No modelo atual de cosmologia, a maior parte do universo é invisível: cerca de 95% do universo é composto de matéria escura e energia escura. Os cientistas ainda não sabem o que realmente é, mas seus efeitos não são claros. A matéria escura fornece gravidade extra que ajuda a moldar galáxias e aglomerados, enquanto a energia escura está associada à expansão acelerada do universo. Como estes elementos não emitem luz, os investigadores podem aprender sobre eles rastreando como afectam o universo visível. Os astrofísicos da Universidade de Chicago fizeram exatamente isso, estudando uma nova região do céu para compreender melhor o cosmos oculto.
Entre 2013 e 2019, o Dark Energy Survey (DES) coletou observações com a Dark Energy Camera (DECam) no telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile. Durante esse período, o DES mediu e calibrou o tamanho 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 está distribuída no Universo e como a energia escura se comporta.
O DES também desempenhou um papel num importante quebra-cabeça recente envolvendo o modelo lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão usada para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo usando pesquisas de galáxias, como o DES, parecem discordar das previsões baseadas no universo primitivo, inferidas a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – radiação que sobrou do Big Bang.
Embora o DECam tenha sido construído para suportar DES, ele coletou muitas imagens além da pegada original do DES. Num novo conjunto publicado no Open Journal of Astrophysics, os astrofísicos da UChicago usaram essas observações adicionais e quase duplicaram o número de galáxias com tamanhos medidos, adicionando dados de milhares de graus quadrados fora da região DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para trabalhos de lentes fracas, o conjunto de dados expandido fornece um meio independente de reexaminar anomalias anteriores do LCDM.
Lentes gravitacionais fracas e por que as formas das galáxias são importantes
As lentes gravitacionais ocorrem quando a massa desvia a luz e é uma das ferramentas mais poderosas para estudar a localização da massa no universo. Ele contém matéria escura, além da matéria normal, e pode lançar luz sobre o papel da energia escura, disse Chihwe Chang, professor associado de astronomia e astrofísica e chefe do projeto Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE) Weak Lensing Cosmic Shear.
Em lentes gravitacionais fracas, as galáxias não parecem se expandir dramaticamente. Em vez disso, as suas formas parecem ligeiramente distorcidas (cortadas) à medida que a sua luz passa através e à volta da matéria no seu caminho para a Terra. O sinal é extremamente pequeno, por isso os pesquisadores contam com métodos estatísticos para detectá-lo.
“As medições de lentes fracas são ideais para sondar a ‘inércia’ da matéria,” disse Dhaya Anbazagane, estudante de doutoramento em astronomia e astrofísica, analista principal e primeiro autor de uma série de artigos do DECADE. “Medir esta inércia lança luz sobre a origem e evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. É semelhante a medir a distribuição de pessoas (matéria) que vivem em uma área e usá-la para compreender características como a topografia de uma paisagem ou a localização ou idade das áreas urbanas (fatores de evolução e fatores de formação).”
Medindo distâncias de galáxias e testando o modelo de cosmologia padrão
Para o trabalho DECADE, os investigadores mediram os tamanhos de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram a que distância essas galáxias estão, analisando o quanto a luz de cada galáxia se desloca em direção aos comprimentos de onda vermelhos (desvio para o vermelho). Essa mudança mostra a rapidez com que uma galáxia se afasta e pode ser usada para calcular a sua distância da Terra.
Com o tamanho e a distância da galáxia em mãos, a equipe ajustou o modelo LCDM às observações. O LCDM é o modelo cosmológico mais amplamente utilizado que leva em conta a energia escura, a matéria escura, a matéria comum, os neutrinos e a radiação. “Este é um modelo bem testado que sobreviveu a muitos, muitos testes na última década, e nossos dados continuam a contribuir para essa história”, disse Chang.
Os resultados do DECADE mostram que o crescimento da estrutura cósmica corresponde ao que o LCDM prevê, alinhando-se com estudos anteriores de lentes fracas. “Além disso, quando as nossas restrições são comparadas com as obtidas e extrapoladas a partir da CMB do universo primitivo, também concordamos bem,” disse Chang. “Este último ponto tem sido uma fonte de debate nos últimos cinco anos e, com os nossos novos resultados, podemos dizer que não vemos a tensão entre lentes fracas e a CMB.”
“Conseguimos combinar medições de lentes DECADE com DES, resultando numa análise de lentes galácticas que utiliza o maior número de galáxias (270 milhões) na área mais larga do céu (13.000 graus quadrados) até à data,” disse Anbazagane. “Dada esta grande quantidade de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras na nossa análise – como criar ou utilizar as medições em que mais acreditamos, em vez de todas as medições úteis ou possíveis – e ainda fazer uma medição com precisão suficiente para informar significativamente a nossa comparação com o CMB.”
Uma pesquisa não convencional construída a partir de imagens de arquivo de telescópios
DECADE fornece uma verificação independente de que os resultados de lentes fracas estão de acordo com as expectativas baseadas na CMB, usando uma parte do céu diferente da DES, mas numa escala comparável. Alex Drolica-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado de astronomia e astrofísica da UChicago que liderou a campanha de observação DECADE, observou que o sucesso não estava garantido no início. “Não estava claro se o conjunto de dados DECADE teria qualidade suficiente para realizar uma análise cosmológica, mas mostrámos que pode produzir resultados realmente robustos”, disse ele.
Uma característica marcante do projeto envolveu decisões de qualidade de imagem, explicou Anbajagane. As pesquisas tradicionais de lentes fracas coletam cerca de cem mil imagens construídas especificamente ao longo de muitos anos, e muitos quadros são rejeitados quando falham em critérios rigorosos. “O projeto DECADE é único porque reutiliza dados de arquivo – imagens originalmente obtidas pela comunidade astronómica para uma variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs a aglomerados de galáxias distantes – e utiliza critérios significativamente mais rigorosos para a qualidade da imagem. O nosso trabalho mostra que lentes fortes são analisadas mesmo que não possamos fazer campanha,” disse ele.
Esta abordagem pode afetar a forma como os pesquisadores conduzem futuros estudos de lentes fracas, incluindo Vera C. Rubin é baseado na pesquisa Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Usar uma parcela maior de imagens disponíveis pode aumentar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens de arquivo também depende muito da inspeção cuidadosa das imagens, liderada por Chin Yi Tan, um estudante de doutorado em física.
Um enorme catálogo público de galáxias e colaboração global
Combinado com o DES, o catálogo final cobre cerca de 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 investigadores já começaram a utilizar as imagens para outros estudos, incluindo trabalhos sobre galáxias anãs e novos mapas da massa do Universo. “Estamos trabalhando ativamente com especialistas do Instituto Kavli de Física Cosmológica, bem como aplicando outros métodos de análise aos nossos dados”, disse Anbazagane.
A análise DECADE reuniu cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA na UIUC, com colaboradores de Argonne, UW-Madison e muitas outras instituições em todo o mundo. “Ter esses elementos diferentes no corredor foi muito especial”, disse Chang. “Também nos permitiu aprender uns com os outros – e resultou num resultado inesperado, mas maravilhoso, deste projeto.”
