Quasares com uma lente gravitacional de imagem dupla podem ajudar a descobrir o quão rápido o universo está se expandindo.

Quão rápido o Universo está em expansão? Essa é uma questão que os astrônomos não conseguiram responder com precisão. Eles têm um nome para a taxa de expansão do Universo: A Constante de Hubble, ou Lei de Hubble. Mas as medições continuam chegando com valores diferentes, e os astrônomos têm debatido sobre essa questão há décadas.
A ideia básica por trás da medição da Constante do Hubble é observar fontes de luz distantes, geralmente um tipo de supernova ou estrelas variáveis chamadas de "velas padrão", e medir o desvio para o vermelho. Mas não importa o quanto os astrônomos façam isso, eles não podem chegar a um valor acordado, apenas uma gama de valores. Um novo estudo envolvendo quasares e lentes gravitacionais pode ajudar a resolver o problema.

Que o Universo está se expandindo não está em questão. Nós sabemos disso há cerca de 100 anos. A luz de galáxias distantes é deslocada para o vermelho à medida que se afastam de nós, e medir esse desvio para o vermelho produziu valores diferentes para a expansão universal.

A taxa de expansão é medida em quilômetros por segundo por megaparsec, escrita como (km / s) / Mpc. Assim, por exemplo, algo se expandindo a uma taxa de 10 (km / s) / Mpc significa que dois pontos no espaço 1 megaparsec separados (o equivalente a 3,26 milhões de anos-luz) estão se afastando uns dos outros a uma velocidade de 10 quilômetros por segundo.
Quando foi descoberto pela primeira vez na década de 1920, a taxa de expansão foi estimada em 625 kps / Mpc. Mas a partir da década de 1950, uma pesquisa melhor mediu-a como menos de 100 kps / Mpc. Nas últimas décadas, vários estudos mediram a taxa de expansão e chegaram a velocidades entre 67 a 77 kps / Mpc.

Mas a ciência não aceita uma série de respostas para algo que deveria ter um valor. Não seria ciência se isso acontecesse. Assim, os cientistas continuam tentando maneiras diferentes de medir a Constante de Hubble para ver se conseguem acertar, porque a constante de Hubble é mais do que apenas uma medida da expansão do universo.

Um novo estudo recém publicado no Monthly Notices da Royal Astronomical Society está tentando um novo método de medir a Constante de Hubble. A pesquisa é liderada por uma equipe de astrônomos da UCLA e conta com quasares distantes, cuja luz passa por lentes gravitacionais antes de atingir a Terra.

Os quasares são objetos ultraluminosos. Eles também são chamados de núcleos galácticos ativos, porque eles parecem serem causados ​​por buracos negros supermassivos no centro das galáxias. A radiação eletromagnética que eles emitem é causada pelo disco de acreção em torno do buraco negro. Conforme o disco de matéria ao redor do buraco acelera, emite uma enorme quantidade de energia.
Como os quasares são tão luminosos, eles podem ser vistos a grandes distâncias. Isso os torna não apenas objetos fascinantes de estudo, mas também úteis como marcadores para o estudo da Lei de Hubble.

A lente gravitacional ocorre quando a fonte de luz de um objeto extremamente distante, quasares neste estudo, encontra uma galáxia intermediária antes de atingir os observadores na Terra. A massa extrema da galáxia é suficiente para curvar a luz, semelhante à forma que uma lente de vidro faz. O resultado é uma espécie de efeito de "casa dos espelhos". A imagem abaixo mostra o que parece. A descoberta de lentes gravitacionais está mais intimamente associada com Einstein, embora não tenha sido até 1979 que foi observada.

Imagem de uma galáxia vermelha luminosa (LRG) gravitacionalmente distorcendo a luz de uma galáxia azul muito mais distante, uma técnica conhecida como lente gravitacional. Crédito: ESA / Hubble e NASA.

Este estudo se concentrou em quasares duplos. Um quasar duplo, às vezes chamado de quasar gêmeo, não são dois quasares próximos uns dos outros, mas sim um efeito de lente gravitacional. Com um duplo quasar, sua luz é focalizada em torno de uma galáxia intermediária antes de atingir a Terra, produzindo duas imagens do quasar. Nenhum estudo anterior os usou para tentar determinar a taxa de expansão do Universo.
Quando a luz do quasar é dobrada em torno da galáxia intermediária, produzindo duas imagens do mesmo quasar, ela cria uma oportunidade única de observação. A luz que cria as imagens separadas do quasar percorre um caminho diferente para cada imagem. Quando a luz do quasar flutua, há um atraso em cada uma das duas imagens.

Medindo o intervalo de tempo entre as cintilações e conhecendo a massa da galáxia interveniente, a equipe deduziu as distâncias entre a Terra, a galáxia de lentes e o quasar. Conhecer os redshifts do quasar e da galáxia permitiu que os cientistas estimassem a rapidez com que o universo está se expandindo.
Este estudo focalizou o duplo quasar chamado SDSS J1206 + 4332, e também se baseou em dados do Telescópio Espacial Hubble, dos observatórios Gemini e WM Keck, e da rede de Monitoramento Cosmológico de Lentes Gravitacionais, ou  COSMOGRAIL . A equipe passou vários anos fazendo imagens diárias do quasar duplo, o que lhes dava medidas muito precisas do tempo decorrido entre os piscar. Quando combinado com os outros dados, deu aos astrônomos uma das melhores medidas da Constante Hubble.

A equipe chegou a um valor de 72,5 quilômetros por segundo por megaparsec. Isso o coloca em linha com outras medidas que usaram supernovas distantes como velas padrão para medir a Constante de Hubble. Mas é cerca de 7% maior do que as medições que dependem do Fundo Cósmico de Microondas para medi-lo.

Este não é o fim do debate sobre a lei de Hubble. Ainda há essa diferença incômoda entre os métodos de medição. O que isso significa? "Se houver uma diferença real entre esses valores, isso significa que o universo é um pouco mais complicado", disse Treu. Treu também disse que uma das medições, ou até as três, estão erradas.
Fonte: Monthly Notices da Royal Astronomical Society, UNIVERSE TODAY.

Lente Gravitacional

Vamos imaginar um objeto brilhante como uma estrela, uma galáxia, ou um quasar que estão muito distantes da Terra (10.000 milhões de anos-luz ). Para a nossa observação, vamos imaginar que temos um quasar. Se não há nada entre ele e nós, vemos uma imagem do quasar. No entanto, se uma enorme galáxia (ou aglomerado de galáxias ) está bloqueando a visão direta para o quasar, a luz será dobrado pelo campo gravitacional ao redor da galáxia. Isso é chamado de “lente gravitacional”. Mas em vez de criar uma única imagem do quasar, a lente gravitacional cria várias imagens. Nós seguimos os raios de luz, aqui da Terra para observar os locais aparentes do quasar. Se a galáxia fosse perfeitamente simétrica em relação à linha entre o quasar e a Terra, então veríamos um anel de quasares…

A Lente gravitacional funciona de forma análoga e é um efeito da teoria da relatividade geral de Einstein ou simplesmente, a massa curva a luz. O campo gravitacional de um objeto de grande massa vai estender-se muito no espaço, e fazer com que os raios de luz que passam próximo ao objeto (e, portanto, por meio de seu campo gravitacional) se dobrem reorientado-se em outro lugar. Quanto mais massivo o objeto, mais forte é o campo gravitacional e, portanto, maior a curvatura dos raios de luz.

Quais são os efeitos de uma lente gravitacional?
O tipo de lente gravitacional que os cosmólogos se interessam é somente em grande escalas. Quando os astrônomos olham uma imagem em um telescópio de uma parte qualquer do céu noturno, muitas galáxias serão visíveis nessa imagem. No entanto, entre a Terra e as galáxias existe uma entidade misteriosa chamada matéria escura. A matéria escura é invisível, mas tem massa, cerca de 85% da massa do Universo. Isto significa que os raios de luz que vêm para nós de galáxias distantes vão passar pelo campo gravitacional da matéria escura e, portanto, vai ser dobrado pelo efeito de lente gravitacional.

A Matéria Escura é encontrada onde quer que a matéria “normal”, exista, isto é, a matéria que compõe as galáxias. Por exemplo, um grande aglomerado de galáxias irá conter uma quantidade muito grande de matéria escura, que existe dentro e ao redor das galáxias que compõem o conjunto. A luz vinda de galáxias mais distantes que passa perto de um aglomerado pode ser distorcida pela sua massa. É a matéria escura no aglomerado que faz quase todo o efeito de uma lente gravitacional. Os efeitos podem ser muito forte e muito estranho, as imagens das galáxias distantes, com lentes são esticadas e puxadas em arcos. Isto pode ser visto na imagem abaixo da famosa Abell 2218 cluster. As galáxias reais não são desta forma, são geralmente elíptica ou em forma de espiral elas só aparecem desta maneira por causa da lente.
Esta distorção da forma estranha vem do fato de que galáxias são objetos de grandes dimensões, e os raios de luz que saem de um lado da galáxia (por exemplo, o lado esquerdo do nosso ponto de vista) vai passar através de uma parte diferente do espaço do que os raios de luz do o outro lado (por exemplo, o lado direito). Os raios de luz, portanto, passam por diferentes partes do campo gravitacional da matéria escura e serão dobrado de forma ligeiramente diferente.

O efeito disso é uma distorção da forma da imagem da galáxia, que pode, em alguns casos, ser muito grande. Outro efeito interessante que pode ocorrer é a formação de imagens múltiplas da mesma galáxia. Isso ocorre porque os raios de luz de uma galáxia distante pode ser focado em conjunto por uma lente gravitacional. Do ponto de vista de um observador na Terra, parece que dois raios de luz muito semelhantes viajam ao longo de linhas retas de diferentes partes do céu. Podemos ver mais do que uma imagem da galáxia mesmo em lugares diferentes.

Um exemplo de múltiplas imagens é mostrado em uma imagem do Telescópio Espacial Hubble (acima). Há três imagens da mesma galáxia, e cinco imagens de um quasar. As imagens não são da mesma forma ou tamanho, porque cada imagem vai percorrer uma região diferente do espaço em sua jornada até nós, e, portanto, terá sido distorcido de forma diferente. Uma técnica conhecida como espectroscopia é usado para determinar quais as imagens vieram da mesma galáxia.