The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

O universo está em expansão, mas os astrônomos não concordam sobre o quão rápido. Um método, observando o brilho residual do Big Bang, sugere uma velocidade específica. Outro método, medindo as distâncias de estrelas próximas que explodem, sugere uma mais rápida. Esse desacordo, conhecido como tensão de Hubble, é um dos mistérios mais urgentes da cosmologia moderna. Para resolvê-lo, os cientistas precisam de uma maneira completamente nova de medir distâncias cósmicas, uma que dependa de pressupostos diferentes e evite os erros potenciais dos métodos existentes. Por décadas, neutrinos de alta energia — partículas fantasmagóricas que atravessam o universo quase sem serem tocadas pela matéria — têm sido uma possibilidade tentadora para tal ferramenta, mas eram muito tênues e raros para fornecer uma resposta clara.

Um novo estudo propõe uma maneira de transformar essas partículas elusivas em uma régua cósmica precisa. Ao combinar dados de uma rede global de detectores de neutrinos com observações de raios X de galáxias ativas, pesquisadores mapearam um caminho para medir a taxa de expansão do universo com muito mais precisão do que nunca. O trabalho sugere que, até 2030, um esforço coordenado entre telescópios no Ártico, no Mediterrâneo e na Antártida poderá determinar a taxa de expansão com uma margem de erro de poucos porcento. Mais do que apenas um número, essa abordagem oferece uma nova perspectiva sobre as forças invisíveis que moldam o cosmos, potencialmente revelando novos detalhes sobre a densidade da matéria e a natureza da energia escura.

A chave para este novo método reside em uma conexão surpreendente entre dois tipos de luz muito diferentes. Galáxias ativas, especificamente um tipo chamado galáxias Seyfert, são alimentadas por buracos negros supermassivos em seus centros. À medida que o gás gira em torno desses buracos negros, ele aquece e emite raios X. Ao mesmo tempo, o ambiente violento acelera partículas para criar neutrinos de alta energia. Observações recentes revelaram um padrão consistente: quanto mais brilhante uma galáxia é em raios X, mais neutrinos ela produz. Essa relação atua como uma vela padrão. Se os cientistas souberem quanto de luz de raios X uma galáxia deve emitir com base em sua produção de neutrinos, eles podem comparar esse brilho previsto com o que é realmente visto. Como a luz e os neutrinos viajam à mesma velocidade e não são atenuados pela poeira interveniente ao longo dessas vastas distâncias, qualquer diferença de brilho lhes diz exatamente o quão longe está a galáxia.

Até agora, este método era limitado pelo número de galáxias que podemos ver e pela precisão de nossos instrumentos. O estudo atual realiza a primeira medição bem-sucedida desta técnica e projeta como ela melhorará nos próximos anos. Os pesquisadores começaram com dados do IceCube, um enorme detector de neutrinos enterrado no gelo da Antártida. Eles combinaram isso com uma nova análise de galáxias do céu do sul, que anteriormente eram difíceis de observar porque aparecem abaixo do horizonte para o detector antártico. Ao adicionar dados de outros dois grandes detectores, o KM3NeT no Mar Mediterrâneo e o Baikal-GVD no Lago Baikal, a equipe criou uma rede global que pode ver todo o céu.

Os resultados desta rede global são impressionantes. A medição atual da taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble, possui uma grande margem de erro, variando amplamente. A nova análise, usando dados existentes, a refina com um valor central de 66. Olhando para o futuro, em 2030, quando os novos detectores estiverem totalmente operacionais e mais dados forem coletados, espera-se que a incerteza diminua drasticamente. A previsão sugere que a medição se tornará mais rigorosa, com um valor central de 66. Isso representa uma redução na incerteza de quase dois terços, trazendo a medição baseada em neutrinos para um foco muito mais nítido.

Ao lado da taxa de expansão, o estudo também esclarece a relação entre as emissões de raios X e de neutrinos. Os dados apontam para uma inclinação matemática específica que descreve como os dois tipos de luz escalam entre si. Os dados atuais sugerem que esta inclinação é de cerca de 0,72, o que significa que a produção de neutrinos cresce mais lentamente do que a produção de raios X. Até 2030, os pesquisadores projetam que serão capazes de medir essa inclinação com tal precisão que poderão descartar definitivamente um modelo "calorimétrico" mais simples, onde ambos cresceriam na mesma taxa. Essa confirmação da inclinação específica é crucial porque valida o modelo físico usado para transformar as contagens de neutrinos em medições de distância.

O poder desta rede estende-se além de apenas medir o quão rápido o universo está se expandindo hoje. Os pesquisadores propõem que, se essa mesma relação se mantiver para uma população de galáxias muito distantes, de alto desvio para o vermelho — especificamente uma classe de objetos compactos e vermelhos recentemente descobertos pelo Telescópio Espacial James Webb — esses neutrinos poderiam ser usados para sondar a história da expansão do universo. Ao estender a escada de distâncias para essas fontes remotas, a rede de neutrinos poderia fornecer medições independentes da densidade de matéria no universo e das propriedades da energia escura, a força misteriosa que impulsiona a expansão acelerada. Embora essa aplicação futura dependa da suposição de que esses objetos distantes seguem as mesmas regras que as galáxias próximas, o potencial para testar esses parâmetros cosmológicos fundamentais com um novo tipo de mensageiro cósmico é um passo significativo à frente.

Alcançar esses resultados exigirá uma cooperação estreita entre as comunidades de neutrinos e de raios X. A precisão das medições de distância depende fortemente de conhecer o brilho exato de raios X de algumas galáxias "âncora" fundamentais. Melhorar os modelos que explicam como o gás absorve raios X nessas galáxias, e dedicar mais tempo de observação de telescópios a elas, será tão importante quanto construir melhores detectores de neutrinos. O caminho para uma compreensão mais clara da expansão do universo não é apenas capturar mais partículas; é refinar toda a cadeia de observação, desde a absorção de luz em galáxias distantes até a detecção de partículas fantasmagóricas na Terra. À medida que a rede global entrar em operação na próxima década, ela promete transformar os neutrinos de curiosidades raras em uma ferramenta robusta e independente para mapear o cosmos.