Um dos maiores mistérios da ciência começou com uma estrela moribunda.

Não era uma estrela morrendo em particular, mas a ideia de uma. Nos anos 1980, Saul Perlmutter do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) do Departamento de Energia (DOE) e seus colaboradores perceberam que poderiam usar dados sobre supernovas para pesquisar a história do universo. As supernovas são estrelas em explosão extremamente brilhantes que lançam grande parte de sua massa no espaço antes de desaparecerem.

Felizmente, O brilho das supernovas do tipo Ia é muito consistente. Mesmo quando o brilho real varia, ele o faz de maneira previsível. Ao comparar as medidas de quão brilhantes essas supernovas aparecem em telescópios com seu brilho real, junto com medições de luz de suas galáxias natais, os cientistas podem descobrir sua idade e distância de nós. Usando aqueles, eles podem estimar como o universo se expandiu ao longo do tempo.

Ao longo de uma década, A equipe de Perlmutter coletou dados suficientes para procurar uma relação entre o brilho de uma supernova e a distância da Terra. Eles esperavam ver que supernovas muito distantes pareceriam um pouco mais brilhantes do que em um universo em expansão que não estava diminuindo seu crescimento.

Os dados revelaram algo totalmente diferente.

Todas as supernovas pareciam mais escuras do que deveriam à distância. Inicialmente, os cientistas pensaram que era apenas um conjunto bizarro de dados. "Quando você vê um novo resultado incrível, seu primeiro pensamento não é 'Eureka !, ' Está, 'Este é um gráfico interessante, '"disse Perlmutter. Ele e sua equipe passaram mais de seis meses verificando todos os aspectos do gráfico, procurando algum aspecto da análise que pode estar errado.

Não foi.

Na verdade, mostrava o oposto:o universo estava se expandindo cada vez mais rapidamente. A implicação disso foi dramática. Para que os dados funcionem com a teoria da relatividade geral de Einstein - a base da astrofísica - 70% da energia do universo deve ser de alguma fonte desconhecida.

Algo - muito de algo - estava faltando em nossa compreensão fundamental do universo.

Enquanto Perlmutter se preparava para uma próxima conferência, ele fez uma série de alterações em seus slides de transparência de plástico para apresentar os novos resultados. "Você está ciente de que é muito grande, resultado significativo, mas isso o torna ainda mais cuidadoso, "ele disse." No momento em que você diz isso em público, você tem trabalhado com isso por tanto tempo que não parece uma surpresa para você. "

Mas para o público, sua palestra de 1998 causou grandes ondas. Não muito depois, uma equipe concorrente apresentou o mesmo resultado. Em 2011, Perlmutter, Brian Schmidt, e Adam Riess recebeu o Prêmio Nobel de Física pela descoberta.

Porque não sabemos o que está empurrando o universo para fora cada vez mais rapidamente, "energia escura" é a abreviatura dos cientistas para o processo misterioso. Para entender a história do nosso universo, pesquisadores apoiados pelo DOE Office of Science estão colaborando com cientistas de todo o mundo para construir elaborados mapas 3-D de espaço e tempo.

Considerando as possibilidades

Seja qual for a energia escura, é estranho. Nenhuma das possibilidades se encaixa na compreensão da física dos cientistas.

A primeira possibilidade é que seja a "constante cosmológica". Quando Albert Einstein desenvolveu as equações que descrevem a relatividade geral, ele presumiu que o universo continuaria do mesmo tamanho. Para contrabalançar a gravidade puxando para dentro do universo, ele prendeu em uma variável, a constante cosmológica, indicando que algo estava empurrando para fora. Quando Edwin Hubble descobriu que o universo estava se expandindo, Einstein removeu a constante. Quando eles descobriram que há algo misterioso empurrando para fora, os cientistas voltaram à ideia de Einstein. Infelizmente, os números dos dados experimentais são 10 ¹²⁰ vezes menor do que as expectativas de uma constante cosmológica nas equações.

Existem mais duas possibilidades. A segunda é que a energia escura é uma forma desconhecida de energia que muda com o tempo. A terceira possibilidade é que a relatividade geral não explica o que acontece nas escalas maiores. Em vez de, seria uma aproximação de uma teoria ainda mais geral. Isso seria uma chave em um dos nossos pilares da astrofísica de maior sucesso.

Mais do que apenas o começo do universo

Descobrir como a estrutura do universo mudou ao longo do tempo pode ajudar os cientistas a determinar se a energia escura é constante ou não.

Os cientistas já sabem como era o universo em seus primeiros dias, cerca de 10 bilhões de anos atrás. Eles estudaram a radiação cósmica de fundo, um conjunto de leves assinaturas de calor que sobraram daquele tempo. Examinando esta radiação persistente, os cientistas podem descobrir os padrões de densidade e radiação daquela época.

É descobrir o que aconteceu de 10 bilhões de anos atrás que é a parte difícil. Agradecidamente, os cientistas têm algo como viagem no tempo disponível quando se trata de objetos que estão extremamente distantes. Porque a luz leva tempo para chegar à Terra, telescópios extremamente poderosos não estão olhando para estrelas modernas. Em vez de, os cientistas estão vendo como essas estrelas pareciam milhares, milhões, e até bilhões de anos atrás, dependendo de quão longe eles estão. Olhar para trás, para estrelas cada vez mais distantes, permite-lhes criar mapas que mapeiam o comprimento, largura, e distância ao longo do tempo.

Como medir o universo

Para um mapa deste tipo, os cientistas precisam de ferramentas especiais baseadas nas próprias estrelas e galáxias.

As supernovas do tipo Ia são a primeira opção. Usar este método requer que os cientistas façam novas medições de supernovas com uma precisão muito maior em uma faixa maior de distâncias. "Quase toda a grande gama de teorias se ajustam aos dados e não seriam distinguíveis umas das outras, exceto com muito, medições de altíssima precisão, "disse Perlmutter.

Embora o Office of Science do DOE esteja apoiando vários projetos que podem fazer essas medições de alta precisão, outras técnicas também são necessárias. Para algo que está tão fora do reino da física conhecida, os cientistas querem vários métodos para comparar os resultados.

A próxima ferramenta é analisar a Oscilação Acústica Bariônica (BAO). Como a radiação cósmica de fundo, o BAO é um remanescente dos primeiros dias do universo. Não muito depois do Big Bang, o plasma que compunha tudo se expandiu, criando ondas de densidade e pressão. Cerca de 370, 000 anos depois, o plasma resfriado, "congelar" as ondas de pressão. As ondas de crista deixaram aglomerados de matéria no início e no fim. Conforme o universo cresceu, esses padrões de onda se estenderam.

Agora, os padrões são impressos na distribuição de toda a matéria. Ao observar como os padrões cósmicos de fundo de microondas (que refletem o início do universo) são diferentes dos padrões do BAO (que refletem o universo médio e atual), os cientistas podem mapear as mudanças na distribuição da matéria ao longo do tempo. "É baseado na física fundamental desde o início do universo, "disse Parker Fagrelius, um pesquisador do LBNL.

Se isso não fosse alucinante o suficiente, uma técnica diferente chamada lente gravitacional fraca mede como objetos massivos distorcem a forma das galáxias. As galáxias são tão grandes que dobram o espaço, junto com a luz de outras galáxias atrás deles. Quando um telescópio na Terra tira uma foto das galáxias de fundo, suas formas são alongadas em comparação com suas verdadeiras formas. Ao medir essa pequena distorção na forma das galáxias de fundo em diferentes posições, os cientistas podem descobrir a massa dos do primeiro plano. Essa técnica também pode ajudá-los a mapear a distribuição da matéria, incluindo matéria visível e escura. "É uma das maneiras mais limpas de medir a massa, “disse Maria Elidaiana da Silva Pereira, um pesquisador da Universidade Brandeis que trabalha no Dark Energy Survey.

A última opção é medir as propriedades dos aglomerados de galáxias, ou grupos de galáxias. Os maiores aglomerados revelam onde o universo inicial era mais denso. "Eles podem nos dizer muito sobre o crescimento e a formação de estruturas no universo, "disse Antonella Palmese, um pesquisador do Laboratório Nacional de Aceleração Fermi do DOE.

Não é a sua câmera digital comum

Os cientistas também têm sua escolha de opções quando se trata de obter dados.

As pesquisas de imagem são telescópios com câmeras digitais gigantes. Eles tomam grandes, amplas fotografias do céu que incluem um grande número de galáxias e supernovas. Os cientistas analisam o brilho e a cor dos objetos, o que lhes dá informações sobre sua distância e massa.

The Dark Energy Survey, que é apoiado por um grupo internacional que inclui o Office of Science do DOE, está fornecendo o conjunto mais abrangente de dados de imagem disponível. Essas imagens vêm de uma câmera de 520 megapixels; em comparação, câmeras automáticas têm de 16 a 20 megapixels. Montado em um telescópio no Chile, a Dark Energy Camera tirou fotos de cerca de um quarto do céu meridional durante cinco anos. Quando terminou de coletar dados em janeiro de 2019, tinha fotos de mais de 300 milhões de galáxias, dezenas de milhares de aglomerados de galáxias, e vários milhares de supernovas Tipo Ia. "Não havia nada tão poderoso quanto o Dark Energy Survey em termos de número de galáxias e aglomerados de galáxias, "disse Palmese.

Olhar para tantas galáxias deu aos cientistas uma visão sem precedentes das lentes gravitacionais fracas. A equipe fez a medição mais precisa de como a matéria está distribuída no universo até agora. Com essas observações, eles executaram um modelo de um universo composto de energia escura e matéria escura como se a energia escura fosse constante ao longo do tempo (o que seria se fosse a constante cosmológica) e se não fosse (alguma outra força). Se os resultados dos modelos usando os dados do Dark Energy Survey e os resultados do fundo de micro-ondas cósmico corresponderem, teria confirmado que o modelo da constante cosmológica funciona bem. Em outras palavras, mostraria que a energia escura é uma constante cosmológica.

Os resultados foram próximos - mas não exatamente iguais. Enquanto os dados se inclinavam para a constante, não era forte o suficiente para dizer se há uma discrepância real entre a quantidade de matéria medida pelo Dark Energy Survey e os resultados cósmicos de fundo em micro-ondas. Isso pode indicar alguns problemas com o próprio modelo.

A próxima grande coisa

Ao contrário das câmeras digitais de pesquisas de imagem, pesquisas espectroscópicas têm feixes de cabos de fibra óptica, cada um deles coleta luz de uma galáxia diferente. Esses pacotes fornecem tipos de informações sobre os comprimentos de onda visíveis e não visíveis da luz que são diferentes do que os cientistas podem obter de fotografias. Essas informações fornecem detalhes precisos sobre a distância e a velocidade de um objeto. Contudo, um levantamento espectroscópico só pode coletar dados em uma fração dos objetos que um levantamento por imagem pode.

O Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) é o próximo passo à frente. Um instrumento espectroscópico instalado no telescópio Mayall no Arizona, DESI começará a coletar dados do céu do norte no início do próximo ano. O que torna o DESI único em comparação com pesquisas anteriores é a grande quantidade de dados que ele pode levar. Será capaz de coletar dados sobre o espectro de luz do ultravioleta ao infravermelho em 5, 000 galáxias simultaneamente.

"Isso realmente abre a linha do tempo cosmológica, "disse Fagrelius, que trabalhou no projeto durante grande parte de sua carreira. "É realmente emocionante." DESI deve fornecer resultados para o BAO que são três vezes mais precisos do que todos os cálculos anteriores combinados, bem como dados aprofundados sobre lentes e aglomerados de galáxias. A combinação desses resultados pode nos dar o melhor insight sobre como a energia escura se comportou ao longo do tempo.

Com essas ferramentas, bem como o Large Synoptic Survey Telescope - que está previsto para ser lançado no Chile em 2023 - os cientistas antecipam uma descrição precisa da energia escura.

Mas é provável que a investigação levante mais perguntas do que respostas. Afinal, esta investigação começou porque Perlmutter e sua equipe estavam tentando descobrir o quanto a expansão do universo estava diminuindo. Eles nunca esperaram encontrar o oposto.

"Estou entusiasmado com o que não esperamos ver, "disse Fagrelius." Com esta quantidade de dados, vamos descobrir coisas que não sabíamos que estávamos procurando. "