.
Parece um paradoxo clássico: como você vê o invisível? Mas para os astrônomos modernos, é um desafio muito real: como você mede a matéria escura, que por definição não emite luz?
A resposta: você vê como isso afeta as coisas que você pode ver. No caso da matéria escura, os astrônomos observam como a luz de galáxias distantes se curva em torno dela.
Uma equipe internacional de astrofísicos e cosmólogos passou o ano passado desvendando os segredos desse material indescritível, usando simulações de computador sofisticadas e observações de uma das câmeras astronômicas mais poderosas do mundo, a Hyper Suprime-Cam (HSC). A equipe é liderada por astrônomos da Universidade de Princeton e das comunidades astronômicas do Japão e de Taiwan, usando dados dos primeiros três anos do levantamento do céu HSC, um levantamento de imagens de campo amplo realizado com o telescópio Subaru de 8,2 metros no cume do Maunakea no Havaí. Subaru é operado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão; seu nome é a palavra japonesa para o aglomerado de estrelas que chamamos de Plêiades.
A equipe apresentou suas descobertas em um webinar com a participação de mais de 200 pessoas e compartilhará seu trabalho na conferência “Future Science with CMB x LSS” no Japão.
“Nosso objetivo geral é medir algumas das propriedades mais fundamentais do nosso universo”, disse Roohi Dalal, estudante de pós-graduação em astrofísica em Princeton. “Sabemos que a energia escura e a matéria escura compõem 95% do nosso universo, mas entendemos muito pouco sobre o que realmente são e como evoluíram ao longo da história do universo. Aglomerados de matéria escura distorcem a luz de galáxias distantes através de lentes gravitacionais fracas, um fenômeno previsto pela Teoria Geral da Relatividade de Einstein. Essa distorção é um efeito muito, muito pequeno; a forma de uma única galáxia é distorcida por uma quantidade imperceptível. Mas quando fazemos essa medição para 25 milhões de galáxias, somos capazes de medir a distorção com bastante precisão.”
Para ir direto ao ponto: a equipe mediu um valor para a “aglomeração” da matéria escura do universo (conhecida pelos cosmólogos como “S8“) de 0,776, que se alinha com os valores que outras pesquisas de lentes gravitacionais encontraram ao observar o universo relativamente recente – mas não se alinha com o valor de 0,83 derivado do Fundo de Microondas Cósmica, que remonta às origens do universo.
A diferença entre esses dois valores é pequena, mas à medida que mais e mais estudos confirmam cada um dos dois valores, isso não parece ser acidental. As outras possibilidades são que há algum erro ou erro ainda não reconhecido em uma dessas duas medições ou o modelo cosmológico padrão está incompleto de alguma forma interessante.
“Ainda estamos sendo bastante cautelosos aqui”, disse Michael Strauss, presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton e um dos líderes da equipe do HSC. “Não estamos dizendo que acabamos de descobrir que a cosmologia moderna está totalmente errada, porque, como Roohi enfatizou, o efeito que estamos medindo é muito sutil. Agora, achamos que fizemos a medição corretamente. . E as estatísticas mostram que há apenas uma chance em 20 de que seja apenas devido ao acaso, o que é atraente, mas não totalmente definitivo. Mas como nós da comunidade de astronomia chegamos à mesma conclusão em vários experimentos, à medida que continuamos fazendo esses medições, talvez estejamos descobrindo que é real.”
Escondendo e descobrindo os dados
A ideia de que alguma mudança é necessária no modelo cosmológico padrão, de que existe alguma peça fundamental da cosmologia ainda a ser descoberta, é deliciosamente sedutora para alguns cientistas.
“Somos seres humanos e temos preferências. É por isso que fazemos o que chamamos de análise ‘cega’”, disse Strauss. “Os cientistas se tornaram autoconscientes o suficiente para saber que iremos nos influenciar, não importa o quão cuidadosos sejamos, a menos que façamos nossa análise sem nos permitir conhecer os resultados até o fim. Para mim, eu adoraria realmente encontrar algo fundamentalmente novo. Isso seria realmente empolgante. Mas como tenho preconceito nessa direção, queremos ter muito cuidado para não deixar que isso influencie qualquer análise que fizermos.”
Para proteger seu trabalho de seus preconceitos, eles literalmente esconderam seus resultados de si mesmos e de seus colegas – mês após mês após mês.
“Eu trabalhei nessa análise por um ano e não consegui ver os valores que estavam saindo”, disse Dalal.
A equipe ainda adicionou uma camada extra de ofuscamento: eles executaram suas análises em três catálogos de galáxias diferentes, um real e dois com valores numéricos compensados por valores aleatórios.
“Não sabíamos qual deles era real, então, mesmo que alguém acidentalmente visse os valores, não saberíamos se os resultados eram baseados no catálogo real ou não”, disse ela.
Em 16 de fevereiro, a equipe internacional se reuniu no Zoom – à noite em Princeton, pela manhã no Japão e em Taiwan – para a “revelação”.
“Parecia uma cerimônia, um ritual pelo qual passamos”, disse Strauss. “Revelamos os dados e executamos nossos gráficos, imediatamente vimos que era ótimo. Todos disseram, ‘Oh, ufa!’ e todos ficaram muito felizes.”
Dalal e sua colega de quarto abriram uma garrafa de champanhe naquela noite.
Uma enorme pesquisa com a maior câmera telescópica do mundo
HSC é a maior câmera em um telescópio de seu tamanho no mundo, manto que manterá até que o Observatório Vera C. Rubin, atualmente em construção nos Andes chilenos, inicie o Legacy Survey of Space and Time (LSST) no final de 2024. Na verdade, os dados brutos do HSC são processados com o software projetado para LSST. “É fascinante ver que nossos pipelines de software são capazes de lidar com quantidades tão grandes de dados bem antes do LSST”, disse Andrés Plazas, pesquisador associado de Princeton.
A pesquisa que a equipe de pesquisa usou cobre cerca de 420 graus quadrados do céu, o equivalente a 2.000 luas cheias. Não é um único pedaço contíguo de céu, mas dividido em seis pedaços diferentes, cada um do tamanho que você poderia cobrir com um punho estendido. Os 25 milhões de galáxias que eles pesquisaram estão tão distantes que, em vez de ver essas galáxias como são hoje, o HSC registrou como eram bilhões de anos atrás.
Cada uma dessas galáxias brilha com o fogo de dezenas de bilhões de sóis, mas por estarem tão distantes, são extremamente fracas, até 25 milhões de vezes mais fracas do que as estrelas mais fracas que podemos ver a olho nu.
“É extremamente emocionante ver esses resultados da colaboração do HSC, especialmente porque esses dados estão mais próximos do que esperamos do Rubin Observatory, para o qual a comunidade está trabalhando em conjunto”, disse a cosmóloga Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow na Universidade de Cambridge e uma pesquisador sênior do Trinity College, que não esteve envolvido nesta pesquisa. “Sua pesquisa profunda produz belos dados. Para mim, é intrigante que o HSC, como as outras pesquisas independentes de lentes fracas, aponte para um valor baixo para S8 — é uma validação importante e empolgante que essas tensões e tendências nos forcem a parar e pensar sobre o que esses dados estão nos dizendo sobre o nosso Universo!”
O modelo cosmológico padrão
O modelo padrão da cosmologia é “surpreendentemente simples” em alguns aspectos, explicou Andrina Nicola, da Universidade de Bonn, que aconselhou Dalal neste projeto quando ela era pós-doutoranda em Princeton. O modelo postula que o universo é composto de apenas quatro constituintes básicos: matéria comum (átomos, principalmente hidrogênio e hélio), matéria escura, energia escura e fótons.
De acordo com o modelo padrão, o universo tem se expandido desde o Big Bang há 13,8 bilhões de anos: começou quase perfeitamente suave, mas a força da gravidade nas flutuações sutis do universo causou estrutura – galáxias envoltas em aglomerados de matéria escura — formar. No universo atual, as contribuições relativas de matéria comum, matéria escura, energia escura são cerca de 5%, 25% e 70%, mais uma pequena contribuição de fótons.
O modelo padrão é definido por apenas um punhado de números: a taxa de expansão do universo; uma medida de quão grumosa é a matéria escura (S8); as contribuições relativas dos constituintes do universo (os números de 5%, 25%, 70% acima); a densidade geral do universo; e uma quantidade técnica que descreve como a aglomeração do universo em grandes escalas se relaciona com a de pequenas escalas.
“E é basicamente isso!” disse Strauss. “Nós, a comunidade cosmológica, convergimos para esse modelo, que está em vigor desde o início dos anos 2000”.
Os cosmólogos estão ansiosos para testar esse modelo restringindo esses números de várias maneiras, como observando as flutuações no Fundo Cósmico de Microondas (que, em essência, é a imagem do bebê do universo, capturando como ele se parecia após seus primeiros 400.000 anos), modelando a expansão história do universo, medindo a aglomeração do universo no passado relativamente recente e outros.
“Estamos confirmando um sentimento crescente na comunidade de que há uma discrepância real entre a medição da aglomeração no início do universo (medida pelo CMB) e a da era das galáxias, ‘apenas’ 9 bilhões de anos atrás”, disse Arun Kannawadi, um pesquisador associado de Princeton que esteve envolvido na análise.
Cinco linhas de ataque
O trabalho de Dalal faz a chamada análise do espaço de Fourier; uma análise paralela do espaço real foi liderada por Xiangchong Li, da Carnegie Mellon University, que trabalhou em estreita colaboração com Rachel Mandelbaum, que concluiu seu bacharelado em física em 2000 e seu doutorado. em 2006, ambos de Princeton. Uma terceira análise, chamada de análise de 3×2 pontos, adota uma abordagem diferente para medir o sinal de lente gravitacional em torno de galáxias individuais, para calibrar a quantidade de matéria escura associada a cada galáxia. Essa análise foi liderada por Sunao Sugiyama, da Universidade de Tóquio, Hironao Miyatake (ex-colega de pós-doutorado de Princeton) da Universidade de Nagoya e Surhud More, do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica em Pune, na Índia.
Cada um desses cinco conjuntos de análises usa os dados HSC para chegar à mesma conclusão sobre S8.
Fazer a análise do espaço real e a análise do espaço de Fourier “foi uma espécie de teste de sanidade”, disse Dalal. Ela e Li trabalharam de perto para coordenar suas análises, usando dados cegos. Quaisquer discrepâncias entre esses dois diriam que a metodologia dos pesquisadores estava errada. “Isso nos diria menos sobre astrofísica e mais sobre como podemos ter estragado tudo”, disse Dalal.
“Não sabíamos até a revelação que dois resultados eram absolutamente idênticos”, disse ela. “Parecia milagroso.”
Sunao acrescentou: “Nossa análise de 3×2 pontos combina a análise de lente fraca com o agrupamento de galáxias. resposta nos dá confiança de que estamos fazendo algo certo!”
.
