UMA SUPERNOVA, CINCO IMAGENS, A TAXA DE EXPANSÃO DO UNIVERSO

A que velocidade o Universo está se expandindo hoje? O número que responde a isso é a constante de Hubble, H0. Duas das principais formas de medi-la — uma “escada” de distâncias até estrelas e galáxias próximas, e o tênue brilho residual do Universo jovem, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas — dão atualmente valores significativamente diferentes. Essa discrepância, a tensão de Hubble, é uma das grandes questões em aberto da cosmologia.

Existe uma terceira via, e ela não depende de nenhuma das duas.

Uma lente cósmica com relógio embutido

Quando um objeto muito massivo — uma galáxia ou um aglomerado inteiro de galáxias — fica na frente de uma fonte distante, sua gravidade curva a luz e pode dividir a fonte em várias imagens. É a lente gravitacional forte. Os raios de luz seguem caminhos de comprimentos diferentes. Se a fonte muda de brilho, as imagens mudam uma depois da outra.

Esses atrasos temporais dependem da massa da lente e das distâncias cósmicas — e portanto de H0. A ideia foi proposta por Refsdal em 1964, com supernovas vistas em várias imagens.

A primeira supernova desse tipo, hoje conhecida como SN Refsdal, foi descoberta em 2014 atrás do aglomerado de galáxias MACS J1149.5+2223. Ela apareceu primeiro como quatro imagens em torno de uma galáxia do aglomerado; uma quinta imagem, prevista pelos modelos, era esperada cerca de um ano depois. Os atrasos medidos incluem um de 376 dias entre duas imagens.

77.000 pixels em vez de alguns pontos

A parte difícil é saber exatamente como a massa do aglomerado está distribuída. Até agora, os modelos usavam apenas as posições das imagens múltiplas de galáxias de fundo. Stefan Schuldt, da Universidade de Turku e da Universidade de Milão, e colegas na Itália, Alemanha, Espanha e Finlândia, foram além.

O modelo deles já incluía 308 galáxias do aglomerado, halos de matéria escura e mais de 100 imagens múltiplas de 17 fontes de fundo. A isso eles acrescentaram a forma e o brilho completos da galáxia que abrigava a supernova: 77.000 pixels do Telescópio Espacial Hubble. É a primeira medição de parâmetros cosmológicos com esse tipo de modelo para um aglomerado de galáxias.

Por segurança, testaram quatro maneiras de ponderar os dados e contaram as diferenças entre elas como uma incerteza adicional.

Uma medição de 3%

• H0 = 65,0 (+2,0 / −1,8) quilômetros por segundo por megaparsec, com o conteúdo de matéria do Universo, Ωm = 0,30, medido ao mesmo tempo.
• A incerteza é de 3,0%: o valor mais preciso já obtido a partir de uma única lente forte, à frente de um resultado de 3,9% obtido com um quasar sob efeito de lente.
• Acrescentar os pixels reduziu a incerteza por um fator de 2,0 em comparação com o mesmo modelo usando apenas as posições das imagens.
• Todas as versões do modelo concordam entre si e com estudos anteriores da SN Refsdal.

O valor concorda com o da radiação cósmica de fundo medida pela missão Planck, e com outra supernova sob efeito de lente, a SN Encore. Ele fica mais distante do valor da escada de distâncias da equipe SH0ES.

A incerteza vinda do modelo de massa é agora comparável à incerteza sobre o atraso mais longo. Em outras palavras, o relógio, e não o mapa, tornou-se o fator limitante.

O que ainda poderia mudar o número

Os autores listam o que seus 3% não incluem. Eles mantiveram fixa a receita de massa do aglomerado para que a comparação com modelos mais antigos fosse justa, por isso os detalhes dessa receita não são contados como incertezas. Um ponto cego conhecido das lentes, a “degenerescência da folha de massa”, é só parcialmente controlado. E se as linhas de visada através de aglomerados de galáxias fossem mais vazias que a média, as lentes de aglomerados subestimariam H0.

O próximo teste está próximo: outra supernova sob efeito de lente, a SN Requiem, deve reaparecer em 2026 ou 2027, cerca de dez anos depois de ter sido vista pela primeira vez. Seu atraso deverá ser medido com muita precisão e, com um modelo como este, poderia dar H0 com margem de poucos por cento. Espera-se que o Observatório Rubin encontre muitas outras supernovas desse tipo.