Como astrônomo, não há sensação melhor do que alcançar a "primeira luz" com um novo instrumento ou telescópio. É o culminar de anos de preparação e construção de novo hardware, que pela primeira vez coleta partículas de luz de um objeto astronômico. Isso geralmente é seguido por um suspiro de alívio e, em seguida, o entusiasmo de toda a nova ciência que agora é possível.

Em 22 de outubro, o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) no Telescópio Mayall no Arizona, NÓS, alcançou a primeira luz. Este é um grande salto em nossa capacidade de medir distâncias de galáxias - permitindo uma nova era de mapeamento de estruturas no universo. Como seu nome indica, também pode ser a chave para resolver uma das maiores questões da física:qual é a força misteriosa chamada de "energia escura" que constitui 70% do universo?

O cosmos é desordenado. As galáxias vivem juntas em grupos de algumas a dezenas de galáxias. Existem também aglomerados de algumas centenas a milhares de galáxias e superaglomerados que contêm muitos desses aglomerados.

Esta hierarquia do universo é conhecida desde os primeiros mapas do universo, que parecia um "stickman" nos gráficos do pioneiro Center for Astrophysics (CfA) Redshift Survey. Essas imagens impressionantes foram o primeiro vislumbre de estruturas de grande escala no universo, alguns medindo centenas de milhões de anos-luz de diâmetro.

A pesquisa CfA foi laboriosamente construída uma galáxia de cada vez. Isso envolveu a medição do espectro da luz da galáxia - uma divisão da luz pelo comprimento de onda, ou cor - e identificar as impressões digitais de certos elementos químicos (principalmente hidrogênio, nitrogênio e oxigênio).

Essas assinaturas químicas são sistematicamente alteradas para comprimentos de onda mais vermelhos e mais longos devido à expansão do universo. Esse "desvio para o vermelho" foi detectado pela primeira vez pelo astrônomo Vesto Slipher e deu origem à agora famosa Lei de Hubble - a observação de que galáxias mais distantes parecem estar se afastando em um ritmo mais rápido. Isso significa que as galáxias que estão próximas parecem estar se afastando de forma relativamente lenta em comparação - elas têm menos desvio para o vermelho do que as galáxias distantes. Portanto, medir o desvio para o vermelho de uma galáxia é uma forma de medir sua distância.

Crucialmente, a relação exata entre o redshift e a distância depende da história de expansão do Universo, que pode ser calculada teoricamente usando nossa teoria da gravidade e nossas suposições sobre a densidade da matéria e energia do universo.

Todas essas suposições foram finalmente testadas na virada do século com a combinação de novas observações do universo, incluindo novos mapas 3-D de levantamentos maiores de redshift. Em particular, o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) foi o primeiro telescópio de pesquisa de redshift dedicado a medir mais de um milhão de redshifts de galáxias, mapeando a estrutura em grande escala do universo com detalhes sem precedentes.

Os mapas do SDSS incluíram centenas de superaglomerados e filamentos e ajudaram a fazer uma descoberta inesperada - a energia escura. Eles mostraram que a densidade de matéria do universo era muito menor do que o esperado do Fundo Cósmico de Microondas, que é a luz que sobrou do Big Bang. Isso significava que deve haver uma substância desconhecida, apelidado de energia escura, conduzindo uma expansão acelerada do Universo e se tornando cada vez mais desprovido de matéria.

O quebra-cabeça

A combinação de todas essas observações anunciou uma nova era de compreensão cosmológica com um universo consistindo de 30% de matéria e 70% de energia escura. Mas, apesar do fato de que a maioria dos físicos já aceitou que existe algo como energia escura, ainda não sabemos sua forma exata.

No entanto, existem várias possibilidades. Muitos pesquisadores acreditam que a energia do vácuo simplesmente tem algum valor particular, apelidado de "constante cosmológica". Outras opções incluem a possibilidade de que a teoria da gravidade de enorme sucesso de Einstein esteja incompleta quando aplicada em grande escala de todo o universo.

Novos instrumentos como o DESI ajudarão a dar o próximo passo na resolução do mistério. Ele medirá dezenas de milhões de redshifts de galáxias, abrangendo um grande volume do universo até dez bilhões de anos-luz da Terra. Tão incrível, o mapa detalhado deve ser capaz de responder a algumas perguntas-chave sobre a energia escura e a criação de estruturas em grande escala no universo.

Por exemplo, deve ser capaz de nos dizer se a energia escura é apenas uma constante cosmológica. Para fazer isso, ele medirá a razão entre a pressão que a energia escura exerce sobre o universo e a energia por unidade de volume. Se a energia escura é uma constante cosmológica, esta proporção deve ser constante tanto no tempo cósmico quanto na localização. Para outras explicações, Contudo, esta proporção variaria. Qualquer indicação de que não é uma constante seria revolucionária e desencadearia um intenso trabalho teórico.

DESI também deve ser capaz de restringir, e até mesmo matar, muitas teorias da gravidade modificada, possivelmente fornecendo uma confirmação enfática da Teoria da Relatividade Geral de Einstein nas escalas maiores. Ou o contrário - e, novamente, isso desencadearia uma revolução na física teórica.

Outra teoria importante que será testada com DESI é a inflação, que prevê que pequenas flutuações quânticas aleatórias de densidade de energia no universo primordial foram exponencialmente expandidas durante um curto período de intenso crescimento para se tornarem as sementes das estruturas de grande escala que vemos hoje.

DESI é apenas uma das várias missões e experimentos de energia escura de próxima geração que ocorrerão na próxima década, portanto, certamente há motivos para estar otimista de que poderemos em breve resolver o mistério da energia escura. Novas missões de satélite como Euclides, e enormes observatórios terrestres como o Large Synoptic Survey Telescope, também oferecerá insights.

Haverá também outros instrumentos de redshift como DESI incluindo 4MOST no European Southern Observatory. Juntos, isso fornecerá centenas de milhões de redshifts em todo o céu, levando a um mapa inimaginável de nosso cosmos.

Parece que foi há muito tempo agora, quando escrevi meu doutorado. tese baseada em apenas 700 redshifts de galáxias. Isso realmente mostra que é um momento emocionante para ser um astrônomo.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.