Um dos maiores mistérios cósmicos da atualidade diz respeito à expansão do universo.
Durante o primeiro bilhão de anos da história do nosso universo, a taxa de expansão do universo diminui e as galáxias distantes diminuem em estagnação em relação à nossa era, à medida que a densidade da matéria e a radiação diminuem. No entanto, nos últimos 6 bilhões de anos, as galáxias distantes vêm acelerando sua estagnação, e a taxa de expansão, embora continue diminuindo, não caminha para zero. Duas maneiras diferentes de medir a taxa de expansão fornecem valores conflitantes; A taxa real de expansão permanece controversa.
Dois métodos principais fornecem respostas com poucos erros, mas não são compatíveis.
Levando-nos além dos limites de qualquer observatório anterior, incluindo todos os telescópios terrestres na Terra, bem como o Hubble, o JWST da NASA nos mostrou as galáxias mais distantes do universo já descobertas. Se mapearmos adequadamente as posições 3D das galáxias observadas e medidas, podemos criar um sobrevôo visual pelo universo, como os dados do CEERS do JWST nos permitem fazer aqui. Medir a taxa de expansão é um desafio, pois diferentes métodos produzem resultados diferentes e mutuamente incompatíveis.
Ao traçar a evolução de um sinal de relíquia inicial, medimos uma expansão de 67 km/s/mq.
Podemos olhar aleatoriamente para trás no universo se nossos telescópios permitirem, e o aglomerado de galáxias deve revelar uma escala de distância específica – a escala acústica – que deve evoluir com o tempo de uma certa maneira, assim como os “picos e vales” acústicos no As micro-ondas cósmicas de fundo revelam isso. A escala também. A evolução desta escala, ao longo do tempo, é um vestígio inicial que revela uma baixa taxa de expansão de cerca de 67 km/s/milhões de blocos.
Começando de perto e percebendo que a folga aumenta com a distância, medimos 73 km/s/m por metro quadrado.
Construir a escada da distância cósmica envolve mover-se do nosso sistema solar para as estrelas, para as galáxias próximas, para as galáxias distantes. Cada ‘degrau’ carrega suas próprias incertezas, especialmente os degraus nos quais os diferentes ‘degraus’ da escada se conectam. No entanto, melhorias recentes na escada de distância mostraram o quão forte seus resultados podem ser.
Essa discrepância – a “tensão de Hubble” – é um mistério cósmico recente.
Tensões de medição recentes da escada de distância (vermelho) com dados de sinal inicial do CMB e BAO (azul) mostrados para contraste. É plausível que o método do sinal inicial esteja correto e que haja uma falha fundamental na escada de distância; É plausível que haja um erro de pequena escala influenciando o método do sinal inicial e a escala de distância esteja correta, ou que ambos os grupos estejam corretos e alguma forma de nova física (mostrada acima) seja a culpada. A ideia de que havia uma forma primitiva de energia escura é interessante, mas isso significa que havia mais energia escura nos primeiros tempos, e ela (principalmente) desapareceu desde então.
Muitos esperariam que um erro de nota no lado da “escada de distância” fosse o culpado.
Em 2001, havia muitas fontes diferentes de erro que poderiam influenciar as melhores medições da escada de distância da constante de Hubble, a expansão do universo, para valores significativamente mais altos ou mais baixos. Graças ao trabalho diligente e cuidadoso de muitos, isso não é mais possível, pois os erros foram bastante reduzidos. O novo trabalho do JWST, não mostrado aqui, reduziu os erros relacionados a Cepheid e os erros de luminosidade do período além do mostrado aqui.
Começamos observando estrelas variáveis Cefeidas dentro da Via Láctea.
A estrela variável RS Puppis, com seus ecos de luz brilhando através das nuvens interestelares. As estrelas variáveis vêm em muitas variedades. Uma delas, as variáveis Cepheid, podem ser medidas tanto dentro da nossa galáxia como em galáxias até 50-60 milhões de anos-luz de distância. Isso nos permite extrapolar distâncias de nossa galáxia para galáxias distantes no universo. As estrelas dos ramos RR Lyrae e AGB podem ser usadas de maneira semelhante.
Inferimos suas distâncias exatas por paralaxe.
As estrelas mais próximas da Terra parecerão se mover ciclicamente em relação às estrelas mais distantes, à medida que a Terra se move pelo espaço em órbita ao redor do sol. Antes de criar o modelo heliocêntrico, não procurávamos “mudanças” com uma linha de base de aproximadamente 300.000.000 km em cerca de 6 meses, mas sim uma linha de base de aproximadamente 12.000 km durante uma noite: o diâmetro da Terra conforme ela gira em seu eixo. As distâncias às estrelas eram tão grandes que a primeira vista, com uma linha de base de 300 milhões de km, não foi descoberta até a década de 1830. Hoje, medimos a paralaxe de mais de um bilhão de estrelas com a missão Gaia da Agência Espacial Européia.
Em seguida, medimos as Cefeidas em galáxias próximas bem medidas.
Os dois painéis superiores mostram duas galáxias próximas ricas em bordo: NGC 4258 (à esquerda) e NGC 5584 (à direita), com o campo de visão do JWST adicionado sobre elas. Os painéis inferiores mostram renderizações JWST, com variantes Cepheid selecionadas individualmente destacadas em cada imagem.
Finalmente, medimos supernovas do Tipo Ia dentro e fora dessas galáxias e relacionamos esses “graus” cósmicos.
Até 2019, havia apenas 19 galáxias publicadas que tinham distâncias medidas por estrelas variáveis Cefeidas nas quais também foram observadas supernovas do Tipo Ia. Agora temos medições de distância de estrelas individuais em galáxias que também abrigaram pelo menos uma supernova Tipo Ia em 42 galáxias, 35 das quais têm excelentes imagens do Hubble. Estas 35 galáxias são mostradas aqui.
O erro nas Cefeidas poderia estar influenciando nossa taxa de expansão medida?
Usar a escada de distância cósmica significa juntar diferentes escalas cósmicas, pois sempre se preocupa com a incerteza de onde os diferentes “pistas” da escada se conectam. Como mostrado aqui, agora descemos pelo menos três “lanços” naquela escada, e todo o conjunto de medições concorda entre si surpreendentemente bem.
por Cefeidas medidas em galáxias próximasO JWST investiga essa possibilidade.
Esta galáxia espiral próxima, NGC 4258 (também conhecida como Messier 106), está a cerca de 20 milhões de anos-luz de distância, mas contém muitas Cefeidas conhecidas que são semelhantes às Cefeidas encontradas na Via Láctea. Esta é uma galáxia importante para calibrar a escala de distância cósmica.
relógio da galáxia NGC 4258o JWST não encontrou polarização óptica para Algivides.
Esta imagem mostra muitas estrelas variáveis Cefeidas de diferentes períodos dentro da galáxia próxima NGC 4258: uma galáxia importante para a calibração e distância das Cefeidas. As seis linhas inferiores mostram as mesmas estrelas medidas pelo Hubble (rótulos cinza) e JWST (rótulos roxos) em diferentes comprimentos de onda. A resolução superior nas imagens JWST reduz os erros anteriores do Hubble em grandes quantidades enquanto valida e permanece consistente com os resultados anteriores.
Em vez disso, confirmou e reforçou descobertas anteriores do Telescópio Espacial Hubble.
Esta imagem composta mostra a galáxia espiral barrada NGC 5584 com a brilhante supernova SN 2007af dentro dela. Galáxias próximas com estrelas variáveis Cefeidas identificáveis que abrigaram pelo menos uma supernova do tipo Ia dentro delas são incrivelmente importantes para o método da escada de distância cosmológica para medir o universo em expansão.
Cefeidas em NGC 5584que ela também tinha A (época de 2007) uma supernova do Tipo Iatambém não revelando viés.
Este gráfico mostra a relação entre a quantidade de brilho das estrelas variáveis Cefeidas (eixo y) versus seu período de mudança (eixo x) nas galáxias NGC 5584 (acima) e NGC 4258 (abaixo). Os novos dados JWST são mostrados em vermelho, enquanto os dados antigos do Hubble são mostrados em cinza. Os erros e incertezas desta relação em ambas as galáxias foram bastante reduzidos, principalmente devido à resolução superior do JWST sobre a do Hubble.
o Período de relação de brilhoa principal ferramenta de calibração para Cronologia, agora está mais precisa do que nunca.
Ao permitir uma melhor compreensão das variáveis Cepheid nas galáxias próximas NGC 4258 e NGC 5584, o JWST reduziu ainda mais a incerteza em suas distâncias. Os pontos mais baixos no gráfico mostram uma estimativa da distância para NGC 5584 a partir das taxas de expansão inferidas a partir da escala de distância (lado esquerdo) e o que se espera do método remanescente inicial (lado direito). A incompatibilidade é grande e convincente.
Graças à sua precisão superior, o JWST reduziu quaisquer incertezas aos seus menores valores absolutos.
Velas padrão (esquerda) e réguas padrão (direita) são dois métodos diferentes que os astrônomos usam para medir a expansão do espaço em diferentes tempos/distâncias no passado. Com base em como quantidades como luminosidade ou tamanho angular mudam com a distância, podemos inferir a história da expansão do universo. O uso do método da vela faz parte da escada de distância, resultando em 73 km/s/milhões de blocos. O uso de régua faz parte do método de indicação precoce, rendendo 67 km/s/Mpc. Com os novos dados do JWST, o mistério sobre a taxa de expansão do universo se aprofundou ainda mais.
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