Os novos resultados do Dark Energy Survey usaram a maior amostra de galáxias já feita sobre um enorme pedaço do céu para produzir as medições mais precisas da composição e do crescimento do universo até hoje. 

Imagem de campo profundo: dez áreas no céu foram selecionadas como "campos profundos" que a Camêra de Energia Escura fotografou várias vezes durante a pesquisa, fornecendo um vislumbre de galáxias e ajudando a determinar sua distribuição 3-D no cosmos. Crédito: Dark Energy.

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Os cientistas mediram a maneira como a matéria é distribuída por todo o universo e se é consistente com as previsões do modelo cosmológico padrão, o melhor modelo atual do universo.

Ao longo de seis anos, o DES pesquisou 5.000 graus quadrados, quase um oitavo de todo o céu, em 758 noites de observação, catalogando centenas de milhões de objetos. Os resultados anunciados hoje baseiam-se em dados dos primeiros três anos - 226 milhões de galáxias observadas ao longo de 345 noites - para criar os maiores e mais precisos mapas da distribuição de galáxias no universo em épocas relativamente recentes.

Uma vez que o DES estudou galáxias próximas, bem como aqueles bilhões de anos-luz de distância, seus mapas forneceram um instantâneo da atual estrutura em grande escala do universo e um filme de como essa estrutura evoluiu ao longo dos últimos 7 bilhões de anos.

Para testar o modelo atual do universo dos cosmologistas, os cientistas do DES compararam seus resultados com medições do observatório orbital Planck da Agência Espacial Europeia. Planck usou sinais de luz conhecidos como microondas cósmico de fundo para espiar até o início do universo, apenas 400.000 anos após o Big Bang. Os dados do Planck fornecem uma visão precisa do universo 13 bilhões de anos atrás, e o modelo cosmológico padrão prevê como a matéria escura deve evoluir até o presente. Se as observações do DES não corresponderem a essa previsão, é possível que haja um aspecto não descoberto do universo.

“No aspecto para restringir o que sabemos sobre a distribuição e estrutura da matéria em grandes escalas como impulsionada pela matéria escura e energia escura, o DES obteve limites que rivalizam e complementam aqueles da radiação cósmica de fundo”, disse Brian Yanny, um cientista  do Fermilab que coordenou o processamento e gerenciamento de dados do DES. “É emocionante ter medições precisas do que está lá fora e uma melhor compreensão de como o universo mudou desde sua infância até hoje.”

A matéria comum representa apenas cerca de 5% do universo. A energia escura, que os cosmologistas acreditam que impulsiona a expansão acelerada do universo ao neutralizar a força da gravidade, é responsável por cerca de 70%. Os últimos 25% da matéria escura, influência a união gravitacional das galáxias. Tanto a matéria escura quanto a energia escura permanecem invisíveis e misteriosas, mas o DES busca iluminar suas naturezas estudando como uma competição entre elas molda uma estrutura em grande escala do universo ao longo do tempo cósmico.

O Dark Energy Survey registrou cerca de 5.000 graus quadrados do céu meridional. A pesquisa mapeou centenas de milhões de galáxias para ajudar os pesquisadores a entender a expansão acelerada do nosso universo. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

O DES fotografou o céu noturno usando uma câmera Dark Energy de 570 megapixels no telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, um programa do NOIRLab da National Science Foundation. Uma das câmeras digitais mais poderosas do mundo, essa câmera Dark Energy foi projetada especificamente para DES e construída e testada no Fermilab. Os dados DES foram processados no National Center for Supercomputing Applications da University of Illinois at Urbana-Champaign. Foi financiado pelo Departamento de Energia (DOE) e foi construído e testado no Fermilab do DOE.

“Essas análises são realmente de última geração, exigindo inteligência artificial e computação de alto desempenho supercarregada pelos jovens cientistas mais inteligentes”, disse Scott Dodelson, físico da Carnegie Mellon University que co-lidera o DES Science Committee com Elisabeth Krause, da Universidade do Arizona. “Que honra fazer parte desta equipe.”

Para quantificar a distribuição da matéria escura e o efeito da energia escura, o DES se baseou em dois fenômenos principais. Primeiro, em grandes escalas, as galáxias não são distribuídas aleatoriamente pelo espaço, mas formam uma estrutura semelhante a uma teia devido à gravidade da matéria escura. O DES mediu como esta teia cósmica evoluiu ao longo da história do universo. O aglomerado de galáxias que forma a teia cósmica, por sua vez, revelou regiões com maior densidade de matéria escura.

Em segundo lugar, o DES detectou a assinatura da matéria escura por meio de lentes gravitacionais fracas. Conforme a luz de uma galáxia distante viaja pelo espaço, a gravidade da matéria comum e escura pode dobrá-la, resultando em uma imagem distorcida da galáxia vista da Terra. Ao estudar como as formas aparentes de galáxias distantes estão alinhadas umas com as outras e com as posições das galáxias próximas ao longo da linha de visão, os cientistas do DES inferiram a distribuição espacial (ou aglomeração) da matéria escura no universo.

Analisar as enormes quantidades de dados coletados pelo DES que foi uma tarefa formidável. A equipe começou analisando apenas os dados do primeiro ano, divulgados em 2017. Esse processo preparou os pesquisadores para usar técnicas mais sofisticadas de análise do conjunto maior de dados, que inclui a maior amostra de galáxias já usada para estudar lentes gravitacionais fracas.

Por exemplo, calcular o desvio para o vermelho de uma galáxia - a mudança no comprimento de onda da luz devido à expansão do universo - é um passo fundamental para medir como o agrupamento de galáxias e as lentes gravitacionais fracas mudam ao longo da história cósmica. O desvio para o vermelho de uma galáxia está relacionado à sua distância, o que permite que o agrupamento seja caracterizado no espaço e no tempo.

“Houve uma melhoria significativa em como calibrar as distribuições de redshift das amostras de galáxias”, disse Judit Prat, um pós-doutorado da Universidade de Chicago que analisou lentes gravitacionais fracas capturadas pelo DES. “Foi um grande esforço no qual as pessoas trabalharam muito. Agora temos um método que ninguém usou antes e é muito robusto.”

Dez regiões do céu foram escolhidas como “campos profundos” que a Camera de Energia Escura fotografou repetidamente ao longo da pesquisa. O empilhamento dessas imagens permitiu aos cientistas vislumbrar galáxias mais distantes. A equipe então usou as informações do redshift dos campos profundos para calibrar as medições do redshift no resto da região de pesquisa. Este e outros avanços em medições e modelagem, juntamente com um aumento de três vezes nos dados em comparação com o primeiro ano, permitiram que a equipe identificasse a densidade e aglomeração do universo com uma precisão sem precedentes.

Junto com a análise dos sinais de lentes fracas, o DES também mede com precisão outras sondas que restringem o modelo cosmológico de maneiras independentes: aglomeração de galáxias em escalas maiores (oscilações acústicas bárions), a frequência de aglomerados massivos de galáxias e medições de alta precisão dos brilhos e redshifts das supernovas Tipo Ia. Essas medições adicionais serão combinadas com a atual análise de lentes fracas para produzir restrições ainda mais rigorosas no modelo padrão.

“O DES forneceu resultados científicos de ponta e econômicos, diretamente relacionados à missão do Fermilab de buscar a natureza fundamental da matéria, energia, espaço e tempo”, disse o Diretor do Fermilab Nigel Lockyer. “Uma equipe dedicada de cientistas, engenheiros e técnicos de instituições de todo o mundo trouxe o DES à prática.”

A colaboração do DES consiste em mais de 400 cientistas de 25 instituições em sete países.

“A colaboração é notavelmente jovem. Está fortemente inclinada na direção de pós-doutorandos e estudantes de graduação que estão fazendo uma grande parte desse trabalho”, disse o diretor e porta-voz do DES, Rich Kron, que é cientista do Fermilab e da Universidade de Chicago. “Isso é realmente gratificante. Uma nova geração de cosmologistas está sendo treinada usando o Dark Energy Survey.”

DES concluiu as observações do céu noturno em 2019. Com a experiência de analisar a primeira metade dos dados, a equipe agora está preparada para lidar com o conjunto completo de dados. A análise final do DES deve pintar uma imagem ainda mais precisa da matéria escura e da energia escura no universo. E os métodos desenvolvidos pela equipe abriram caminho para futuras pesquisas do céu para sondar os mistérios do cosmos.

O Dark Energy Survey fotografou o céu noturno usando a câmera Dark Energy de 570 megapixels no telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, um programa do NOIRLab da National Science Foundation. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

“O verdadeiro legado do DES serão os avanços que tivemos, que foram essenciais para este resultado chave e que serão críticos para a próxima geração de experimentos cosmológicos que começam em breve”, disse Michael Troxel, físico da Duke University e o principal coordenador do projeto para a análise de dados de três anos do DES. Os próximos experimentos incluem experimentos de imagem baseados no espaço e levantamentos baseados em solo, como o Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time.

“Com esses instrumentos que construímos para olhar no escuro, estamos trabalhando para resolver mistérios universais”, disse Troxel.

Os resultados recentes do DES foram apresentados em um seminário científico em 27 de maio. Vinte e nove artigos estão disponíveis no repositório online arXiv.

A ciência brasileira

A participação de cientistas brasileiros no DES só foi possível graças às contribuições in-kind feitas pelo Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) à colaboração ao longo dos mais de 14 anos com o apoio financeiro do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia do e-Universo, FINEP, CNPq, FAPERJ e FAPESP. “Para essa análise a maior contribuição direta da equipe brasileira foi no estudo e validação da chamada matriz de covariância, importante ingrediente para a estimativa de parâmetros cosmológicos a partir das medidas observacionais, e da análise da Oscilação Acústica de Bárions.", disse Rogério Rosenfeld, professor da IFT-UNESP/ICTP-SAIFR e um dos pesquisadores brasileiros envolvidos neste estudo.

“É com enorme satisfação ver os pesquisadores brasileiros, na sua maioria no início de carreira, participarem proativamente neste trabalho de vanguarda.” comenta o Diretor geral do LIneA, Luiz Nicolaci. “Isso mostra que estamos preparados para contribuir efetivamente para o próximo grande experimento, o Legacy Survey of Space and Time”, completa Nicolaci.

Os resultados recentes do DES serão apresentados em um seminário científico em 27 de maio. Vinte e nove trabalhos estão disponíveis no repositório online arXiv.org.

A participação de cientistas brasileiros no DES é coordenada pelo Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia, LIneA, e pelo Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia do e-Universo, com apoio financeiro da FINEP, CNPq, FAPERJ e FAPESP.

Recurso adicional:

• Vídeo do resultado do Dark Energy Survey: Exploring 7 billion light years of space with the Dark Energy Survey (legenda em Português gerada automaticamente pelo YouTube).

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Referência: 

MARC, Tracy. Dark Energy Survey releases most precise look at the universe’s evolution. Fermilab, Chicago, 27, mai. 2021. Disponível em: <https://news.fnal.gov/2021/05/dark-energy-survey-releases-most-precise-look-at-the-universes-evolution/?fbclid=IwAR20yDQ3QhTCjUpSXaHWwbZ9vbpuM_DUepHYsClMl1CqyWUPqNnu6KamiZs>. Acesso em: 28, mai. 2021.