Seria a tensão de Hubble uma tensão de temperatura?

Título: H0 tension or T0 tension?

Autores: Mikhail M. Ivanov, Yacine Ali-Haı̈moud e Julien Lesgourges

Instituição do primeiro autor: Center for Cosmology and Particle Physics, Department of Physics, New York University, New York City, USA and Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Status: Subetido ao arXiv [accesso livre]

Um dos maiores problemas em Cosmologia hoje é a chamada tensão de Hubble. Trata-se de uma questão ainda em aberto, onde medidas da Constante de Hubble H₀, que nos diz quão rápido o Universo está se expandindo, não apresentam concordância entre si. Observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCF) feitas pelo satélite Planck sugere um valor de 67.4 ± 0.5 km/s/Mpc, ao passo que observações de distâncias de variáveis do tipo Cefeidas e Supernovas do tipo Ia (Sne Ia) pela colaboração SH0ES sugere um valor mais alto de 73.5 ± 1.4 km/s/Mpc (veja este astroponto sobre medidas de H₀ através dos dados observados). Esta tensão entre duas medidas é um problema para o modelo cosmológico padrão. Neste modelo, ambas as medidas devem coincidir. Se elas não são as mesmas, o modelo padrão talvez precise ser ajustado. Contudo, os autores do artigo de hoje discutem a possibilidade que a tensão de Hubble é causada, na verdade, por um pressuposto prévio em sua medida, em particular a temperatura presumida para a RCF.

A temperatura média da RCF – bem conhecida, mas não medida pelo satélite Planck

O satélite planck mediu as anisotropias de temperatura da RCF. Estas são variações desta radiação relativas à média. Parâmetros cosmológicos, incluindo a Constante de Hubble, influenciam o tamanho observado e magnitudes dessas variações. Elas podem, portanto, serem inferidas através dessas anisotropias. Para obter a Constante de Hubble, um parametro adicional é necessário – a temperatura média T₀ da RCF hoje.

As flutuações originais da RCF são totalmente independentes da T₀. Portanto, nenhuma medida da T₀ foi obtida pela colaboração Planck. Nestes casos, onde a determinação da quantidade depende de outro parâmetro cujo valor não pode ser diretamente determinado, astrônomos usam os chamados “priors”. Os priors são distribuições de probabilidade presumidas dos parâmetros, que incorporam nossos pressupostos e conhecimento pré-existentes sobre eles. Normalmente, o prior corresponde a distribuição de probabilidade do parâmetro obtido por um survey diferente. Através deles, a “posterior”, que trata-se da distribuição de probabilidade dos parâmetros desejados, pode ser estimada.

No caso do Planck, o prior de T₀ foi de T₀ = (2.72548 ± 0.00057) K. Esta medida incrivelmente precisa foi obtida por uma combinação de satélites e balões como o instrumento FIRAS no satélite COBE. Usando este T₀, Planck pode estimar o H₀.

Trocando priors e posteriors

Os autores do artigo de hoje mudam a ordem deste processo. Eles usam o H₀ do SH0ES como o prior do Planck para obter T₀. A distribuição de probabilidade resultante do T₀ é mostrada na curva cinza na Fig 1, junto com os vínculos restritivos do FIRAS sozinho sobre T₀. A T₀ medida dos experimentos combinados do Planck e SH0ES apresenta forte tensão com a medida do FIRAS. Então, ao invés de ter diferentes valores para H₀ em Planck+FIRAS e SH0ES sozinhos, podemos ter valores diferentes de H₀ em Planck+SH0ES e FIRAS sozinhos. Consequentemente, poderia existir não uma tensão de Hubble, mas uma tensão de T₀.

Um árbitro independente: oscilações acústics bariônicas

Para decidirmos entre diferentes medidas de T₀, os autores empregaram um árbitro independente: oscilações acústicas bariônicas (OABs). OABs são flutuações nas densidades de matéria e de galáxias originárias de ondas acústicas formadas no plasma primordial do Universo. Devido a estas flutuações, há um excesso de probabilidade de encontrarmos pares de galáxias separadas por uma distância específica de aproximadamente 150 Mpc, que corresponde a escala do horizonte acústico a qual estas ondas se formavam. Ao medir esta escala em diferentes redshifts, podemos estimar distâncias cosmológicas e portanto estimar H₀ independentemente das medidas do Planck e SH0ES. Os autores usaram H₀ das observações de OABs realizadas pelo survey BOSS, que foram combinadas com dados do Planck para obter uma medida independente de T₀ (curva azul na Fig 1). Este T₀ é consistente com a medida do FIRAS, e encontra-se em tensão com o resultado de Planck + SH0ES. Então, ao que parece, a medida do FIRAS está mais próxima do valor real do que a medida de T₀ proveniente de Planck + SH0ES.

Por que não medir T0 diretamente?

Como mencionado anteriormente, não é possível medir a temperatura da RCF diretamente de suas anisotropias primordiais. Entretanto, os autores mostram como podemos ainda inferir T₀ apenas dos dados de Planck. A abordagem deles baseia-se no fato que a RCF é distorcida ao longo de seu caminho até nós. A distorção pode ser devido a lentes gravitacionais, ou efeito Sachs-Wolfe integrado (iSW). Lentes defletem e magnificam os fótons da RCF, enquanto o efeito iSW fazem os fótons da RCF perderam ou ganharem um pouco de energia ao passarem por potenciais gravitacionais ao longo de um Universo em expansão. Estes efeitos dependem da temperatura da RCF e podem, portanto, serem utilizados para restringir T₀. Desta medida, H₀ pode ser determinado sem nenhum prior externo. O resultado para H₀ é mostrado na Figura 2 como a curva verde. Contudo, os vínculos sobre o valor de T₀ são bastante largos. Portanto, o H₀ medido apenas dos dados de Planck desta forma concordam tanto com o FIRAS quanto a medida do SH0ES. Embora esta abordagem, a princípio, seja razoável para usar uma estimativa de T₀ independente de priors, ela não pode de fato discriminar entre FIRAS e SH0ES.

Então, o que aprendemos desta análise?

Em conclusão, os autores mostraram que a tensão de Hubble pode também ser expressada como tensão na temperatura da RCF T₀. Portanto, ela poderia ser resolvida caso um valor mais alto de T₀ fosse assumido como prior para estimar H₀ dos dados de Planck. Porém, esta explicação parece improvável, pois medidas de OAB dão suporte a um valor mais baixo de T₀. De todo modo, a análise mostrou que a solução para a tensão de Hubble pode não significar uma mudança no modelo cosmológico padrão, mas sim um exame cuidados dos pressupostos e priors que influenciam a medida de H₀.

Adaptado de Is the Hubble Tension actually a Temperature Tension?, escrito por Laila Linke.