Figura 1:Uma visão aproximada do aglomerado de galáxias observado. A imagem é um compotie dos dados da banda i (em vermelho) da Hyper Suprime-Cam no telescópio Subaru e imagens da banda R (em verde) e da banda V (em azul) do telescópio Mayall de 4 m em o Observatório Nacional Kitt Peak do Observatório Nacional de Astronomia Óptica. As linhas de contorno mostram a distribuição de massa. Círculos vermelhos e azuis mostram galáxias que interromperam a formação de estrelas e galáxias com formação de estrelas, respectivamente. A equipe de pesquisa foi capaz de estudar a evolução da estrutura em grande escala do Universo, comparando a distribuição de massa no Universo e a distribuição das galáxias. Crédito:Hiroshima University / NAOJ
Um grupo de pesquisa liderado pela Universidade de Hiroshima revelou uma imagem da fração crescente de galáxias formadoras de estrelas massivas no universo distante. Massas galáxias formadoras de estrelas no universo distante, cerca de 5 bilhões de anos atrás, traçar a estrutura em grande escala do universo. No universo próximo, cerca de 3 bilhões de anos atrás, galáxias formadoras de estrelas massivas não são aparentes. Esta mudança na forma como as galáxias formadoras de estrelas traçam a distribuição da matéria é consistente com a imagem da evolução das galáxias estabelecida por outros estudos independentes.
As galáxias no universo traçam padrões em escalas muito grandes; existem grandes regiões vazias (chamadas "vazios") e regiões densas onde as galáxias existem. Essa distribuição é chamada de teia cósmica. As concentrações mais massivas de galáxias são aglomerados. A formação da teia cósmica é governada pela ação da gravidade sobre a misteriosa "matéria escura" invisível que existe em todo o universo. O material bariônico normal que se pode ver cai nos halos de matéria escura e forma galáxias. A ação da gravidade sobre a história de cerca de 14 bilhões de anos do universo faz com que os halos se agrupem. A localização de galáxias ou aglomerados nesta enorme teia cósmica testa nossa compreensão da forma como a estrutura se forma no universo.
Cada vez mais, observações mais profundas e extensas com telescópios como o Telescópio Subaru fornecem uma imagem mais clara de como as galáxias evoluem dentro da teia cósmica. Claro, não se pode ver a matéria escura diretamente. Contudo, pode-se usar as galáxias que são vistas para rastrear a matéria escura. Também é possível usar a forma como a gravidade dos aglomerados de galáxias distorce galáxias de fundo mais distantes, lente gravitacional fraca, como outro marcador.
Figura 2:Distribuição de massa (esquerda) e galáxias (direita) na área correspondente. A característica conspícua na distribuição da galáxia também é visível no lado esquerdo, distribuição em massa, enquanto as áreas sem estrutura à direita também não possuem característica à esquerda. Crédito:Hiroshima University / NAOJ
O grupo de Hiroshima combinou esses dois rastreadores:galáxias e seu sinal de lente fraca para mapear a mudança do papel das galáxias formadoras de estrelas massivas à medida que o universo evolui.
Lente fraca é um fenômeno que fornece uma técnica poderosa para mapear a contribuição variável das galáxias formadoras de estrelas como rastreadores da teia cósmica. O aglomerado de galáxias e o halo de matéria escura ao redor agem como lentes gravitacionais. A lente dobra a luz que passa de galáxias mais distantes e distorce as imagens delas. As distorções da aparência das galáxias de fundo fornecem uma imagem bidimensional da distribuição de matéria escura em primeiro plano que atua como uma lente enorme. A excelente imagem do telescópio Subaru cobrindo grandes regiões do céu fornece exatamente os dados necessários para construir mapas dessa lente fraca.
Dr. Yousuke Utsumi, membro da equipe de construção da Hyper Suprime-Cam e professor assistente de projeto na Universidade de Hiroshima, conduziu uma observação de 1 hora de um pedaço de céu de 4 graus 2 na direção da constelação de Câncer. A Figura 1 mostra uma visão de perto de um aglomerado de galáxias com o mapa de lentes fracas traçando a distribuição da matéria. Os picos mais altos nos mapas correspondem aos grandes aglomerados de galáxias que estão a 5 bilhões de anos-luz de distância.
Figura 3:A distribuição das galáxias em relação à distância. Os painéis mostram a distribuição tridimensional das galáxias, visto do observador na Terra. Os pontos vermelhos representam galáxias quiescentes e os pontos azuis são galáxias que formam estrelas. As caixas no cone estão a 3 e 5 bilhões de anos-luz do observador. Os mapas próximos às áreas fechadas mostram a distribuição correspondente de galáxias. Crédito:Hiroshima University / NAOJ
Para mapear a distribuição tridimensional das galáxias em primeiro plano, espectrógrafos em grandes telescópios como o MMT de 6,5 metros dispersam a luz com uma grade. A expansão do universo muda a luz para o vermelho e medindo essa mudança mede-se as distâncias até as galáxias. O uso da espectroscopia posiciona as galáxias na teia cósmica. As observações localizam galáxias em formação de estrelas e aquelas que não estão mais em formação.
Colaboradores liderados pela Dra. Margaret Geller (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) conduziram medições espectroscópicas para galáxias. O instrumento Hectospec no MMT permite medições de redshifts para 250 galáxias ao mesmo tempo. A pesquisa contém medições para 12, 000 galáxias.
O levantamento de redshift MMT fornece o mapa de como todos os tipos de galáxias podem contribuir para o mapa de lentes fracas. Como a pesquisa MMT fornece distâncias para as galáxias, fatias do mapa em diferentes distâncias correspondentes a diferentes épocas na história do universo também podem ser feitas e comparadas com o mapa de lentes.
Figura 4:Close-ups do aglomerado de galáxias a 3 bilhões de anos-luz (em cima) e 5 bilhões de anos-luz (em baixo). Esses painéis mostram a distribuição de massa (esquerda), galáxias quiescentes (meio), e galáxias formadoras de estrelas (direita), respectivamente. Três bilhões de anos atrás, é difícil ver qualquer semelhança entre as galáxias formadoras de estrelas e a distribuição de massa, mas há uma semelhança muito maior nos mapas de 5 bilhões de anos atrás. Crédito:Hiroshima University / NAOJ
A pesquisa MMT fornece um mapa previsto da teia cósmica com base nas posições das galáxias no espaço tridimensional. A equipe de pesquisa comparou este mapa com o mapa de lente fraca para descobrir as semelhanças. A Figura 2 mostra que tanto o pico mais alto quanto as maiores regiões vazias são semelhantes nos dois mapas. Em outras palavras, a distribuição de matéria traçada pelas galáxias em primeiro plano e a distribuição traçada pelo mapa de lentes fracas de Subaru são semelhantes. Existem duas visões complementares da teia cósmica neste pedaço do universo.
Se eles dividirem o mapa tridimensional em diferentes redshift ou fatias de tempo, eles podem examinar a forma como a correspondência entre esses mapas e o mapa de lente fraca muda para diferentes fatias (Figura 3). Notavelmente, a distribuição de galáxias formadoras de estrelas em torno de um aglomerado de galáxias no universo mais distante (5 bilhões de anos atrás) corresponde muito mais de perto com o mapa de lente fraca do que uma fatia do universo mais próximo (3 bilhões de anos atrás). Em outras palavras, a contribuição das galáxias formadoras de estrelas para a teia cósmica é mais proeminente no universo distante. Esses mapas são a primeira demonstração desse efeito no sinal de lente fraco (Figura 4).
A equipe de pesquisa fornece uma nova janela na evolução da galáxia, comparando a distribuição tridimensional da galáxia mapeada com uma pesquisa de redshift, incluindo galáxias formadoras de estrelas, a um mapa de lentes fracas baseado em imagens Subaru.
"Acontece que a contribuição das galáxias formadoras de estrelas como traçadores da distribuição de massa no universo distante não é desprezível, "disse o Dr. Utsumi." O mapa de lente fraca do HSC deve conter sinais de galáxias mais distantes no universo de 8 bilhões de anos. Pesquisas de redshift mais profundas combinadas com mapas similares de lente fraca devem revelar uma contribuição ainda maior das galáxias formadoras de estrelas como traçadores da distribuição de matéria nesta faixa de redshift mais alta. Usando o espectrógrafo de próxima geração para o telescópio Subaru, Espectrógrafo de foco principal (PFS), esperamos estender nossos mapas para uma era interessante. "
