Os astrofísicos realizaram uma nova e poderosa análise que coloca os limites mais precisos até agora na composição e evolução do universo. Com essa análise, batizada de Pantheon+, os cosmólogos se encontram em uma encruzilhada.

O Pantheon+ descobriu de forma convincente que o cosmos é composto por cerca de dois terços de energia escura e um terço de matéria – principalmente na forma de matéria escura – e está se expandindo em ritmo acelerado nos últimos bilhões de anos. No entanto, o Pantheon+ também cimenta uma grande divergência sobre o ritmo dessa expansão que ainda não foi resolvida.

Ao colocar as teorias cosmológicas modernas predominantes, conhecidas como Modelo Padrão da Cosmologia, em bases estatísticas e evidenciais ainda mais firmes, o Pantheon+ fecha ainda mais a porta para estruturas alternativas que explicam a energia escura e a matéria escura. Ambos são alicerces do Modelo Padrão de Cosmologia, mas ainda precisam ser detectados diretamente e estão entre os maiores mistérios do modelo. Seguindo os resultados do Pantheon+, os pesquisadores agora podem buscar testes observacionais mais precisos e aprimorar explicações para o cosmos ostensivo.

"Com esses resultados do Pantheon+, somos capazes de estabelecer as restrições mais precisas sobre a dinâmica e a história do universo até o momento", diz Dillon Brout, Einstein Fellow no Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. “Nós vasculhamos os dados e agora podemos dizer com mais confiança do que nunca como o universo evoluiu ao longo das eras e que as melhores teorias atuais para energia escura e matéria escura se mantêm fortes”.

Brout é o principal autor de uma série de artigos que descrevem a nova análise Pantheon+, publicada em conjunto hoje em uma edição especial do The Astrophysical Journal .

O Pantheon+ é baseado no maior conjunto de dados de seu tipo, compreendendo mais de 1.500 explosões estelares chamadas supernovas do Tipo Ia. Essas explosões brilhantes ocorrem quando estrelas anãs brancas – remanescentes de estrelas como o nosso Sol – acumulam muita massa e sofrem uma reação termonuclear descontrolada.

Como as supernovas do Tipo Ia superam galáxias inteiras, as detonações estelares podem ser vislumbradas a distâncias superiores a 10 bilhões de anos-luz , ou até cerca de três quartos da idade total do universo. Dado que as supernovas brilham com brilhos intrínsecos quase uniformes, os cientistas podem usar o brilho aparente das explosões, que diminui com a distância, juntamente com medições de redshift como marcadores de tempo e espaço.

Essa informação, por sua vez, revela a rapidez com que o universo se expande durante diferentes épocas, que é então usada para testar teorias dos componentes fundamentais do universo.

A descoberta revolucionária em 1998 do crescimento acelerado do universo foi graças a um estudo de supernovas do Tipo Ia dessa maneira. Os cientistas atribuem a expansão a uma energia invisível, portanto apelidada de energia escura, inerente ao próprio tecido do universo. Décadas subsequentes de trabalho continuaram a compilar conjuntos de dados cada vez maiores, revelando supernovas em uma faixa ainda maior de espaço e tempo, e o Pantheon + agora os reuniu na análise estatisticamente mais robusta até o momento.

“De muitas maneiras, esta última análise do Pantheon+ é o culminar de mais de duas décadas de esforços diligentes de observadores e teóricos em todo o mundo para decifrar a essência do cosmos”, diz Adam Riess, um dos vencedores do Prêmio Nobel de 2011 em Física para a descoberta da expansão acelerada do universo e o Bloomberg Distinguished Professor da Johns Hopkins University (JHU) e do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland. Riess também é ex-aluno da Universidade de Harvard, com Ph.D. em astrofísica.

A própria carreira de Brout em cosmologia remonta aos seus anos de graduação na JHU, onde foi ensinado e aconselhado por Riess. Lá Brout trabalhou com o então estudante de Ph.D. e orientador de Riess Dan Scolnic, que agora é professor assistente de física na Duke University e outro co-autor da nova série de artigos.

Vários anos atrás, Scolnic desenvolveu a análise original do Pantheon de aproximadamente 1.000 supernovas.

Agora, Brout e Scolnic e sua nova equipe Pantheon+ adicionaram cerca de 50% mais pontos de dados de supernovas no Pantheon+, juntamente com melhorias nas técnicas de análise e endereçamento de possíveis fontes de erro, o que acabou rendendo o dobro da precisão do Pantheon original.

“Esse salto na qualidade do conjunto de dados e em nossa compreensão da física que o sustenta não teria sido possível sem uma equipe estelar de estudantes e colaboradores trabalhando diligentemente para melhorar todas as facetas da análise”, diz Brout.

Tomando os dados como um todo, a nova análise sustenta que 66,2% do universo se manifesta como energia escura, com os 33,8% restantes sendo uma combinação de matéria escura e matéria.

Para chegar a uma compreensão ainda mais abrangente dos componentes constituintes do universo em diferentes épocas, Brout e colegas combinaram o Pantheon+ com outras medidas fortemente evidenciadas, independentes e complementares da estrutura em larga escala do universo e com medições desde a primeira luz no universo, o fundo cósmico de microondas.

Outro resultado importante do Pantheon+ está relacionado a um dos objetivos primordiais da cosmologia moderna: determinar a taxa de expansão atual do universo, conhecida como constante de Hubble. O agrupamento da amostra Pantheon+ com dados da colaboração SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), liderada por Riess, resulta na medição local mais rigorosa da taxa de expansão atual do universo.

Pantheon+ e SH0ES juntos encontram uma constante de Hubble de 73,4 quilômetros por segundo por megaparsec com apenas 1,3% de incerteza. Dito de outra forma, para cada megaparsec, ou 3,26 milhões de anos-luz, a análise estima que no universo próximo, o próprio espaço está se expandindo a mais de 160.000 milhas por hora.

No entanto, observações de uma época totalmente diferente da história do universo preveem uma história diferente. As medições da luz mais antiga do universo, o fundo cósmico de micro-ondas, quando combinadas com o atual Modelo Padrão de Cosmologia, fixam consistentemente a constante de Hubble a uma taxa significativamente menor do que as observações feitas por supernovas do Tipo Ia e outros marcadores astrofísicos. Essa discrepância considerável entre as duas metodologias foi denominada tensão de Hubble.

Os novos conjuntos de dados Pantheon+ e SH0ES aumentam essa tensão do Hubble. Na verdade, a tensão agora ultrapassou o importante limite de 5 sigma (cerca de uma em um milhão de chances de surgir devido ao acaso) que os físicos usam para distinguir entre possíveis acasos estatísticos e algo que deve ser entendido de acordo. Alcançar esse novo nível estatístico destaca o desafio para teóricos e astrofísicos de tentar explicar a discrepância constante de Hubble.

“Pensamos que seria possível encontrar pistas para uma nova solução para esses problemas em nosso conjunto de dados, mas estamos descobrindo que nossos dados excluem muitas dessas opções e que as profundas discrepâncias permanecem tão teimosas como sempre”, diz Brout. .

Os resultados do Pantheon+ podem ajudar a apontar onde está a solução para a tensão do Hubble. “Muitas teorias recentes começaram a apontar para uma nova física exótica no universo inicial, no entanto, essas teorias não verificadas devem resistir ao processo científico e a tensão do Hubble continua a ser um grande desafio”, diz Brout.

No geral, o Pantheon+ oferece aos cientistas uma retrospectiva abrangente de grande parte da história cósmica. As primeiras e mais distantes supernovas no conjunto de dados brilham a 10,7 bilhões de anos-luz de distância, ou seja, quando o universo tinha aproximadamente um quarto de sua idade atual. Naquela época anterior, a matéria escura e sua gravidade associada mantinham a taxa de expansão do universo sob controle.

Esse estado de coisas mudou drasticamente nos próximos bilhões de anos, à medida que a influência da energia escura sobrepujou a da matéria escura. A energia escura, desde então, lançou o conteúdo do cosmos cada vez mais distante e a uma taxa cada vez maior.

“Com este conjunto de dados combinado do Pantheon+, obtemos uma visão precisa do universo desde o momento em que era dominado pela matéria escura até quando o universo se tornou dominado pela energia escura”, diz Brout. “Este conjunto de dados é uma oportunidade única de ver a energia escura se ativar e impulsionar a evolução do cosmos nas maiores escalas até o presente”.

Estudar essa mudança agora com evidências estatísticas ainda mais fortes levará a novos insights sobre a natureza enigmática da energia escura.

“O Pantheon+ está nos dando nossa melhor chance até hoje de restringir a energia escura , suas origens e sua evolução”, diz Brout.