Measuring the Hubble Constant: The Tension

Medindo a Constante de Hubble: A Tensão

Discrepâncias entre medições locais e do universo primordial alimentando novas questões cosmológicas

A Importância de H0

A constante de Hubble (H0) define a taxa atual de expansão do universo, tipicamente expressa em unidades de quilômetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Um valor preciso de H0 é crucial na cosmologia porque:

  1. Determina a idade do universo quando extrapolada a partir da expansão.
  2. Calibra a escala de distâncias para outras medições cósmicas.
  3. Ajuda a quebrar degenerações em ajustes de parâmetros cosmológicos (ex.: densidade de matéria, parâmetros da energia escura).

Tradicionalmente, astrônomos medem H0 via duas estratégias distintas:

  • Abordagem local (escada de distâncias): Construindo a partir da paralaxe para Cefeidas ou TRGB (Ponta do Ramo dos Gigantes Vermelhos), depois usando supernovas Tipo Ia, produzindo uma taxa de expansão direta no universo relativamente próximo.
  • Abordagem do universo primordial: Inferir H0 a partir dos dados do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) sob um modelo cosmológico escolhido (ΛCDM), além de oscilações acústicas bariônicas ou outras restrições.

Nos últimos anos, essas duas abordagens produzem valores de H0 significativamente diferentes: uma medição local mais alta (~73–75 km/s/Mpc) vs. uma medição baseada no CMB mais baixa (~67–68 km/s/Mpc). Essa discrepância — chamada de “tensão de Hubble” — sugere ou nova física além do ΛCDM padrão ou sistemáticas não resolvidas em um ou ambos os métodos de medição.

2. Escada de Distâncias Local: Uma Abordagem Passo a Passo

2.1 Paralaxe e Calibração

A base da escada de distâncias local é a paralaxe (trigonométrica) para estrelas relativamente próximas (missão Gaia, paralaxe do HST para Cefeidas, etc.). A paralaxe define a escala absoluta para velas padrão como as variáveis Cefeidas, que possuem uma relação período–luminosidade bem caracterizada.

2.2 Cefeidas e TRGB

  • Variáveis Cefeidas: O degrau chave para calibrar marcadores mais distantes como supernovas Tipo Ia. Freedman e Madore, Riess et al. (equipe SHoES) e outros refinaram as calibrações locais das Cefeidas.
  • Ponta do Ramo dos Gigantes Vermelhos (TRGB): Outra técnica usa a luminosidade dos gigantes vermelhos no início do flash de hélio em populações pobres em metais. A equipe Carnegie–Chicago (Freedman et al.) mediu uma precisão de ~1% em algumas galáxias locais, fornecendo uma alternativa às Cefeidas.

2.3 Supernovas Tipo Ia

Uma vez que as Cefeidas (ou TRGB) em galáxias hospedeiras ancoram as luminosidades das supernovas, é possível medir supernovas a centenas de Mpc. Comparando o brilho aparente da supernova com a luminosidade absoluta derivada, obtemos distâncias. Plotar a velocidade de recessão (a partir do desvio para o vermelho) vs. distância resulta em H0 localmente.

2.4 As Medições Locais

Riess et al. (SHoES) tipicamente encontram H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (com incerteza de ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) encontram valores ~69–71 km/s/Mpc, um pouco menores que Riess, mas ainda acima do ~67 baseado no Planck. Assim, embora as medições locais variem um pouco entre si, elas geralmente se agrupam em torno de 70–74 km/s/Mpc — mais alto que o ~67 do Planck.

3. Abordagem do Universo Primordial (CMB)

3.1 O Modelo ΛCDM e o CMB

As anisotropias do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) medidas pelo WMAP ou Planck, sob um modelo cosmológico padrão ΛCDM, inferem as escalas dos picos acústicos e outros parâmetros. A partir do ajuste do espectro de potência do CMB, obtêm-se Ωb h², Ωc h² e outros parâmetros. Combinando isso com a suposição de planicidade, e com dados de BAO ou outros, obtém-se um H0 derivado.

3.2 A Medição do Planck

Os dados finais da colaboração Planck tipicamente indicam H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (dependendo dos priors exatos), cerca de 5–6σ menor que a medição local do SHoES. Essa diferença, conhecida como tensão de Hubble, tem uma significância de ~5σ, suficiente para sugerir que é improvável ser um acaso.

3.3 Por Que a Discrepância Importa

Se o modelo padrão ΛCDM estiver correto e os dados do Planck forem sistematicamente robustos, então os métodos locais da escada de distâncias devem conter uma sistemática não reconhecida. Alternativamente, se as distâncias locais estiverem corretas, talvez o modelo do universo primordial esteja incompleto — nova física pode estar afetando a expansão cósmica ou alguma espécie relativística adicional ou energia escura precoce altera o H0 inferido.

4. Fontes Potenciais da Discrepância

4.1 Erros Sistemáticos na Escada de Distâncias?

Uma suspeita é que calibrações de Cepheid ou fotometria de supernovas possam conter sistemáticas não corrigidas — como efeitos de metalicidade na luminosidade dos Cepheids, correções de fluxo local ou vieses de seleção. No entanto, a forte consistência interna entre várias equipes reduz a probabilidade de um erro grande. Métodos TRGB também convergem para um H0 moderadamente alto, embora um pouco menor que o dos Cepheids, mas ainda maior que o do Planck.

4.2 Sistemáticas Não Reconhecidas no CMB ou ΛCDM?

Outra possibilidade é que a interpretação do CMB pelo Planck sob ΛCDM perca um fator crucial, por exemplo:

  • Física estendida de neutrinos ou uma espécie relativística extra (Neff).
  • Energia escura precoce próxima à recombinação.
  • Geometria não plana ou energia escura variável no tempo.

Planck não vê sinais fortes disso, mas aparecem indícios leves em alguns ajustes de modelos estendidos. Nenhum ainda resolve convincentemente a tensão sem causar outras anomalias ou aumentar a complexidade.

4.3 Dois Constantes de Hubble Diferentes?

Alguns argumentam que a taxa de expansão em baixo redshift pode diferir da média global se grandes estruturas locais ou inhomogeneidades (a “bolha de Hubble”) existirem, mas dados de múltiplas direções, outras escalas cósmicas e a suposição geral de homogeneidade tornam uma explicação por um vazio local significativo ou ambiente local menos provável para explicar totalmente a tensão.

5. Esforços para Resolver a Tensão

5.1 Métodos Independentes

Pesquisadores testam calibrações locais alternativas:

  • Masers em galáxias megamaser (como NGC 4258) como âncora para distâncias de supernovas.
  • Atrasos temporais de lentes fortes (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Flutuações de brilho superficial em galáxias elípticas.

Até agora, estes geralmente apoiam H0 na faixa dos altos 60 até baixos 70, não convergindo todos para o mesmo valor exato, mas tipicamente acima de 67. Assim, nenhuma rota independente única removeu a tensão.

5.2 Mais Dados do DES, DESI, Euclid

BAO medidos em diferentes redshifts podem reconstruir H(z) para testar se alguma divergência do ΛCDM surge entre z = 1100 (época do CMB) e z = 0. Se os dados mostrarem uma evolução que gere um H0 local mais alto enquanto coincidem com Planck em z alto, isso pode indicar nova física (como energia escura precoce). O DESI visa uma medida de distância de ~1% em múltiplos redshifts, possivelmente esclarecendo o caminho da expansão cósmica.

5.3 Escada de Distância de Próxima Geração

Equipes locais continuam refinando calibrações de paralaxe via dados do Gaia, melhorando os pontos zero dos Cefeidas e rechecando sistemáticas na fotometria de supernovas. Se a tensão persistir com barras de erro menores, o caso para nova física além do ΛCDM se fortalece. Se ela desaparecer, confirmaremos a solidez do ΛCDM.

6. As Implicações para a Cosmologia

6.1 Se o Planck Estiver Correto (H Baixo0)

Um H baixo0 ≈ 67 km/s/Mpc está alinhado com o ΛCDM padrão de z = 1100 até agora. Então, os métodos locais da escada de distâncias devem estar sistematicamente errados, ou habitamos uma região local incomum. Esse cenário indica que a idade do universo é ~13,8 bilhões de anos. As previsões da estrutura em grande escala permanecem consistentes com dados de aglomeração de galáxias, BAOs e lentes.

6.2 Se a Escada Local Estiver Correta (H Alto0)

Se H0 ≈ 73 está correto, então o ajuste padrão ΛCDM ao Planck deve estar incompleto. Podemos precisar de:

  • Energia escura primordial adicional que acelera temporariamente a expansão pré-recombinação, mudando ângulos de pico para que a inferência de H0 baseada no Planck seja reduzida.
  • Graus extras de liberdade relativísticos ou nova física de neutrinos.
  • Uma quebra na suposição de um universo plano, puramente ΛCDM.

Tal nova física pode resolver a tensão ao custo de modelos mais complexos, mas poderia ser testada por outros dados (lente do CMB, restrições ao crescimento da estrutura, nucleossíntese do big bang).

6.3 Perspectivas Futuras

A tensão convida a verificações cruzadas robustas. Dados do CMB-S4 ou de lente cósmica de próxima geração podem verificar se o crescimento da estrutura se alinha com expansões de H0 altas ou baixas. Se a tensão permanecer consistente em ~5σ, sinaliza fortemente que o modelo padrão precisa de revisão. Um grande desenvolvimento teórico ou uma resolução sistemática pode eventualmente finalizar o veredito.

7. Conclusão

Medir a constante de Hubble (H0) está no cerne da cosmologia, ligando observações locais da expansão com o quadro do universo primordial. Métodos atuais produzem dois resultados distintos:

  1. Escada de Distâncias Local (via Cefeidas, TRGB, SNe) tipicamente fornece H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM baseado no CMB, usando dados do Planck, fornece H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Esta “tensão de Hubble,” com cerca de 5σ de significância, implica ou sistemáticas não reconhecidas em uma abordagem ou nova física além do modelo padrão ΛCDM. Melhorias contínuas na calibração de paralaxe (Gaia), ponto zero de supernovas, distâncias por atraso temporal de lentes e BAO em alto desvio para o vermelho estão testando cada hipótese. Se a tensão persistir, pode revelar soluções exóticas (energia escura primordial, neutrinos extras, etc.). Se diminuir, confirmaremos a solidez do ΛCDM.

Qualquer resultado molda profundamente nossa narrativa cósmica. A tensão estimula novas campanhas observacionais (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) e modelos teóricos avançados, demonstrando a natureza dinâmica da cosmologia moderna — onde dados precisos e anomalias persistentes impulsionam nossa busca para unificar o universo primordial e o presente em uma única imagem coerente.

Referências e Leitura Adicional

  1. Riess, A. G., et al. (2016). “Uma determinação de 2,4% do valor local da constante de Hubble.” The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Resultados Planck 2018. VI. Parâmetros cosmológicos.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). “O Programa Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Uma determinação independente da constante de Hubble baseada no topo da ramificação dos gigantes vermelhos.” The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “Tensões entre o universo primordial e o tardio.” Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “Guia dos caçadores da constante de Hubble.” Physics Today, 73, 38.

 

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