lentes gravitacionais para calibração de distância (veja este Astroponto para um resumo). O artigo discutido neste Astroponto vem do projeto chamado Carnegie-Chicago Hubble Program, que foi estabelecido com o propósito de calibrar Sne Ia usando métodos alternativos. Aqui, os autores usam uma técnica denominada o topo do ramo das gigantes vermelhas (TRGVs; em inglês: tip of the red giant branch)

Um resumo sobre TRGVs

TRGB consistem em estrelas que estão no ponto de pivô de suas evoluções. Estrelas do ramo das gigantes vermelhas (RGV; em inglês: Red Giant Branch) são estrelas que quase queimaram todo o hidrogênio em seus núcleos. O próximo estágio de suas vidas inicia-se quando elas começam a queimar hélio em seus núcleos. Estrelas do TRGV acabaram de começar este estágio de queima de hélio, e podem ser distinguidas pelo seus brilhos e vermelhidões características (veja Figura 1). Estas características padrões das estrelas no TRGV as fazem altamente apropriadas para medir distâncias, uma vez que sabemos o quão brilhante ela deve aparecer no céu a uma certa distância de nós.

Figura 1: Diagrama cor-magnitude do aglomerado globular Messier 55 (M55). O RGV pode ser localizado no canto superior direito. [Créditos: B.J. Mochejska, J. Kaluzny (CAMK), 1m Swope Telescope]

Os autores usam o TRGV no lugar de Cefeidas para calibrar as distâncias para galáxias que hospedam Sne Ia. Estrelas do TRGV apresentam algumas vantagens sobre Cefeidas: elas são muito mais comuns, e podem ser encontradas em regiões menos populosas de suas galáxias hospedeiras, tornando suas identificações mais fácil. Elas também não exigem múltiplas observações para serem reconhecidas. Outra característica útil das estrelas do TRGV é que seus brilhos na banda I não variam significantivamente com a metalicidade (a composição das estrelas), então, objetos do TRGV não diferem muito entre si mesmo que estejam situados em galáxias diferentes.

O que temos?

No futuro próximo, medidas de paralaxe das estrelas do TRGV da Via Láctea obtidas do satélite Gaia será disponibilizada para ancorar as calibrações do TRGV. Por agora, os autores utilizam observações na banda I de TRGVs na Grande Nuvem de Magalhães, bem como medidas de paralaxes de suas análises. Os autores analisam os TRGVs de 18 galáxias hospedeiras de Sne Ia, variando de 7 a 20 Mpc distante de nós, a fim de calibrar as distâncias até elas (veja Figura 2). As amostras deles consistem em galáxias que não foram obscurecidas por poeira e tiverem seus halos observados, ou seja, onde o TRGV foram claramente medidos. As calibrações do TRGV foram então utilizadas com uma amostra maior de Sne a fim de medir a distância até elas.

Figura 2: Nove das dezoito galáxias hospedeiras de Sne Ia cujos TRGVs foram estudados. Os quadrados representam as áreas do halo que foram observados. As áreas tracejadas mostram regiões que foram analisadas. [Figure 1 do artigo]

Finalmente, *rufar dos tambores* os autores apresentam sua medida da Constante de Hubble – 69.9 ± 0.8 ± 1.7 km s-1 Mpc-1 (as duas barras de erro correspondem, respectivamente, ao erro estatístico e sistemático). Este novo resultado é mostrado claramente em um diagrama de Hubble com 18 calibradores TRGVs e 99 Sne Ia do Carnegie Supernova Project (ver Figura 3).

Figura 3: O diagrama de Hubble (a relação entre a distância versus velocidade de afastamento de um objeto) resultante dos calibradores TRGVs e Sne Ia do Carnegie Supernova Project. A inclinação da curva é de onde vem a medida da constante de Hubble. O eixo y do gráfico no topo denota o módulo de distância (uma medida de distância que utiliza a relação entre magnitude absoluta e aparente de um objeto). O eixo y do gráfico de baixo é a diferença entre os pontos e o ajuste aos dados. O eixo x de ambos os gráficos é a quantidade que relaciona o módulo de distância com o redshift (ver Seção 7.1 do artigo) [Figure 10 do artigo]

Este valor situa-se exatamente entre as medidas de H0 da RCF e de Cefeidas-Sne Ia (veja Figura 4). Os autores são cuidadosos para notar que o resultado deles não resolve a discrepância entre os valores de H0, mas reiteram que uma medida nova e independente de H0 do Universo recente mudar o foco desta discussão. O futuro está fervendo com possibilidades: além do Gaia, o James Webb Space Telescope, bem como o LIGO e Virgo, oferecerem outros caminhos para medir distâncias profundamente no espaço, sem contar ainda com as medidas aprimoradas de sistemas de lentes fortes, e das já conhecidas Cefeidas. Resumidamente, esta é uma era muito excitante para a Cosmologia!

Figura 4: Valores medidos de H0 ao longo do tempo, mostrando onde a medida com TRGV situa-se relativa a da RCF e Cefeidas. A estrela vermelha é a medida do artigo sob discussão [Figure 17 do artigo]

Nota do autor: uma outra medida de H0 usando TRGVs foi recentemente publicada no arxiv. Neste caso, os autores obtiveram 72.4 ± 1.9 km s-1 Mpc-1, divergindo do resultado divulgado neste artigo. Portanto, a discussão sobre o valor de H0 permanece em aberto.

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