No modelo de cosmologia predominante atualmente, 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 exatamente o que esses componentes são, mas sua influência é inegável. A matéria escura fornece gravidade adicional que ajuda a moldar galáxias e aglomerados, enquanto a energia escura está relacionada 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, 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 as formas de mais de 150 milhões de galáxias em 5.000 graus quadrados (cerca de um oitavo) do céu. Essas medições de forma de galáxias ajudam os cientistas a refinar estimativas sobre como a massa está distribuída pelo universo e como a energia escura se comporta.
O DES também desempenhou um papel em um grande enigma recente envolvendo o modelo Lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão usada para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo usando levantamentos de galáxias como o DES pareceram discordar das previsões baseadas no universo primitivo, que são inferidas a partir do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) — a radiação remanescente da Grande Explosão.
Embora a DECam tenha sido construída para apoiar o DES, também coletou muitas imagens fora da área principal do DES. Em um novo conjunto de artigos no Open Journal of Astrophysics, astrofísicos da UChicago usaram essas observações adicionais e quase dobraram o número de galáxias com formas medidas ao adicionar dados de milhares de graus quadrados além da região do DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para trabalhar com lentes fracas, o conjunto de dados ampliado oferece uma maneira independente de reexaminar as inconsistências anteriores do LCDM.
Lentificação gravitacional fraca e por que as formas das galáxias são importantes
A lentificação gravitacional ocorre quando a massa dobra a luz, e é uma das ferramentas mais poderosas para estudar onde a massa está localizada no universo. Isso inclui tanto a matéria comum quanto a matéria escura e também pode lançar luz sobre o papel da energia escura, disse Chihway Chang, professor associado de Astronomia e Astrofísica e líder do projeto de lentificação cósmica fraca da Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE).
Na lentificação gravitacional fraca, as galáxias não parecem dramaticamente distorcidas. Em vez disso, suas formas aparecem levemente distorcidas (esticadas) porque sua luz passa por e ao redor da matéria ao caminho da Terra. O sinal é extremamente pequeno, então os pesquisadores dependem de métodos estatísticos para detectá-lo.
“As medições de lentificação fraca são as melhores para investigar a ‘aglomeração’ da matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, um estudante de doutorado em Astronomia e Astrofísica que é analista líder e primeiro autor na série de artigos do DECADE. “Quantificar essa aglomeração lança luz sobre a origem e evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. Isso é vagamente análogo 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 evolução de estruturas).”
Medindo distâncias de galáxias e testando o modelo cosmológico padrão
Para o trabalho do DECADE, os pesquisadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram a distância dessas galáxias analisando quanto a luz de cada galáxia se desvia para comprimentos de onda vermelhos (redshift). Essa mudança mostra quão rapidamente uma galáxia está se afastando, e pode ser usada 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 a energia escura, a matéria escura, a matéria comum, neutrinos e radiação. “Este é um modelo bem testado que sobreviveu a muitos testes na última década, e o nosso ponto de dados vai adicionar a 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 lentificação fraca. “Além disso, ao compararmos nossas restrições com aquelas derivadas e extrapoladas do CMB do universo primitivo, concordamos bem”, disse Chang. “Esse último ponto tem sido uma fonte de debate nos últimos cinco anos, e com nossos novos resultados, podemos afirmar que não vemos tensão entre lentificação fraca e CMB.”
“Também somos capazes de combinar as medições de lentificação do DECADE com as do DES, resultando em uma análise de lentificação de galáxias que usa o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo a maior área do céu (13.000 graus quadrados) até hoje”, 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, ao invés de todas as medições úteis ou possíveis – e ainda assim fazer uma medição com precisão suficiente para informar significativamente nossas comparações com o CMB.”
Uma pesquisa não convencional construída a partir de imagens de telescópios arquivadas
O DECADE fornece uma verificação independente sobre se os resultados da lentificação fraca concordam com as expectativas baseadas no CMB, usando uma parte diferente do céu do que o 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 do DECADE, observou que o sucesso não estava garantido desde o início. “Não estava claro se o conjunto de dados do DECADE teria 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 lentificação fraca coletam cerca de cem mil imagens construídas para esse propósito ao longo de muitos anos, e muitas imagens são rejeitadas quando falham em padrões rigorosos. “O projeto DECADE é único porque reaproveita dados arquivados — imagens originalmente tiradas pela comunidade astronômica para uma ampla variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs até estrelas e aglomerados de galáxias distantes — e usa critérios significativamente mais permissivos para a qualidade das imagens. Nosso trabalho mostra que análises robustas de lentificação podem ser feitas mesmo sem campanhas de imagens dedicadas à lentificação”, disse ele.
Essa abordagem pode influenciar a maneira como os pesquisadores lidam com estudos futuros de lentificação fraca, incluindo trabalhos baseados no levantamento Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Usar uma parte maior das imagens disponíveis poderia aumentar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens arquivadas também dependia fortemente de uma inspeção cuidadosa das imagens, liderada por Chin Yi Tan, um estudante de doutorado em Física.
Um catálogo massivo 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 liberado 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 trouxe juntos cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA da UIUC, junto com colaboradores de Argonne, UW-Madison, e muitas outras instituições em todo o mundo. “Foi bastante especial ter esses diferentes componentes todos juntos no corredor”, disse Chang. “Isso também nos permitiu aprender uns com os outros — e resultou em um desfecho inesperado, mas maravilhoso, desse projeto.”
