Roman lança sábado para cartografar mil milhões de galáxias em busca da energia escura

O Telescópio Espacial Roman é lançado este sábado no centro do maior problema de medição em aberto da cosmologia: duas formas independentes de medir a rapidez com que o Universo se expande divergem em 8 por cento. Mede-se a radiação cósmica de fundo — a luz de 380 mil anos após o Big Bang — e a taxa de expansão fica perto dos 67 quilómetros por segundo por megaparsec. Medem-se estrelas Cefeidas e supernovas do tipo Ia nas proximidades e obtém-se cerca de 73. A diferença entre elas tem uma largura de 4 a 6 desvios-padrão. Em física, isto não é um erro de arredondamento. É um sinal de que algo está errado no modelo padrão.

O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, que descola às 7:26 da manhã, hora da Costa Leste dos EUA, do Centro Espacial Kennedy num foguetão Falcon Heavy da SpaceX, é o instrumento mais capaz alguma vez concebido para descobrir o quê. Com um espelho de 2,4 metros — o mesmo diâmetro que o do Hubble — e uma câmara de infravermelhos próximos de 300 megapíxeis que vê uma porção de céu 200 vezes maior que o campo de visão do Hubble, o Roman pode construir os mapas de distribuição de galáxias em grande escala que a atual tensão exige.

A evidência que abalou o modelo padrão

A energia escura foi identificada em 1998, quando duas equipas independentes a medir as distâncias e velocidades de recessão de supernovas do tipo Ia descobriram que as galáxias distantes se afastavam mais depressa do que a expansão a desacelerar sob a ação da gravidade deveria permitir. A observação valeu o Prémio Nobel de 2011 e inseriu um termo — a constante cosmológica Λ — no modelo padrão da cosmologia. Λ postula que a energia escura é constante tanto em densidade como em caráter, uma propriedade fixa do próprio espaço.

Leitura recomendadaDESI não procurava falhas no modelo padrão. Os seus mapas encontraram-nas.

Duas descobertas recentes vieram complicar esse quadro. O Instrumento Espectroscópico para a Energia Escura (DESI) divulgou resultados que mostram que as oscilações acústicas dos bariões — padrões periódicos de densidade congelados na teia cósmica desde 380 mil anos após o Big Bang — se ajustam melhor aos dados se a intensidade da energia escura tiver mudado ao longo do tempo. A descoberta não prova variação; é uma pista, e o caso estatístico ainda não é conclusivo. Mas é o desafio empírico mais significativo a Λ desde o Nobel.

A tensão de Hubble acrescenta um segundo ponto de pressão. Se o modelo padrão estiver correto, tanto as medições do Universo primitivo como as locais deveriam convergir para a mesma taxa de expansão. Não convergem. A análise mais recente, que usa Cefeidas calibradas pelo JWST, confirma o valor local perto de 73 km/s/Mpc. O valor derivado da radiação cósmica de fundo mantém-se perto de 67. A discrepância não diminuiu com mais dados — aumentou.

O que o Roman vai medir, e como

O Roman vai atacar o problema da energia escura através de três canais independentes.

O primeiro são as supernovas do tipo Ia, que funcionam como marcadores de distância padronizáveis: cada uma atinge um pico de brilho previsível que revela a que distância está. Comparar a distância com o desvio para o vermelho — o quanto a luz de uma galáxia foi esticada pela expansão do Universo — dá a taxa de expansão naquela época cósmica. O Roman deverá descobrir milhares de supernovas por ano numa gama de desvios para o vermelho muito mais ampla do que os levantamentos terrestres, mapeando a história da aceleração do Universo com uma precisão que os instrumentos atuais não conseguem alcançar.

O segundo canal são as oscilações acústicas dos bariões. Essas ondas sonoras do Universo primitivo deixaram uma escala característica impressa na forma como as galáxias se aglomeram — uma preferência estatística por pares de galáxias separados por cerca de 490 milhões de anos-luz. Essa escala funciona como uma “régua padrão”: medindo o seu tamanho aparente a diferentes desvios para o vermelho, é possível reconstruir a história da expansão do Universo em cada época cósmica. A imagem de campo amplo do Roman vai mapear milhões de galáxias, proporcionando um poder estatístico que os levantamentos atuais não conseguem igualar.

O terceiro é a lente gravitacional fraca: a ligeira distorção das formas de galáxias de fundo pela massa da estrutura em primeiro plano. As lentes gravitacionais traçam a forma como a matéria se aglomerou ao longo do tempo, o que é sensível tanto à densidade da matéria escura como ao comportamento da energia escura. Combinados com os dados de supernovas e de BAO, as lentes fornecem uma verificação cruzada que pode isolar se alguma discrepância na história da expansão é real ou instrumental.

Comparado com o que veio antes

A câmara de infravermelhos do Hubble cobre cerca de 10 minutos de arco quadrados por exposição. O Roman cobre cerca de 0,28 graus quadrados — aproximadamente 100 vezes a área, com resolução e profundidade comparáveis. O seu instrumento de campo amplo verá porções de céu que levariam anos ao Hubble a observar em semanas. O JWST oferece uma profundidade extraordinária, mas um campo de visão semelhante ao do Hubble; o JWST é o microscópio, o Roman é a grande angular. O Euclid da ESA, lançado em 2023 e já a devolver dados, cobre um campo mais amplo que o Roman, mas com resolução espacial e profundidade inferiores; espera-se que ambas as missões se complementem.

A diferença de escala é o argumento central da missão. Medir as propriedades da energia escura com a precisão necessária para distinguir uma verdadeira constante cosmológica de uma que evolui exige amostras estatísticas de milhões de objetos. A tensão de Hubble não pode ser resolvida com pequenos levantamentos — exige um censo.

O que o Roman não resolverá

As medições do Roman vão apertar consideravelmente as restrições sobre a energia escura, mas não resolverão todas as questões que lhe estão atualmente associadas. O instrumento não consegue detetar diretamente a energia escura — mede os seus efeitos em quantidades observáveis, e essas medições carregam as suas próprias incertezas sistemáticas. A calibração de supernovas do tipo Ia, por exemplo, depende de medições de distância de Cefeidas, que por sua vez dependem da forma como as propriedades de pulsação dessas estrelas são afetadas pelo seu ambiente químico. Essa cadeia de calibração é precisamente onde a tensão de Hubble reside atualmente.

Se os dados do Roman estreitarem a diferença no H0 — aproximando as medições do Universo primitivo e as locais — isso sugerirá que a tensão surgiu de um erro sistemático não contabilizado em medições anteriores. Se a diferença persistir ou aumentar após a calibração melhorada do Roman, será uma forte evidência de que o modelo padrão é genuinamente incompleto. Esse resultado seria o mais consequente, mas não nomearia por si só o que está errado — apenas confirmaria que algo está.

Jason Rhodes, cosmólogo no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA envolvido na missão, descreveu o panorama atual de forma clara: “Estamos a começar a ver tensões entre medições do Universo primitivo e medições do Universo tardio.” O Roman foi concebido especificamente para fazer essas tensões desaparecerem ou endurecerem numa anomalia confirmada.

A comissão demora aproximadamente 90 a 100 dias após o lançamento; espera-se que as operações científicas comecem no início de 2027. O telescópio operará no ponto de Lagrange L2, a cerca de 1,5 milhões de quilómetros da Terra, onde o JWST já orbita. A missão primária dura cinco anos.

Perguntas frequentes sobre o telescópio Roman e a energia escura

O que é exatamente a energia escura?
A energia escura é o nome dado à causa desconhecida da expansão acelerada do Universo. Representa cerca de 68 por cento do conteúdo total de energia do Universo, de acordo com as estimativas atuais, mas a sua natureza física permanece desconhecida. O modelo mais simples trata-a como uma densidade de energia constante inerente ao espaço vazio. Modelos mais complexos permitem que mude ao longo do tempo ou difira em caráter da constante cosmológica. O Roman foi concebido para distinguir entre essas possibilidades.

O que é a tensão de Hubble?
A constante de Hubble (H0) mede a rapidez com que o Universo se expande atualmente. Duas grandes categorias de medição — uma que usa a radiação cósmica de fundo como ponto de partida, a outra que usa velas-padrão próximas, como estrelas Cefeidas e supernovas — dão consistentemente valores diferentes, perto de 67 e 73 km/s/Mpc, respetivamente. A discrepância é estatisticamente suficientemente significativa para não poder ser plausivelmente explicada pelo acaso, mas a sua causa não está resolvida.

Em que difere o Roman do Telescópio Espacial James Webb?
O JWST é otimizado para observações profundas e de campo estreito de objetos individuais com sensibilidade extraordinária. O Roman tem o mesmo tamanho de espelho que o Hubble, mas um campo de visão 100 a 200 vezes maior; troca profundidade por amplitude. Os dois telescópios foram concebidos para trabalhar em conjunto: o Roman encontra e faz levantamentos à escala, o JWST faz o seguimento de alvos específicos em detalhe.

Porque é que a energia escura importa para além da cosmologia?
A energia escura determina o destino a longo prazo do Universo. Se for verdadeiramente constante, o Universo continuará a acelerar indefinidamente, acabando por separar as galáxias para além do alcance da luz umas das outras. Se a energia escura mudar ao longo do tempo — ou inverter — a trajetória muda. As medições do Roman vão restringir qual destes cenários é fisicamente plausível.

Se a tensão de Hubble sobreviver ao escrutínio do Roman, a cosmologia precisará de um novo modelo — um capaz de explicar porque é que as assinaturas de expansão mais antigas e mais recentes do Universo já não concordam.

Etiquetas: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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