Os telescópios Magellan no Observatório Las Campanas de Carnegie, no Chile, que foram cruciais para a capacidade de conduzir esta pesquisa. Crédito:Yuri Beletsky, a Carnegie Institution for Science.
O universo está cheio de bilhões de galáxias - mas sua distribuição no espaço está longe de ser uniforme. Por que vemos tanta estrutura no universo hoje e como tudo se formou e cresceu?
Um levantamento de dez anos de dezenas de milhares de galáxias feito usando o Telescópio Magellan Baade no Observatório Las Campanas de Carnegie no Chile forneceu uma nova abordagem para responder a este mistério fundamental. Os resultados, liderado por Daniel Kelson da Carnegie, são publicados em Avisos mensais da Royal Astronomical Society .
"Como você descreve o indescritível?" pergunta Kelson. "Adotando uma abordagem totalmente nova para o problema."
"Nossa tática fornece percepções novas - e intuitivas - sobre como a gravidade impulsionou o crescimento da estrutura desde os primeiros tempos do universo, "disse o co-autor Andrew Benson." Este é um direto, teste baseado em observação de um dos pilares da cosmologia. "
A pesquisa Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift foi projetada para estudar a relação entre o crescimento da galáxia e o ambiente circundante nos últimos 9 bilhões de anos, quando as aparições das galáxias modernas foram definidas.
As primeiras galáxias foram formadas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, que começou o universo como um quente, sopa turva de partículas extremamente energéticas. À medida que este material se expandiu para fora da explosão inicial, esfriou, e as partículas coalesceram em gás hidrogênio neutro. Alguns patches eram mais densos do que outros e, eventualmente, sua gravidade superou a trajetória externa do universo e o material entrou em colapso, formando os primeiros aglomerados de estrutura do cosmos.
As diferenças de densidade que permitiram que estruturas grandes e pequenas se formassem em alguns lugares e não em outros têm sido um tópico de fascínio de longa data. Mas até agora, As habilidades dos astrônomos para modelar como a estrutura cresceu no universo nos últimos 13 bilhões de anos enfrentou limitações matemáticas.
"As interações gravitacionais que ocorrem entre todas as partículas do universo são muito complexas para serem explicadas com matemática simples, "Benson disse.
Então, os astrônomos usaram aproximações matemáticas - que comprometeram a precisão de seus modelos - ou grandes simulações de computador que modelam numericamente todas as interações entre galáxias, mas nem todas as interações que ocorrem entre todas as partículas, o que foi considerado muito complicado.
A primeira estrutura do universo se originou quando parte do material lançado para fora pelo Big Bang superou sua trajetória e entrou em colapso, formando aglomerados. Uma equipe de pesquisadores da Carnegie mostrou que aglomerados mais densos de matéria cresceram mais rápido, e aglomerados menos densos cresceram mais lentamente. Os dados do grupo revelaram a distribuição da densidade no universo nos últimos 9 bilhões de anos. (Na ilustração, violeta representa regiões de baixa densidade e vermelho representa regiões de alta densidade.) Trabalhando para trás no tempo, suas descobertas revelam as flutuações de densidade (extrema direita, em roxo e azul) que criou a estrutura mais antiga do universo. Isso se alinha com o que sabemos sobre o universo antigo desde o resplendor do Big Bang, chamado Fundo de Microondas Cósmico (extrema direita em amarelo e verde). Os pesquisadores alcançaram seus resultados levantando distâncias e massas de quase 100, 000 galáxias, voltando a uma época em que o universo tinha apenas 4,5 bilhões de anos. Cerca de 35, 000 das galáxias estudadas pelo Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey são representadas aqui como pequenas esferas. Crédito:Daniel Kelson. Os dados do CMB são baseados em observações obtidas com o Planck, uma missão científica da ESA com instrumentos e contribuições diretamente financiados pelos Estados Membros da ESA, NASA, e Canadá.
"Um objetivo principal de nossa pesquisa era contar a massa presente nas estrelas encontradas em uma enorme seleção de galáxias distantes e, em seguida, usar essas informações para formular uma nova abordagem para entender como a estrutura se formou no universo, "Kelson explicou.
A equipe de pesquisa, que também incluiu Louis Abramson da Carnegie, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, e John S. Mulchaey, assim como Rik Williams, agora da Uber Technologies - demonstrado pela primeira vez que o crescimento de protoestruturas individuais pode ser calculado e, em seguida, calculado a média de todo o espaço.
Isso revelou que aglomerados mais densos cresceram mais rápido, e aglomerados menos densos cresceram mais lentamente.
Eles foram então capazes de trabalhar para trás e determinar as distribuições originais e as taxas de crescimento das flutuações na densidade, que eventualmente se tornariam as estruturas em grande escala que determinam as distribuições de galáxias que vemos hoje.
Em essência, seu trabalho forneceu um simples, ainda preciso, descrição de por que e como as flutuações de densidade crescem da maneira que acontecem no universo real, bem como no trabalho baseado em computação que sustenta nossa compreensão da infância do universo.
"E é tão simples, com uma verdadeira elegância, "acrescentou Kelson.
As descobertas não teriam sido possíveis sem a atribuição de um número extraordinário de noites de observação em Las Campanas.
“Muitas instituições não teriam a capacidade de assumir sozinhas um projeto desse porte, "disse o Diretor de Observatórios John Mulchaey." Mas, graças aos nossos Telescópios Magellan, conseguimos executar esta pesquisa e criar uma nova abordagem para responder a uma pergunta clássica. "
“Embora não haja dúvida de que este projeto exigiu os recursos de uma instituição como a Carnegie, nosso trabalho também não poderia ter acontecido sem o tremendo número de imagens infravermelhas adicionais que pudemos obter em Kit Peak e Cerro Tololo, que fazem parte do National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory da NSF, "Kelson acrescentou.
