Lei de Hubble

Parte de uma série sobre
Cosmologia física
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História Descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas História da teoria do Big Bang Linha do tempo das teorias cosmológicas
Categoria  Portal da astronomia

A Lei de Hubble, também conhecida como a lei Hubble-Lemaître,^[1] é um fenómeno que foi sugerido por Edwin Powell Hubble e pelo seu colega Milton L. Humason quando se dedicavam ao estudo das galáxias. Ao recolher e calcular distâncias, localizações e distribuições das galáxias no espaço, através da análise dos seus movimentos, notaram que existia uma relação entre as distâncias e as suas velocidades de afastamento. Muitos dos estudos quantitativos sobre a origem do Universo nasceram das ideias de Hubble aliadas às equações de Einstein. Esta descoberta levou mais tarde à dedução do Big-Bang, que provavelmente marca o início do atual universo. A lei é freqüentemente expressa pela equação v = H₀D, com H₀ a constante de proporcionalidade - constante de Hubble - entre a "distância apropriada" D para uma galáxia, que pode mudar com o tempo, diferente da distância comovedora, e sua velocidade v, ou seja a derivada da distância apropriada em relação à coordenada do tempo cosmológico. O recíproco de H₀ é o tempo de Hubble.^[2][3]

Hubble dedicou muitos anos ao estudo das galáxias, que na altura se julgava serem nebulosas da Via Láctea. Beneficiando do facto de poder utilizar o então maior telescópio do mundo, o telescópio Hooker, e também da teoria de Sitter, proposta por Weyl e Silberstein, Hubble verificou, em 1929, que quase todas as nebulosas tinham um desvio para o vermelho e que as suas velocidades radiais eram proporcionais à sua distância. Georges Lemaître também chegou a esta conclusão em 1927, através dos resultados de Slipher sobre as galáxias espirais.^[4] Como naquela época o modelo cosmológico envolvia um universo estático, estas observações foram contra a previsão teórica.

Ver artigo principal: Efeito Doppler

Quando uma fonte luminosa se afasta de um corpo (observador), o comprimento de onda da fonte, visto pelo observador, aumenta (desvio para o vermelho ou “redshift”) e diminui quando a fonte se aproxima (desvio para o azul ou “blueshift”).^[5] O Efeito de Doppler relativista é definido matematicamente por:^[6][7]

${\displaystyle \lambda _{observado}=\lambda _{fonte}{\sqrt {\frac {1+{v \over c}}{1-{v \over c}}}}\ }$

Onde:

- ${\displaystyle v}$ é a velocidade do corpo;

- ${\displaystyle c}$ a velocidade da luz no vácuo;

- ${\displaystyle \lambda _{fonte}}$ é o comprimento de onda emitido;

- ${\displaystyle \lambda _{observado}}$ é o comprimento de onda observado.

Hubble não só verificou que a maioria das galáxias tinha um desvio para o vermelho, mas também que este desvio era tanto maior quanto maior a distância entre as galáxias. Chegou mesmo a construir um gráfico com os resultados de 46 galáxias, mostrando uma relação linear entre distância e desvio para o vermelho. No entanto, as incertezas eram muito grandes, pelo que os resultados não foram considerados conclusivos no imediato. Daqui, surgiu então aquela que é hoje conhecida como a Lei de Hubble:

${\displaystyle v=H_{0}\ d}$

Onde:

- ${\displaystyle v}$ é a velocidade em ${\displaystyle km\ s^{-1}}$;

- ${\displaystyle d}$ é a distância em Megaparsecs (${\displaystyle Mpc}$);

- ${\displaystyle H_{0}}$ tem o nome de parâmetro de Hubble e vem em unidades de ${\displaystyle km\ s^{-1}Mpc^{-1}}$.

O primeiro valor que Hubble estimou para este parâmetro, considerado inicialmente uma constante, foi 500 km s^-1 Mpc^-1. Este valor tinha uma grande incerteza associada, e foi-se alterando à medida que novos dados iam sendo utilizados. Ainda hoje o seu valor não reúne consenso, por se alterar na ordem das unidades cada vez que se obtêm novos dados, mas pensa-se que esteja próximo de 67,15^[8][9][10] km s^-1 Mpc^-1. Note-se que a velocidade considerada nesta equação é a velocidade radial das galáxias, e não a sua velocidade total.

Cosmologia de precisão e a tensão de Hubble

No final da década de 1990, avanços em ideias e tecnologia permitiram medições de maior precisão.^[21] No entanto, duas categorias principais de métodos, cada uma com alta precisão, falham em concordar entre si.

As medições do "universo tardio", usando técnicas de escada de distância calibrada, convergiram para um valor de aproximadamente 73 (km/s)/Mpc. Desde 2000, tornaram-se disponíveis técnicas do "universo primordial" baseadas em medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, e estas concordam com um valor próximo a 67,7 (km/s)/Mpc.^[22] (Isso leva em conta a mudança na taxa de expansão desde o universo primordial, sendo, portanto, comparável ao primeiro número.) Inicialmente, essa discrepância estava dentro das incertezas de medição estimadas e, portanto, não era motivo de preocupação. No entanto, à medida que as técnicas melhoraram, as incertezas estimadas diminuíram, mas as discrepâncias não, a ponto de o desacordo ser agora altamente estatisticamente significativo. Essa discrepância é chamada de tensão de Hubble.^[23][24]

Um exemplo de medição "primordial", a missão Planck publicada em 2018, fornece um valor para H₀ = 67.4±0.5 (km/s)/Mpc.^[25] No campo "tardio" está o valor mais alto de 74,03±1,42 (km/s)/Mpc determinado pelo Telescópio Espacial Hubble^[26] e confirmado pelo Telescópio Espacial James Webb em 2023.^[27][28] As medições do universo 'primordial' e 'tardio' apresentam uma discrepância superior a 5 sigmas (5σ), o que torna estatisticamente improvável que a divergência seja fruto do acaso..^[17][29] Solucionar esse conflito é um dos maiores desafios da física moderna, motivando uma busca contínua por novas teorias e medições ainda mais refinadas.^[30]

• arxiv.org
• posgrad.fae.ufmg.br
• www.relea.ufscar.br
• web.archive.org - flipflop.no.sapo.pt
• dfi.isep.ipp.pt
• mo-lerc-tagus.ist.utl.pt
• hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
• map.gsfc.nasa.gov
• www.esa.int
• www.nbcnews.com
• spiff.rit.edu/expand
• spiff.rit.eduhub 1929
• ned.ipac.caltech.edu