No atual modelo de cosmologia, a maior parte do universo é invisível: cerca de 95 por cento do universo consiste em matéria escura e energia escura. Os cientistas ainda não sabem o que realmente é, mas a sua influência é clara. A matéria escura fornece a gravidade extra que ajuda a formar galáxias e aglomerados, enquanto a energia escura está associada à aceleração da expansão do universo. Como esses ingredientes não emitem luz, os pesquisadores aprendem sobre eles rastreando como afetam 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) do telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Talolo, no 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 estimativas de como a massa está distribuída no Universo e como a energia escura se comporta.
O DES também desempenhou um papel importante em um grande 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, pareciam discordar das previsões baseadas no universo primitivo, que são baseadas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – a radiação restante do Big Bang.
Embora o DECam tenha sido criado para suportar DES, ele também coletou muitas imagens fora do DES principal. Num novo conjunto de artigos publicados no Open Journal of Astrophysics, os astrofísicos da UChicago usaram estas observações adicionais e quase duplicaram o número de galáxias com formas medidas, adicionando dados de milhares de graus quadrados fora da área do DES. Como essas imagens não foram originalmente tiradas com lentes fracas, o conjunto de dados estendido oferece uma maneira independente de verificar novamente as discrepâncias 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 o lugar da massa no universo. Isto inclui matéria comum, bem como matéria escura, e também pode lançar luz sobre o papel da energia escura, disse Chiwei Chang, professor assistente no Departamento de Astronomia e Astrofísica e líder do projeto Cosmic Shift Weak Lens Dark Energy Camera – All Data Everywhere (DECADE).
Com lentes gravitacionais fracas, as galáxias não parecem muito esticadas. Em vez disso, as suas formas parecem apenas ligeiramente distorcidas (deslocadas) porque 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.
“Medições de lentes fracas são a melhor maneira de testar a ‘grumosidade’ da matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, estudante de graduação em astronomia e astrofísica, analista principal e primeiro autor da série de artigos DECADE. “Quantificar esta desigualdade lança luz sobre a origem e evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. É um pouco como medir a distribuição de pessoas (matéria) que vivem numa região e usar isso para compreender características como a topografia ou a localização ou idade das áreas urbanas (factores que influenciam a origem e evolução das estruturas).”
Medindo distâncias até galáxias e testando o modelo cosmológico padrão
Para o trabalho DECADE, os investigadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram a distância que essas galáxias estão, analisando o quanto a luz de cada galáxia é deslocada em direção aos comprimentos de onda vermelhos (desvio para o vermelho). Esta mudança mostra a rapidez com que a galáxia está a retroceder e pode ser usada para calcular a sua distância à Terra.
Com as formas e distâncias das galáxias em mãos, a equipe ajustou o modelo LCDM às observações. O LCDM é um modelo cosmológico amplamente utilizado que leva em consideração 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 ao longo da última década, e os nossos dados irão contribuir para essa história”, disse Chang.
Os resultados do DECADE mostram que o crescimento da estrutura cósmica é consistente com o que o LCDM prevê, consistente com estudos anteriores de lentes fracas. “Além disso, quando comparamos as nossas restrições com as obtidas e extrapoladas a partir da CMB do universo primitivo, também estamos de acordo,” disse Chang. “Esse último ponto tem sido uma fonte de debate nos últimos cinco anos, e com os nossos novos resultados podemos dizer que não vemos uma tensão entre a lente fraca e a CMB”.
“Também podemos combinar as medições das lentes DECADE com as medições das lentes DES, resultando numa análise de lentes galácticas que utiliza o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo a parte mais larga do céu (13.000 graus quadrados) até à data,” disse Anbajagane. “Dada esta grande quantidade de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras na nossa análise – por exemplo, fazer ou usar apenas as medições nas quais temos mais confiança, 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.”
Um estudo não convencional baseado em imagens de arquivo de telescópios
DECADE fornece uma verificação independente sobre se os resultados de lentes fracas são consistentes com as expectativas baseadas na CMB, utilizando uma parte do céu diferente da DES, mas numa escala comparável. Alex Drlicka-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado de astronomia e astrofísica na Universidade de Chicago, que liderou a campanha de observação DECADE, observou que o sucesso não estava garantido desde o início. “Não estava claro se o conjunto de dados DECADE teria qualidade suficiente para realizar uma análise cosmológica, mas demonstrámos que pode de facto produzir resultados fiáveis”, disse ele.
Uma característica distintiva do projeto foram as soluções de qualidade de imagem, explicou Anbajagane. As pesquisas tradicionais com lentes fracas coletam cerca de cem mil imagens personalizadas ao longo dos anos, e muitos quadros são rejeitados se não atenderem a padrões rígidos. “O projeto DECADE é único na medida em que reaproveita dados de arquivo – imagens originalmente obtidas pela comunidade astronómica para uma variedade de fins científicos, desde o estudo de galáxias anãs a estrelas e enxames de galáxias distantes – e utiliza critérios de qualidade de imagem muito mais permissivos. O nosso trabalho mostra que uma análise de lentes fiável pode ser feita mesmo que não tenhamos empresas dedicadas à imagem de lentes,” disse ele.
Esta abordagem pode influenciar a forma como os investigadores lidam com estudos futuros de lentes fracas, incluindo trabalhos baseados no estudo espaço-tempo de Vera S. Rubin (Rubin LSST). Usar uma fração maior de imagens disponíveis pode melhorar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens de arquivo também dependeu muito de uma revisão cuidadosa das imagens liderada por Chin Yi Tan, um estudante de pós-graduação em física.
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 de massa do Universo. “Estamos trabalhando ativamente na aplicação de outros métodos para analisar nossos dados junto com especialistas do Instituto Cowley de Física Cosmológica”, disse Anbajagane.
A análise DECADE reuniu cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA da UIUC, bem como colaboradores de Argonne, UW-Madison e muitas outras instituições ao redor do mundo. “Foi muito especial ter todos esses componentes diferentes no corredor”, disse Chang. “Também nos permitiu aprender uns com os outros – e levou ao resultado inesperado, mas maravilhoso, deste projeto.”
