Os pesquisadores canalizaram a luz mais antiga do universo - uma relíquia da formação do universo conhecida como fundo de micro-ondas cósmico (CMB) - para resolver um mistério da matéria perdida e aprender novas coisas sobre a formação de galáxias. O trabalho deles também pode nos ajudar a entender melhor a energia escura e testar a teoria da relatividade geral de Einstein, fornecendo novos detalhes sobre a velocidade com que as galáxias estão se movendo em nossa direção ou se afastando de nós.

A matéria escura invisível e a energia escura representam cerca de 95% da massa e energia total do universo, e a maioria dos 5% que é considerada matéria comum também é amplamente invisível, como os gases na periferia das galáxias que compõem seus chamados halos.

A maior parte dessa matéria comum é composta de nêutrons e prótons - partículas chamadas bárions que existem no núcleo de átomos como hidrogênio e hélio. Apenas cerca de 10% da matéria bariônica está na forma de estrelas, e a maior parte do resto habita o espaço entre as galáxias em fios de calor, espalhar matéria conhecida como meio intergaláctico quente-quente, ou WHIM.

Porque os bárions estão tão espalhados no espaço, tem sido difícil para os cientistas obter uma imagem clara de sua localização e densidade ao redor das galáxias. Por causa desta imagem incompleta de onde reside a matéria comum, a maioria dos bárions do universo pode ser considerada como "ausente".

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores, com contribuições importantes de físicos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e da Universidade Cornell, mapeou a localização desses bárions ausentes, fornecendo as melhores medidas, Até a presente data, de sua localização e densidade em torno de grupos de galáxias.

Afinal, os bárions estão em halos de galáxias, e que esses halos se estendem muito mais longe do que os modelos populares previam. Embora a maioria das estrelas de uma galáxia individual esteja tipicamente contida em uma região de cerca de 100, 000 anos-luz do centro da galáxia, essas medições mostram que para um determinado grupo de galáxias, os bárions mais distantes podem se estender por cerca de 6 milhões de anos-luz de seu centro.

Paradoxalmente, esta matéria ausente é ainda mais difícil de mapear do que a matéria escura, que podemos observar indiretamente por meio de seus efeitos gravitacionais na matéria normal. A matéria escura é o material desconhecido que compõe cerca de 27% do universo; e energia escura, que está separando a matéria do universo em uma taxa acelerada, representa cerca de 68% do universo.

"Apenas uma pequena porcentagem da matéria comum está na forma de estrelas. A maior parte dela está na forma de gás que geralmente é muito fraco, muito difuso para ser capaz de detectar, "disse Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoctoral Fellow na Divisão de Física do Berkeley Lab e autor principal de um dos dois artigos sobre os bárions desaparecidos, publicado em 15 de março na revista Revisão Física D .

Os pesquisadores usaram um processo conhecido como efeito Sunyaev-Zel'dovich, que explica como os elétrons do CMB obtêm um aumento de energia por meio de um processo de espalhamento à medida que interagem com gases quentes ao redor dos aglomerados de galáxias.

"Esta é uma grande oportunidade de olhar além das posições das galáxias e das velocidades das galáxias, "disse Simone Ferraro, um Divisional Fellow na Divisão de Física do Berkeley Lab, que participou de ambos os estudos. "Nossas medições contêm muitas informações cosmológicas sobre a velocidade com que essas galáxias se movem. Isso complementará as medições feitas por outros observatórios, e torná-los ainda mais poderosos, " ele disse.

Uma equipe de pesquisadores da Cornell University, composta pela pesquisadora associada Stefania Amodeo, professor assistente. Professor Nicholas Battaglia, e a estudante de graduação Emily Moser, liderou a modelagem e a interpretação das medições, e explorou suas consequências para lentes gravitacionais fracas e formação de galáxias.

Os algoritmos de computador que os pesquisadores desenvolveram devem ser úteis na análise de dados de "lentes fracas" de experimentos futuros com alta precisão. Os fenômenos de lente ocorrem quando objetos massivos, como galáxias e aglomerados de galáxias, estão aproximadamente alinhados em uma determinada linha do local, de modo que as distorções gravitacionais realmente dobram e distorcem a luz do objeto mais distante.

Lente fraca é uma das principais técnicas que os cientistas usam para entender a origem e a evolução do universo, incluindo o estudo da matéria escura e energia escura. Aprender a localização e distribuição da matéria bariônica traz esses dados ao alcance.

"Essas medições têm implicações profundas para lentes fracas, e esperamos que esta técnica seja muito eficaz na calibração de pesquisas futuras com lentes fracas, "Disse Ferraro.

Schaan observou, "Também obtemos informações relevantes para a formação de galáxias."

Nos últimos estudos, researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"É como uma marca d'água em uma nota de banco, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Serve para iluminar o gás por trás, para que possamos ver a sombra conforme a luz CMB viaja através desse gás. "

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.