No modelo cosmológico atual, a maior parte do universo é invisível: cerca de 95% do universo é composto por matéria escura e energia escura. Os cientistas ainda não sabem o que cada uma delas realmente é, mas sua influência é inegável. A matéria escura oferece gravidade extra que ajuda a formar galáxias e aglomerados, enquanto a energia escura está ligada à expansão acelerada do universo. Como esses componentes não emitem luz, os pesquisadores aprendem sobre eles rastreando como afetam o universo visível. Astrofísicos da Universidade de Chicago fizeram exatamente isso ao estudar uma nova região do céu para entender melhor o cosmos oculto.
Entre 2013 e 2019, a Pesquisa de Energia Escura (DES) coletou observações com a Câmera de Energia Escura (DECam) no Telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile. Durante esse período, a DES mediu e calibrou as formas de mais de 150 milhões de galáxias em 5.000 graus quadrados (cerca de um oitavo) do céu. Essas medições de forma das galáxias ajudam os cientistas a refinarem as estimativas de como a massa está distribuída pelo universo e como a energia escura se comporta.
A DES também desempenhou um papel em um enigma recente importante envolvendo o modelo Lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão usada para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo, utilizando levantamentos de galáxias como a DES, parecem discordar das previsões baseadas no universo primitivo, que são inferidas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) — a radiação remanescente do Big Bang.
Embora a DECam tenha sido construída para dar suporte à DES, ela também coletou muitas imagens fora da área principal da DES. Em um novo conjunto de artigos na Open Journal of Astrophysics, astrofísicos da UChicago utilizaram essas observações adicionais e quase dobraram o número de galáxias com formas medidas, ao adicionar dados de milhares de graus quadrados além da região da DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para o estudo de lente fraca, o conjunto de dados ampliado oferece uma maneira independente de verificar as inconsistências anteriores do LCDM.
Lente gravitacional fraca e por que as formas das galáxias importam
A lente gravitacional ocorre quando a massa curva a luz, e é uma das ferramentas mais poderosas para estudar onde a massa está no universo. Isso inclui matéria comum, bem como a matéria escura, e também pode esclarecer o papel da energia escura, disse Chihway Chang, professor associado de Astronomia e Astrofísica e líder do projeto DECADE de lente gravitacional fraca.
Na lente gravitacional fraca, as galáxias não parecem dramaticamente alongadas. Em vez disso, suas formas aparecem apenas ligeiramente distorcidas (esticadas) porque a luz delas passa através e ao redor da matéria em seu caminho para a Terra. O sinal é extremamente pequeno, portanto, os pesquisadores dependem de métodos estatísticos para detectá-lo.
“As medições de lente fraca são melhores para investigar a ‘agregação’ da matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, aluno de doutorado em Astronomia e Astrofísica que é analista principal e primeiro autor da série de artigos DECADE. “Quantificar essa agregação esclarece a origem e a evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. Isso é vagamente semelhante a medir a distribuição de pessoas (a matéria) vivendo em uma região e usar isso para entender características como a topografia da paisagem ou a localização ou idade de áreas urbanas (fatores que influenciam a origem e a evolução das estruturas).”
Medindo distâncias de galáxias e testando o modelo padrão de cosmologia
Para o trabalho do DECADE, os pesquisadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram quão longe essas galáxias estão, analisando quanto a luz de cada galáxia se desloca em direção a comprimentos de onda vermelhos (deslocamento para o vermelho). Esse deslocamento mostra quão rapidamente uma galáxia está se afastando, e pode ser usado para calcular sua distância da Terra.
Com as formas e distâncias das galáxias em mãos, a equipe ajustou o modelo LCDM às observações. O LCDM é o modelo de cosmologia amplamente utilizado que leva em conta energia escura, matéria escura, matéria comum, neutrinos e radiação. “Este é um modelo bem testado que sobreviveu a muitas avaliações na última década, e nosso ponto de dados vai adicionar à 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 lente fraca. “Além disso, ao comparar nossas restrições com aquelas derivadas e extrapoladas do CMB do universo primitivo, também concordamos bem”, disse Chang. “Este último ponto tem sido uma fonte de debate nos últimos cinco anos, e com nossos novos resultados, podemos afirmar que não vemos tensão entre a lente fraca e o CMB.”
“Também somos capazes de combinar as medições de lente do DECADE com as da DES, resultando em uma análise de lente de galáxia que usa o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo a área mais ampla do céu (13.000 graus quadrados) até agora”, disse Anbajagane. “Dada essa grande quantidade de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras em nossa análise — como fazer ou usar apenas as medições em que mais confiamos, em vez de todas as medições úteis ou possíveis — e ainda assim fazer uma medição com precisão suficiente para informar de maneira significativa nossas comparações com o CMB.”
Uma pesquisa incomum construída a partir de imagens de telescópios arquivadas
O DECADE fornece uma verificação independente sobre se os resultados da lente fraca concordam com as expectativas baseadas no CMB, usando uma parte diferente do céu do que a DES, mas em uma escala comparável. Alex Drlica-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado da UChicago em Astronomia e Astrofísica que liderou a campanha de observação DECADE, observou que o sucesso não era garantido desde o início. “Não estava claro que o conjunto de dados DECADE seria de qualidade suficiente para realizar uma análise cosmológica, mas mostramos que ele pode, de fato, produzir resultados robustos”, disse ele.
Uma característica marcante do projeto envolveu decisões sobre a qualidade das imagens, explicou Anbajagane. Pesquisas tradicionais de lente fraca coletam quase cem mil imagens feitas sob medida ao longo de muitos anos, e muitas imagens são rejeitadas quando não atendem a critérios rigorosos. “O projeto DECADE é único porque reaproveita dados arquivados — imagens originalmente capturadas pela comunidade astronômica para uma ampla variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs até estrelas e aglomerados de galáxias distantes — e utiliza critérios de qualidade de imagem significativamente mais permissivos. Nosso trabalho demonstra que análises robustas de lente podem ser realizadas mesmo sem campanhas de imagens dedicadas à lente”, disse ele.
Essa abordagem pode influenciar como os pesquisadores lidam com estudos futuros de lente fraca, incluindo trabalhos baseados na pesquisa Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Usar uma maior parte das imagens disponíveis pode aumentar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de utilizar imagens arquivadas também dependia fortemente de uma cuidadosa inspeção das imagens, liderada por Chin Yi Tan, um estudante de doutorado em Física.
Um catálogo massivo de galáxias público e colaboração global
Combinado com a DES, o catálogo final abrange cerca de um terço do céu (13.000 graus quadrados) e inclui 270 milhões de galáxias. O catálogo foi lançado para a comunidade científica neste outono, e os pesquisadores já começaram a usar as imagens para outros estudos, incluindo trabalhos sobre galáxias anãs e novos mapas da massa do universo. “Estamos ativamente trabalhando na aplicação de outros métodos de análise aos nossos dados, juntamente com especialistas do Kavli Institute for Cosmological Physics”, disse Anbajagane.
A análise do DECADE reuniu cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA da UIUC, juntamente com colaboradores de Argonne, UW-Madison e muitas outras instituições em todo o mundo. “Foi muito especial ter esses diferentes componentes todos sentados no corredor”, disse Chang. “Isso também nos permitiu aprender uns com os outros – e resultou em um resultado inesperado, mas maravilhoso, deste projeto.”