Surpresa: a constante do Hubble é realmente inconstante

Parte da imagem de observação do Hubble eXtreme Deep Field na combinação de UV, luz visível e infravermelho é o olhar mais profundo do universo que recebemos. As várias galáxias visíveis aqui estão a diferentes distâncias e têm diferentes desvios para o vermelho, o que nos permite derivar a lei de Hubble.

O universo é enorme e há bilhões de anos-luz em todas as direções cheias de estrelas e galáxias. Do Big Bang, a luz viaja, partindo de todas as fontes que a criaram, e uma parte muito pequena dessa luz chega aos nossos olhos. Mas a luz não se move apenas através do espaço, do ponto de emissão até o local em que estamos hoje; além disso, o próprio tecido do espaço se expande.

Quanto mais longe a galáxia está de nós, mais o espaço entre nós se estende - e muda para a parte vermelha do espectro - a luz que eventualmente chegará aos nossos olhos. Olhando para distâncias cada vez maiores, vemos um aumento no desvio para o vermelho. Se traçarmos como a velocidade aparente da remoção depende da distância, obtemos um relacionamento bonito e direto: a lei de Hubble . Mas a inclinação dessa linha, a constante de Hubble, na verdade não é de todo constante. E este é um dos equívocos mais poderosos de toda a astronomia.


Dependência do desvio para o vermelho na distância para galáxias distantes. Os pontos que não caem na linha são tendenciosos devido à diferença de velocidades peculiares , mas desviam-se apenas ligeiramente do quadro geral observado. Os dados iniciais, obtidos pelo próprio Edwin Hubble, e usados ​​pela primeira vez para demonstrar a expansão do Universo, se encaixam em um pequeno retângulo vermelho no canto inferior esquerdo.

Entendemos a expansão do Universo de duas maneiras: teoricamente e através da observação. Observando o universo, vemos vários fatos importantes relacionados à expansão:

• O universo está se expandindo a uma velocidade em todas as direções.
• Quanto mais distante a galáxia, mais rápida ela se afasta de nós.
• Tudo isso é verdade apenas em média.

Nas galáxias individuais, existe uma grande dispersão nas velocidades reais, existindo devido a interações gravitacionais com toda a matéria do Universo.


Uma seção bidimensional das partes do Universo mais próximas de nós cuja densidade é maior (vermelho) e menor (azul / preto) do valor médio. As linhas e as setas mostram as direções das velocidades peculiares, mas toda essa imagem está incluída no tecido do espaço em expansão.

Mas esse problema não é intransponível. Existem mais do que algumas galáxias no Universo cuja distância e desvio para o vermelho podemos medir; fizemos essas medições literalmente para milhões de galáxias. Podemos agrupar um grande número de galáxias para que cada grupo esteja a uma certa distância média de nós, e podemos calcular o desvio médio para o vermelho. Após esse procedimento, encontramos uma relação direta que define a lei de Hubble.

Mas aqui está a surpresa. Se você observar distâncias suficientemente grandes, fica claro que a taxa de expansão não obedece mais a uma lei direta e começa a se arredondar.


A dependência da taxa de expansão visível (eixo y) da distância (eixo x) corresponde ao fato de que o Universo se expandiu mais rapidamente no passado, mas hoje está se expandindo. Esta é uma versão moderna (2014) do trabalho do Hubble, que se espalha por distâncias milhares de vezes maiores. Observe que os pontos não formam uma linha reta, o que significa que a taxa de expansão muda com o tempo.

Usando o termo "constante do Hubble", queremos dizer a inclinação dessa linha. Se isso não é uma linha - isto é, se sua inclinação muda - isso sugere que a taxa de expansão do Universo no Hubble não é uma constante! Chamamos isso de constante de Hubble porque o Universo se expande à mesma velocidade a qualquer momento: a constante de Hubble é constante no espaço.

Mas a taxa de expansão e o valor da constante do Hubble mudam com o tempo. Isso não é um mistério, mas o que era esperado. Para entender isso, vamos olhar de uma perspectiva diferente: teórica.


Ethan Siegel no fundo da hiperconstrução da Sociedade Astronômica Americana em 2017, junto com a primeira equação de Friedman, à direita.
#My FavoriteEquation
A primeira equação de Friedman prevê a taxa de expansão do universo com base em seu conteúdo

A primeira equação de Friedman é obtida conosco se começarmos com um universo uniformemente preenchido com matéria, radiação e todas as outras formas de energia. As únicas suposições usadas aqui são que o Universo é isotrópico (o mesmo em todas as direções), homogêneo (tem a mesma densidade em todos os lugares) e obedece à Teoria Geral da Relatividade. Aceitando isso, você obtém a relação da magnitude de H, a velocidade de Hubble (esquerda) e várias formas de matéria e energia do Universo (direita):


A primeira equação de Friedman, como é normalmente escrita hoje. A parte esquerda determina a velocidade da expansão e a evolução do espaço-tempo, e a parte direita inclui todas as diferentes formas de matéria e energia, bem como curvatura espacial

Curiosamente, com a expansão do Universo, as densidades de matéria, radiação e energia podem mudar. Por exemplo, com a expansão do Universo, seu volume aumenta, mas o número total de partículas permanece inalterado. Isso significa que em um universo em expansão:

• a densidade da matéria cai como um ^-3 ,
• a densidade da radiação cai, como ^-4 ,
• a densidade da energia escura permanece constante e evolui como um ⁰ ,

onde a é o fator de escala (distância ou raio) do universo. Com o tempo, a cresce e os vários componentes do universo se tornam mais ou menos importantes um em relação ao outro.


Como a matéria (acima), a radiação (no meio) e a constante cosmológica (abaixo) se desenvolvem ao longo do tempo em um universo em expansão

Um universo com maior densidade de energia se expande mais rapidamente. Por outro lado, um universo com menor densidade de energia se expande mais lentamente. Com a idade, o Universo se expande: com a expansão, a matéria e a radiação se tornam menos densas; com densidade decrescente, a taxa de expansão também diminui. A qualquer momento, a taxa de expansão determina o valor da constante do Hubble. No passado distante, a taxa de expansão era muito maior, mas hoje é a mais lenta.


Vários componentes e contribuições para a densidade energética do Universo e períodos de seu domínio. Se cordas cósmicas ou paredes de domínio existissem em quantidade significativa, elas dariam uma contribuição significativa para a expansão do Universo. Pode até haver outros componentes do Universo que não vemos mais, ou que estão prestes a provar a si mesmos! Até hoje, a energia escura domina, a matéria é bastante importante e a radiação pode ser negligenciada.

Então, por que as galáxias muito distantes estão sujeitas a esse relacionamento direto? Porque toda a luz que chega aos nossos olhos, desde a luz emitida por uma galáxia vizinha, até a luz emitida por uma galáxia localizada a bilhões de anos-luz de nós, chega a 13,8 bilhões de anos quando a aproximamos. Quando a luz chegou, tudo no Universo vivia o mesmo universo em constante mudança que nós. A constante de Hubble no passado, quando a maior parte da luz foi emitida, era maior, mas levou bilhões de anos para trazer essa luz aos nossos olhos.


A luz pode ser emitida com diferentes comprimentos de onda, mas a expansão do universo a estenderá ao longo do caminho. A luz emitida pela galáxia há 13,4 bilhões de anos na luz ultravioleta será deslocada para a faixa infravermelha.

Com o tempo, o Universo se expandiu, o que significa que o comprimento de onda da luz aumentou. A energia escura se tornou bastante importante apenas nos últimos 6 bilhões de anos, e chegamos ao ponto em que rapidamente se torna o único componente do Universo que afeta a velocidade de sua expansão. Se retornássemos em um momento em que o Universo fosse duas vezes mais jovem, a taxa de expansão seria 80% maior que hoje. E quando o universo tinha 10% da idade atual, a taxa de expansão era 17 vezes maior do que hoje.

Quando o universo se torna dez vezes mais antigo que hoje, sua taxa de expansão será 18% da atual.


O azul sombreava a gama de possíveis incertezas de como a densidade da energia escura pode se desviar no passado e no futuro. Os dados indicam a presença de uma verdadeira "constante" cosmológica, mas até agora ninguém rejeitou outras possibilidades. Infelizmente, a conversão de matéria em radiação não pode ser candidata à energia escura; como resultado disso, aquilo que antes se comportava como matéria simplesmente se comporta como radiação.

Tudo por causa da presença de energia escura, comportando-se como uma constante cosmológica. Num futuro distante, matéria e radiação se tornarão relativamente sem importância em comparação com a energia escura, o que significa que a densidade de energia do Universo permanecerá constante. Sob tais condições, a taxa de expansão atingirá um valor estável e finito, e permanecerá assim. Em um futuro distante, a constante Hubble se tornará constante não apenas no espaço, mas também no tempo.

Num futuro distante, medindo a velocidade e a distância de todos os objetos visíveis, obtemos a mesma inclinação dessa linha em todos os lugares. O Hubble Constant se tornará verdadeiramente constante.


A importância relativa dos vários componentes da energia do universo em diferentes momentos do passado. Quando a energia escura se aproximar de 100% no futuro, a densidade de energia do Universo permanecerá constante por um período arbitrariamente grande.

Se os astrônomos manipulassem com mais precisão as palavras, eles chamariam H de parâmetro do Hubble, e não a constante do Hubble, pois muda com o tempo. Porém, por várias gerações seguidas, pudemos medir distâncias relativamente curtas, e H parecia constante, por isso não o renomeamos. Só temos que esclarecer que H é uma função do tempo, e somente hoje - quando o chamamos de H ₀ - é constante. De fato, o parâmetro Hubble muda com o tempo e permanece constante apenas em todo o espaço. Mas se vivêssemos para um futuro distante, veríamos que H em algum momento deixa de mudar. Hoje, podemos separar cuidadosamente os valores constantes reais e os que mudam com o tempo, mas em um futuro distante, graças à energia escura, essa diferença não será mais.