Nos principais modelos cosmológicos atuais, grande parte do universo é invisível: cerca de 95% dele é composto de matéria escura e energia escura. Os cientistas ainda não sabem exatamente o que são, mas seus efeitos são inconfundíveis. A matéria escura fornece a atração gravitacional extra que ajuda a moldar galáxias e aglomerados de estrelas, enquanto a energia escura está ligada à expansão acelerada do universo. Como esses componentes não emitem luz, os pesquisadores estão aprendendo sobre eles acompanhando como afetam o universo visível. Os astrofísicos da Universidade de Chicago estão fazendo exatamente isso, estudando uma nova região do céu para compreender melhor o universo oculto.
O Dark Energy Survey (DES) coletou observações entre 2013 e 2019 usando a Dark Energy Camera (DECam) instalada no telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano em Monte Tololo, Chile. Durante este período, o DES mediu e calibrou as formas de mais de 150 milhões de galáxias em 5.000 graus quadrados (cerca de um oitavo) do céu. Estas medições da forma das galáxias ajudam os cientistas a refinar as suas estimativas de como a massa se espalha pelo Universo e como a energia escura se comporta.
O DES também desempenhou um papel importante nos recentes quebra-cabeças envolvendo o modelo Lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo usando pesquisas de galáxias, como o DES, parecem estar em desacordo com as previsões baseadas no universo primitivo, inferidas a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – radiação remanescente do Big Bang.
Embora o DECam seja construído para suportar DES, ele também coleta muitas imagens fora da área de cobertura principal do DES. Num novo conjunto de artigos publicados no Open Astrophysical Journal, os astrofísicos da Universidade de Chicago usaram estas observações adicionais para quase duplicar o número de galáxias com formas medidas, adicionando dados de milhares de graus quadrados fora da região DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para trabalhos com lentes fracas, o conjunto de dados expandido fornece um método independente para reexaminar inconsistências anteriores do LCDM.
Lentes gravitacionais fracas e por que as formas das galáxias são importantes
As lentes gravitacionais, que ocorrem quando a massa desvia a luz, são uma das ferramentas mais poderosas para estudar a localização da massa no universo. Isto inclui matéria comum e matéria escura, e também pode revelar o papel da energia escura, disse Chihway Chang, professor associado de astronomia e astrofísica e líder do projeto de cisalhamento cósmico de lentes fracas Dark Energy Camera All-Data Everywhere (DECADE).
A galáxia não parece estar significativamente esticada por lentes gravitacionais fracas. Em vez disso, as suas formas aparecem apenas ligeiramente distorcidas (cortadas) à medida que a sua luz passa e envolve a matéria no seu caminho para a Terra. O sinal é muito pequeno, por isso os pesquisadores confiaram em métodos estatísticos para detectá-lo.
“Medições de lentes fracas são mais adequadas para detectar ‘aglomerados’ de matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, estudante de doutoramento em astronomia e astrofísica e analista principal e primeiro autor desta série de artigos DECADE. “Quantificar este aglomerado pode revelar a origem e evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. Isto é aproximadamente análogo a medir a distribuição de pessoas (matéria) que vivem em uma área e usar isso para compreender características como a topografia de uma paisagem ou a localização ou idade das áreas urbanas (fatores que influenciam a origem e evolução das estruturas).”
Meça distâncias de galáxias e teste modelos cosmológicos padrão
No trabalho DECADE, os investigadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram as distâncias dessas galáxias analisando o quanto a luz de cada galáxia se deslocou em direção aos comprimentos de onda vermelhos (desvio para o vermelho). Esta mudança indica a rapidez com que a galáxia se afasta da Terra, o que pode ser usado para calcular a sua distância da Terra.
Com a forma e a distância da galáxia em mãos, a equipe combinou o modelo LCDM com as observações. LCDM é um modelo cosmológico amplamente utilizado que explica a energia escura, a matéria escura, a matéria comum, os neutrinos e a radiação. “Este é um modelo bem testado que resistiu a muitas inspeções na última década, e nossos dados complementarão a história”, disse Zhang.
Os resultados do DECADE mostram um crescimento na estrutura cósmica consistente com as previsões do LCDM e com estudos anteriores de lentes fracas. “Além disso, quando comparamos nossas restrições com aquelas derivadas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas do universo primitivo, também concordamos fortemente”, disse Zhang. “Este último ponto tem sido um pomo de discórdia nos últimos cinco anos e, com base nos nossos novos resultados, podemos dizer que não vemos uma tensão entre as lentes fracas e a radiação cósmica de fundo.”
“Também fomos capazes de combinar as medições de lentes DECADE com as do DES para realizar uma análise de lentes galácticas que utiliza o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo o céu mais amplo (13.000 graus quadrados) até à data”, disse Anbajagane. “Dada uma quantidade tão grande de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras na nossa análise, como fazer ou usar apenas as medições em que mais confiamos, em vez de todas as medições que são úteis ou possíveis, e ainda fazer medições que sejam suficientemente precisas para fornecer informações significativas para as nossas comparações com o CMB.”
Pesquisas não convencionais baseadas em imagens de arquivo de telescópios
DECADE fornece uma verificação independente se os resultados de lentes fracas são consistentes com as expectativas baseadas na CMB, usando uma parte do céu diferente da DES, mas de tamanho comparável. Alex Delica-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado de astronomia e astrofísica na Universidade de Chicago, que lidera a década de observações, salienta que o sucesso não é garantido à partida. “Ainda não está claro se o conjunto de dados DECADE é de qualidade suficiente para análises cosmológicas, mas demonstrámos que produz resultados fiáveis”, disse ele.
Anbajagane explicou que uma característica marcante do projeto envolve decisões de qualidade de imagem. As pesquisas tradicionais de lentes fracas coletaram quase cem mil imagens dedicadas ao longo dos anos, com muitas imagens sendo rejeitadas quando não atendiam a critérios rigorosos. “O projeto DECADE é único porque reaproveita dados de arquivo – imagens originalmente obtidas pela comunidade astronómica para uma variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs a estrelas e aglomerados de galáxias distantes – e utiliza padrões de qualidade de imagem mais relaxados.
Esta abordagem pode influenciar a forma como os pesquisadores abordam futuros estudos de lentes fracas, incluindo trabalhos baseados na pesquisa Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). O uso de mais imagens disponíveis pode melhorar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens de arquivo dependeu muito de uma cuidadosa revisão de imagens liderada pelo estudante de doutorado em física Chin Yi Tan.
Enorme catálogo público de galáxias e colaboração global
Combinado com o DES, o catálogo final cobre aproximadamente um terço do céu (13.000 graus quadrados) e inclui 270 milhões de galáxias. O catálogo foi divulgado à comunidade científica neste outono, e os pesquisadores já começaram a usar as imagens para outros estudos, incluindo o estudo de galáxias anãs e novos mapas da massa do universo. “Juntamente com especialistas do Instituto Kaveri de Física Cosmológica, estamos trabalhando ativamente na aplicação de métodos analíticos adicionais aos nossos dados”, disse Amba Jagane.
A análise DECADE reúne cientistas da Universidade de Chicago, Fermilab e NCSA da UIUC, bem como colaboradores de Argonne, da Universidade de Wisconsin-Madison e de muitas outras instituições ao redor do mundo. “É muito especial ter todos esses componentes diferentes no corredor”, disse Zhang. “Também nos permitiu aprender uns com os outros e levou a resultados inesperados, mas maravilhosos, para este projeto.”
