p Uma equipe de pesquisa de vários institutos, incluindo o Observatório Astronômico Nacional do Japão e a Universidade de Tóquio, lançou um mapa de matéria escura sem precedentes, amplo e nítido, baseado nos dados de imagem recém-obtidos por Hyper Suprime-Cam no telescópio Subaru. A distribuição da matéria escura é estimada pela técnica de lente gravitacional fraca (Figura 1, Filme). A equipe localizou as posições e os sinais de lente dos halos de matéria escura e encontrou indicações de que o número de halos pode ser inconsistente com o que o modelo cosmológico mais simples sugere. Esta pode ser uma nova pista para entender por que a expansão do Universo está se acelerando. p Mistério do Universo acelerado

p Na década de 1930, Edwin Hubble e seus colegas descobriram a expansão do Universo. Esta foi uma grande surpresa para a maioria das pessoas que acreditavam que o Universo permanecia o mesmo por toda a eternidade. Uma fórmula relacionando a matéria e a geometria do espaço-tempo era necessária para expressar matematicamente a expansão do Universo. Coincidentemente, Einstein já havia desenvolvido exatamente essa fórmula. A cosmologia moderna é baseada na teoria da gravidade de Einstein.

p Pensava-se que a expansão está desacelerando com o tempo (linhas azuis e vermelhas na Figura 2) porque os conteúdos do Universo (matéria) se atraem. Mas no final da década de 1990, verificou-se que a expansão vem se acelerando desde cerca de 8 Giga anos atrás. Essa foi outra grande surpresa que rendeu aos astrônomos que encontraram a expansão um Prêmio Nobel em 2011. Para explicar a aceleração, temos que considerar algo novo no Universo que repele o espaço.

p A resolução mais simples é colocar a constante cosmológica de volta na equação de Einstein. A constante cosmológica foi originalmente introduzida por Einstein para realizar um universo estático, mas foi abandonado após a descoberta da expansão do Universo. O modelo cosmológico padrão (denominado LCDM) incorpora a constante cosmológica. O histórico de expansão usando LCDM é mostrado pela linha verde na Figura 2. LCDM é suportado por muitas observações, mas a questão do que causa a aceleração ainda permanece. Este é um dos maiores problemas da cosmologia moderna.

p Pesquisa de imagem ampla e profunda usando Hyper Suprime-Cam

p A equipe está liderando uma pesquisa de imagem em grande escala usando Hyper Suprime-Cam (HSC) para sondar o mistério da aceleração do Universo. A chave aqui é examinar a história da expansão do Universo com muito cuidado.

p No início do Universo, a matéria foi distribuída quase, mas não de maneira uniforme. Houve ligeiras flutuações na densidade, que agora podem ser observadas através das flutuações de temperatura da radiação cósmica de fundo. Essas leves flutuações de matéria evoluíram ao longo do tempo cósmico por causa da atração gravitacional mútua da matéria, e, eventualmente, a estrutura em grande escala do Universo atual torna-se visível. Sabe-se que a taxa de crescimento da estrutura depende fortemente de como o Universo se expande. Por exemplo, se a taxa de expansão for alta, é difícil para a matéria se contrair e a taxa de crescimento é suprimida. Isso significa que o histórico de expansão pode ser sondado inversamente por meio da observação da taxa de crescimento.

p É importante notar que a taxa de crescimento não pode ser bem avaliada se observarmos apenas a matéria visível (estrelas e galáxias). Isso ocorre porque agora sabemos que quase 80% da matéria é uma substância invisível chamada matéria escura. A equipe adotou a 'técnica de lente de gravitação fraca. "As imagens de galáxias distantes são ligeiramente distorcidas pelo campo gravitacional gerado pela distribuição de matéria escura em primeiro plano. A análise da distorção sistemática nos permite reconstruir a distribuição de matéria escura em primeiro plano.

p Esta técnica é muito exigente em termos de observação porque a distorção de cada galáxia é geralmente muito sutil. São necessárias medições precisas da forma de galáxias fracas e aparentemente pequenas. Isso motivou a equipe a desenvolver o Hyper Suprime-Cam. Eles têm realizado uma pesquisa de imagem de campo amplo usando Hyper Suprime-Cam desde março de 2014. No momento da redação deste artigo, em fevereiro de 2018, 60% da pesquisa foi concluída.

p Mapa de matéria escura sem precedentes, amplo e nítido

p Neste lançamento, a equipe apresenta o mapa de matéria escura com base nos dados de imagem obtidos até abril de 2016 (Figura 1). Isso é apenas 11% do mapa final planejado, mas já é uma largura sem precedentes. Nunca houve um mapa de matéria escura tão nítido cobrindo uma área tão ampla.

p As observações de imagens são feitas por meio de cinco filtros de cores diferentes. Ao combinar esses dados de cores, é possível fazer uma estimativa grosseira das distâncias até as galáxias tênues de fundo (chamado redshift fotométrico). Ao mesmo tempo, a eficiência da lente torna-se mais proeminente quando a lente está localizada diretamente entre a galáxia distante e o observador. Usando as informações fotométricas do redshift, galáxias são agrupadas em caixas redshift. Usando esta amostra de galáxia agrupada, A distribuição da matéria escura é reconstruída usando métodos tomográficos e, portanto, a distribuição 3-D pode ser obtida. A Figura 4 mostra um exemplo. Os dados de 30 graus quadrados são usados ​​para reconstruir a faixa de desvio para o vermelho entre 0,1 (~ 1,3 G anos-luz) e 1,0 (~ 8 G anos-luz). No desvio para o vermelho de 1.0, a amplitude angular corresponde a 1,0 G x 0,25 G anos-luz. Este mapa 3-D de massa de matéria escura também é bastante novo. Esta é a primeira vez que o aumento no número de halos de matéria escura ao longo do tempo pode ser visto observacionalmente.

p O que a contagem do halo de matéria escura sugere e as perspectivas futuras

p A equipe contou o número de halos de matéria escura cujo sinal de lente está acima de um certo limite. Esta é uma das medidas mais simples da taxa de crescimento. O histograma (linha preta) na Figura 5 mostra a força do sinal de lente observada versus o número de halos observados, enquanto a previsão do modelo é mostrada pela linha vermelha sólida. O modelo é baseado no modelo LCDM padrão usando a observação de fundo de microondas cósmico como a semente das flutuações. A figura sugere que a contagem numérica dos halos de matéria escura é menor do que o esperado do LCDM. Isso pode indicar que há uma falha no LCDM e que podemos ter que considerar uma alternativa em vez da simples constante cosmológica.

p A significância estatística é, Contudo, ainda limitado como as grandes barras de erro (linha vertical no histograma na Figura 5) sugerem. Não houve nenhuma evidência conclusiva para rejeitar o LCDM, mas muitos astrônomos estão interessados ​​em testar o LCDM porque as discrepâncias podem ser uma prova útil para desvendar o mistério da aceleração do Universo. Observação e análise adicionais são necessárias para confirmar a discrepância com maior significância. Existem algumas outras sondas da taxa de crescimento e tal análise também está em andamento (por exemplo, correlação angular de formas de galáxias) na equipe para verificar a validade do LCDM padrão.

p Esses resultados foram publicados em 1º de janeiro, 2018 na edição especial do HSC das Publicações da Sociedade Astronômica do Japão. O relatório é intitulado "Uma grande amostra de aglomerados selecionados de mapas de massa de campo amplo do Hyper Suprime-Cam Subaru do Programa Estratégico S16A."