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 (por exemplo, densidade de matéria, parâmetros da energia escura).

Tradicionalmente, astrônomos medem H0 por meio de duas estratégias distintas:

  • Abordagem local (escada de distâncias): Construir a partir da paralaxe para Cefeidas ou TRGB (Ponta do Ramo dos Gigantes Vermelhos), depois usar supernovas Tipo Ia, obtendo 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) versus 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 modelo padrão ΛCDM ou sistemáticas não resolvidas em um ou ambos os métodos de medição.

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

2.1 Paralaxe e Calibração

A base da escada local de distâncias 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, oferecendo uma alternativa às Cefeidas.

2.3 Supernovas Tipo Ia

Uma vez que Cefeidas (ou TRGB) em galáxias hospedeiras ancoram as luminosidades de 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) versus 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 em torno de 69–71 km/s/Mpc, um pouco menores que Riess, mas ainda acima dos ~67 baseados no Planck. Assim, embora as medições locais variem um pouco entre si, elas geralmente se agrupam entre 70–74 km/s/Mpc — mais altas que os ~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 primordial altera o H0 inferido.

4. Fontes potenciais da discrepância

4.1 Erros sistemáticos na escada de distâncias?

Uma suspeita é que calibrações de Cefeidas ou fotometria de supernovas possam conter sistemáticas não corrigidas — como efeitos de metalicidade na luminosidade das Cefeidas, 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 das Cefeidas, 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 o ΛCDM deixe passar um fator crucial, por exemplo:

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

O Planck não vê sinais fortes disso, mas aparecem indícios leves em alguns ajustes de modelos estendidos. Nenhum ainda resolve a tensão de forma convincente sem gerar 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 menos provável que um vazio local significativo ou ambiente local expliquem 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 lente forte (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Flutuações de brilho superficial em galáxias elípticas.

Até agora, esses 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 eliminou 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 o Planck em z alto, isso pode indicar nova física (como energia escura inicial). O DESI visa uma medida de distância com ~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 de 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 (H0)

Um H0 ≈ 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 lente gravitacional.

6.2 Se a Escada Local Estiver Correta (H0)

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

  • Energia escura inicial adicional que acelera temporariamente a expansão pré-recombinação, alterando os ângulos dos picos para que a inferência de H0 baseada no Planck seja reduzida.
  • Graus extras relativísticos de liberdade ou nova física do neutrino.
  • Uma quebra na suposição de um universo plano, puramente ΛCDM.

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

6.3 Perspectivas Futuras

A tensão convida a verificações cruzadas robustas. Dados do CMB-S4 ou de distorção cósmica de próxima geração podem verificar se o crescimento da estrutura está alinhado 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 avanço teórico ou uma resolução sistemática pode eventualmente definir 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. Os métodos atuais produzem dois resultados distintos:

  1. A Escada de Distâncias Local (via Cefeidas, TRGB, SNe) normalmente indica H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. Ajustes baseados em ΛCDM do CMB, usando dados do Planck, indicam H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Essa “tensão de Hubble,” com cerca de 5σ de significância, implica ou sistemáticas não reconhecidas em uma das abordagens 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 universo atual 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 universo 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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