Constante de Hubble e Expansão do Universo Observável

Resumo científico

O artigo da Astronoo apresenta a constante de Hubble e a expansão do Universo observável. Percorre as observações de Edwin Hubble e Vesto Slipher, que mostraram que as galáxias se afastam a uma velocidade proporcional à sua distância, bem como a escala de distâncias cósmicas que torna esta medição possível. A constante de Hubble deduzida do Fundo Cósmico de Micro-ondas pelo satélite Planck vale 67,4 km/s/Mpc, enquanto o método da escala de distâncias (Cefeidas e supernovas de tipo Ia, equipa SH0ES) dá aproximadamente 73 km/s/Mpc. Esta discrepância persistente, chamada tensão de Hubble, ultrapassa hoje 5 desvios-padrão e continua a ser um dos enigmas não resolvidos da cosmologia moderna. O artigo explica também porque é que a expansão não afeta os sistemas ligados gravitacionalmente, como o sistema solar.

O que é a constante de Hubble e o que significa a expansão do Universo?

Este artigo é dedicado à constante de Hubble, denotada H₀, e à expansão do Universo. Mas o que significa isto exatamente? A constante de Hubble é a taxa à qual o Universo se expande. Mais precisamente, descreve a velocidade à qual uma galáxia se afasta de nós em função da sua distância. Por exemplo, uma galáxia situada a um megaparsec (≈3,26 milhões de anos-luz) afasta-se a uma velocidade compreendida entre 67 e 73 quilómetros por segundo segundo o método de medição utilizado. Esta relação, descoberta por Edwin Hubble em 1929, revelou que o Universo não é estático, mas está em expansão. Atenção: não se trata de um movimento das galáxias no espaço, mas de uma dilatação do próprio espaço-tempo. A expansão só se aplica a distâncias muito grandes, entre aglomerados de galáxias. Os sistemas ligados pela gravidade, como o sistema solar ou a nossa Galáxia, não se expandem. O valor exato da constante de Hubble continua a ser debatido, entre 67 e 73 km/s/Mpc conforme se parta do Universo primordial ou do Universo próximo — um desacordo persistente, a «tensão de Hubble», que estimula hoje a investigação em cosmologia.

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A expansão do universo

Um universo em expansão

Quando olhamos para o passado, o universo é cada vez mais pequeno, mais denso e mais quente. Por outras palavras, todos os objetos do Universo aproximam-se uns dos outros quando vemos o filme ao contrário, recuando no tempo.

As observações de Edwin Hubble

Em 1923 Edwin Hubble (1889-1953) utilizou o telescópio Hooker de 250 cm, o telescópio mais potente da época. Ao observar uma estrela variável na nebulosa de Andrómeda (M31), identificou uma Cefeida — uma estrela cujo brilho varia com um período diretamente relacionado com a sua luminosidade real, segundo a relação período-luminosidade descoberta por Henrietta Leavitt em 1912. Este método permitiu-lhe estimar a distância de M31 em cerca de 900 000 anos-luz, situando-a largamente fora da nossa Galáxia. Assim, Hubble pôs fim ao longo debate sobre a natureza dos objetos difusos que passariam a ser chamados galáxias.

Um pouco mais tarde, em 1929, Hubble analisou as velocidades radiais das galáxias, previamente medidas por Vesto Slipher (1875-1969), a partir dos desvios para o vermelho das riscas espectrais. Limitou-se primeiro às galáxias situadas a menos de 6 milhões de anos-luz e notou que a relação velocidade-distância é aproximadamente linear. Juntamente com Milton Humason (1891-1972), estendeu o seu estudo a galáxias distantes até 100 milhões de anos-luz; a relação manteve-se linear.

A lei de Hubble e a taxa de expansão

Hubble enunciou então a sua famosa lei de Hubble, "As galáxias afastam-se umas das outras a uma velocidade proporcional à sua distância". Por outras palavras, quanto mais longe está uma galáxia de nós, mais rapidamente parece afastar-se. Criou assim o conceito de expansão do Universo. Atenção: as galáxias afastam-se, mas não se trata de um verdadeiro movimento das galáxias; é o Universo inteiro que incha e que dá esta velocidade aparente às galáxias. É o espaço entre as galáxias que aumenta; na realidade, é o espaço-tempo que se dilata.

A taxa de expansão das galáxias entre si corresponde à constante de Hubble (H₀) calculada por Edwin Hubble e Georges Lemaître nos anos 1930. O inverso da constante de Hubble é chamado o tempo de Hubble; corresponde à duração desde o Big Bang, e portanto à idade do universo. A radiação fóssil, descoberta em 1965, é uma verdadeira «Pedra de Roseta» para os cosmólogos, pois permite decifrar a história térmica do Universo desde o Big Bang.

N.B.: A distância de 900 000 anos-luz calculada por Hubble em 1923-1925 para M31 subestimava enormemente a realidade (hoje estabelecida em cerca de 2,5 milhões de anos-luz). O erro provinha de uma confusão entre duas populações diferentes de Cefeidas, com relações período-luminosidade distintas, corrigida apenas em 1952 pelo astrónomo Walter Baade — que duplicou de repente o tamanho estimado do Universo observável.

A escala de distâncias cósmicas: das Cefeidas às supernovas

Uma cadeia de medições calibradas umas sobre as outras

Medir uma velocidade de recessão é relativamente simples, graças ao desvio para o vermelho do espetro luminoso. Medir uma distância intergaláctica é, em contrapartida, muito mais delicado, e é precisamente a principal fonte de incerteza sobre a constante de Hubble. Os astrónomos utilizam para isso uma escala de distâncias cósmicas, uma sucessão de padrões de medição, cada um calibrado sobre o anterior: a paralaxe para as estrelas próximas da nossa Galáxia, as Cefeidas para as galáxias próximas (a sua luminosidade real deduz-se do seu período de pulsação), depois as supernovas de tipo Ia para as galáxias mais distantes, cujo brilho máximo é notavelmente padronizado e serve de "vela padrão".

Um método alternativo: a ponta do ramo das gigantes vermelhas

Outro método, chamado Tip of the Red Giant Branch (TRGB, ou «ponta do ramo das gigantes vermelhas»), baseia-se no facto de as estrelas gigantes vermelhas atingirem todas uma luminosidade máxima muito semelhante antes de iniciarem a fusão do hélio no seu núcleo. Oferece uma calibração independente das Cefeidas e, realizada com o telescópio espacial James Webb, dá valores da constante de Hubble intermédios entre os obtidos pelos dois métodos principais — uma pista séria para compreender a origem do desacordo descrito mais adiante.

Qual é o valor da constante de Hubble?

Constante de Hubble e expansão do Universo — Estas pequenas flutuações de temperatura são os primeiros brilhos do universo observável vistos pela missão Planck (março de 2013). Desde 2013, os astrofísicos europeus, canadianos e americanos refinaram a composição do Universo. Esta imagem compósita em falsas cores representa os vestígios dos primeiros instantes da criação, cerca de 380 000 anos após o Big Bang, há 13,8 mil milhões de anos (≈1%). O universo observável é composto por 69,4 % de energia escura, 25,8 % de matéria escura fria e 4,8 % de átomos, ou seja, de matéria ordinária.
Fonte da imagem: ESA (nova janela).

O Fundo Cósmico de Micro-ondas

O mapa do Fundo Cósmico de Micro-ondas representa a radiação eletromagnética proveniente dos primeiros instantes do Universo observável. Estes fotões, detetáveis hoje na gama das ondas rádio, guardaram os vestígios das grandes estruturas nascentes que serão transportadas pela inflação.

As medições da constante de Hubble

O valor da constante de Hubble (H₀) não é conhecido com uma precisão perfeita e, sobretudo, difere conforme o método empregado. Em março de 2013, uma primeira análise dos dados do satélite Planck tinha dado um valor de 67,8 km/s/Mpc; a análise final da missão, publicada em 2018, afinou-o para 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc, deduzido do Fundo Cósmico de Micro-ondas. Por seu lado, a equipa SH0ES, combinando as Cefeidas e as supernovas de tipo Ia sobre a escala de distâncias, obtém um valor nitidamente mais elevado, aproximadamente 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc (resultados de 2022). Uma bolha de 1 Mpc incha portanto hoje, segundo o método retido, de 67 a 73 km a cada segundo; uma bolha de 10 Mpc, dez vezes mais; uma bolha de 100 Mpc, cem vezes mais…

A tensão de Hubble: uma anomalia que persiste

Dois métodos, dois resultados incompatíveis

Esta discrepância entre as duas grandes famílias de medições — 67,4 km/s/Mpc desde o Fundo Cósmico de Micro-ondas, contra cerca de 73 km/s/Mpc desde a escala de distâncias locais — tem um nome: a tensão de Hubble. Não é uma simples margem de erro: a discrepância ultrapassa hoje 5 desvios-padrão (5σ) segundo a equipa SH0ES, o que torna altamente improvável que se trate de um acaso estatístico. Ora, ambos os métodos assentam numa física extremamente bem compreendida — o modelo cosmológico padrão ΛCDM para o Fundo Cósmico de Micro-ondas, e a calibração bem estabelecida das Cefeidas e das supernovas de tipo Ia para a escala de distâncias.

Medições independentes que complicam o panorama

Outros métodos, totalmente independentes dos dois anteriores, alimentam o debate sem o resolver. As oscilações acústicas de bariões (BAO), medidas em 2024 pelo instrumento DESI, dão um valor baixo de aproximadamente 68,4 km/s/Mpc, próximo do de Planck. Inversamente, medições recentes baseadas nos atrasos temporais de quasares com lente gravitacional (colaboração TDCOSMO, 2025) dão valores elevados, em torno de 70 a 78 km/s/Mpc, reforçando antes o campo das medições locais. Entre ambos, o método TRGB levado a cabo com o telescópio espacial James Webb dá valores intermédios, em torno de 69 a 70 km/s/Mpc, que poderiam indicar uma pista de resolução parcial — sem que a comunidade científica seja hoje unânime.

Nova física, ou simples erro sistemático?

Duas grandes hipóteses confrontam-se para explicar a tensão de Hubble. A primeira supõe a existência de um erro sistemático ainda não identificado num dos métodos de medição — um viés na calibração das Cefeidas, ou uma má compreensão de um parâmetro do modelo ΛCDM. A segunda, mais especulativa, envisage uma verdadeira nova física: uma forma de energia escura precoce, uma modificação da gravidade, ou uma física dos neutrinos diferente da aceite hoje. As futuras missões, como o telescópio espacial Nancy Grace Roman ou a missão Euclid da ESA, devem trazer dados adicionais nos próximos anos para tentar decidir entre estas hipóteses.

Qual é o efeito da expansão do Universo sobre a distância Terra-Sol?

Uma expansão em grande escala

A expansão do universo só se aplica sobre espaços muito grandes, isto é, entre entidades como os aglomerados de galáxias ou os superaglomerados.

Os sistemas ligados gravitacionalmente

No sistema solar, os objetos estão "ligados" pela força gravitacional do Sol e o conjunto pode ser considerado um sistema compacto.

Os objetos, dotados de uma massa e cuja velocidade de um em relação ao outro é inferior à sua velocidade de escape, fazem parte de um sistema gravitacional. Enquanto o sistema estiver ligado gravitacionalmente, o espaço entre os objetos não pode inchar sob o efeito de uma força antigravitacional. Todo o sistema está desacoplado da expansão do Universo observável. O mesmo se passa com o Sol no interior da Galáxia.

Tabela: Equivalências entre as unidades de distância

Esta tabela apresenta as equivalências entre as principais unidades de distância utilizadas em astronomia: o parsec (pc), o ano-luz (al), a unidade astronómica (ua) e o quilómetro (km).

Unidades de distância astronómicas
Unidades de distância	pc	al	ua	km
pc	1	3,26	206265	3,09x10¹³
al	0,307	1	63242	9,46x10¹²
ua	4,85x10^-6	1,58x10^-5	1	1,50x10⁸
km	3,24x10^-14	1,06x10^-13	6,68x10^-9	1

Referências

FAQ: Tudo o que precisa de saber sobre a constante de Hubble e a expansão do Universo

O que é a constante de Hubble?

A constante de Hubble é a taxa de expansão do Universo. Mede a velocidade à qual uma galáxia se afasta em função da sua distância. O seu valor situa-se entre 67 e 73 km/s/Mpc segundo o método de medição utilizado.

Qual é o valor atual da constante de Hubble?

O satélite Planck, a partir do Fundo Cósmico de Micro-ondas, mediu 67,4 km/s/Mpc, enquanto a equipa SH0ES, a partir das Cefeidas e das supernovas de tipo Ia, obtém aproximadamente 73 km/s/Mpc. Esta diferença, estatisticamente muito significativa, é chamada tensão de Hubble.

O que é a tensão de Hubble?

A tensão de Hubble designa o desacordo persistente, hoje superior a 5 desvios-padrão, entre o valor de H₀ deduzido do Universo primordial (Fundo Cósmico de Micro-ondas) e o medido no Universo próximo (escala de distâncias). A sua origem continua a ser debatida: erro sistemático não identificado, ou nova física para além do modelo padrão da cosmologia.

Como se medem as distâncias entre galáxias?

Os astrónomos utilizam uma escala de distâncias cósmicas: as Cefeidas, estrelas variáveis cuja luminosidade real se deduz do seu período de pulsação, permitem calibrar as supernovas de tipo Ia, utilizadas como velas padrão para as galáxias mais distantes. O método da ponta do ramo das gigantes vermelhas (TRGB) oferece uma calibração independente.

Porque é que a expansão do Universo não afeta o sistema solar?

A expansão só se aplica a distâncias muito grandes, entre aglomerados de galáxias. Os sistemas ligados pela gravidade, como o sistema solar ou a nossa Galáxia, estão desacoplados da expansão. A sua coesão gravitacional é muito mais forte do que a expansão do espaço.

O que é o tempo de Hubble?

O tempo de Hubble é o inverso da constante de Hubble. Dá uma estimativa da idade do Universo, aproximadamente 13,8 mil milhões de anos.

O que é o Fundo Cósmico de Micro-ondas?

O Fundo Cósmico de Micro-ondas (CMB) é uma radiação fóssil emitida aproximadamente 380 000 anos após o Big Bang. Constitui uma fotografia do Universo primordial e permite medir a constante de Hubble.

A expansão do Universo está acelerada?

Sim, desde 1998 sabe-se que a expansão do Universo está em aceleração. Esta aceleração é atribuída à energia escura, uma componente misteriosa que representa aproximadamente 69 % do Universo.

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