O prémio Nobel da Física de 2011: Supernovas e a aceleração do Universo

Ao fim de um ano de aquisição de dados, estamos em condições de comparar a curva de luminosidade ao longo do tempo de uma supernova com a curva teórica construída a partir da observação de supernovas que aconteceram no passado em galáxias vizinhas. Esta comparação permite-nos determinar o dia exacto e o valor do pico de luminosidade da supernova distante. Tendo este valor e conhecendo o desvio para o vermelho desta supernova podemos construir o diagrama de Hubble à semelhança do que este astrónomo fez nos anos 1920 com as Cefeidas. Acontece que a forma como a luminosidade no pico depende do valor do desvio para o vermelho está relacionada com os tipos de matéria no Universo e as suas abundâncias. Resumindo, o processo de determinar quanta matéria existe no Universo, ou de outra forma, de pesar o Universo, consiste de vários passos: Encontrar supernovas Ia; determinar o seu desvio para o vermelho; determinar o seu pico de luminosidade; comparar a curva luminosidade/redshift, com o esperado para um dada quantidade de matéria.

Os primeiros resultados deste exercício complexo começaram a aparecer no principio dos anos 1990. Em 1992, o Supernova Cosmology Project encontrou a primeira supernova a redshift elevado, a z = 0.45. Em 1994 nasce o grupo rival, o High-Z team, que entrando na corrida para a determinação da massa do Universo, oferece uma saudável competição a esta investigação e permitiu a verificação dos resultados obtidos pelo Supernova Cosmology Project. Na verdade, embora as análises sejam independentes, os elementos dos dois grupo discutiam vários aspectos e partilharam os dados de algumas supernovas.

Em 1996 é publicado pelo SCP o artigo “Scheduled discovery of 7 high redshift supernovae”. Em 1997 é descoberta uma supernova a redshift z = 0.83. Esta descoberta revelou-se muito importante porque sendo a supernova mais distante até ao momento encontrada, e sendo o seu espectro em tudo equivalente ao espectro de uma supernova Ia vizinha, demonstrou que as supernovas não evoluem no tempo. Isto é, as características de uma supernova Ia distante são as mesmas de uma supernova vizinha, e definitivamente podemos usá-las com confiança, em cosmologia.

Foi em 1998 numa conferencia de imprensa em Washinghton D.C. que Saul Perlmutter anunciou a evidencia para a expansão acelerada do Universo. Cerca de um mês mais tarde, o High-Z team corroborou esta descoberta depois da análise independente das suas observações.

Estas conclusões resultaram do aparente défice de luminosidade das supernovas de redshift mais elevado assumindo que o Universo é dominado por matéria de pressão nula. As supernovas eram de alguma forma mais ténues do que se esperava o que só poderia ser compreendido se as supernovas estivessem mais longe do que se julgava. Isto só é possível se o Universo estivesse hoje a acelerar e fosse conduzido por um tipo de matéria de pressão negativa e muito abundante.

Esta descoberta revela que a assumpção de que o Universo é dominado por matéria de pressão nula, é invalida. De facto, este novo tipo de matéria de pressão negativa, compreende a cerca de 70% de toda a matéria no Universo enquanto que a matéria de pressão nula (a matéria que nós conhecemos na forma de protões e neutrões (5%) e a matéria escura (25%)) compõe apenas 30% do Universo. É interessante perceber que os valores destas abundâncias implicam que a aceleração do Universo é um fenómeno recente em termos cosmológicos. De facto o Universo esteve a abrandar a sua expansão durante quase toda a sua historia e só entrou em modo de aceleração aproximadamente na época em que o sistema solar se formou.

Espero então ter respondido as 3 perguntas que me propus responder. Porque pensamos que o Universo acelera? Porque as supernovas distantes são mais ténues do que seriam num Universo composto apenas por matéria de pressão nula. Qual foi o processo para chegar a este resultado? O desenvolvimento de uma técnica que permite encontrar e medir a luminosidade de supernovas distantes de forma eficaz. O que é que isto significa? Que existe um tipo de matéria de pressão negativa e que é consideravelmente mais abundante do que a matéria de pressão nula, ou alternativamente, que as leis da gravitação são diferentes nas grandes escalas.

Estes resultados são de tal modo significantes que em 1998 a revista Science escolheu o “Universo acelerado” como a descoberta do ano.