O universo que vemos é apenas a ponta do vasto iceberg cósmico.

As centenas de bilhões de galáxias que contém, cada um deles com bilhões de estrelas, planetas e luas, bem como nuvens de gás e poeira formadoras de estrelas e planetas massivas, e toda a luz visível e outras energias que podemos detectar na forma de radiação eletromagnética, como ondas de rádio, raios gama e raios-X - em suma, tudo o que já vimos com nossos telescópios - representa apenas cerca de 5% de toda a massa e energia do universo.

Junto com essa chamada matéria normal, há também matéria escura, que não pode ser visto, mas pode ser observado por seu efeito gravitacional no normal, matéria visível, e representa outros 27% do universo. Adicione-os juntos, e eles totalizam apenas 32% da massa do universo - então onde estão os outros 68%?

Energia escura.

Então, o que exatamente é energia escura? Simplificando, é uma força misteriosa que empurra o universo para fora e faz com que ele se expanda mais rápido à medida que envelhece, engajado em um cabo-de-guerra cósmico com matéria escura, que está tentando unir o universo. Além disso, ainda não entendemos o que é a energia escura, mas os astrônomos da Penn State estão no centro de um grupo que visa descobrir por meio de um projeto único e ambicioso de 16 anos em construção:HETDEX, o experimento de energia escura do telescópio Hobby-Eberly.

"HETDEX tem potencial para mudar o jogo, "disse o Professor Associado de Astronomia e Astrofísica Donghui Jeong.

Energia escura e o universo em expansão

Hoje, há um consenso entre os astrônomos de que o universo que habitamos está se expandindo, e que sua expansão está se acelerando, mas a ideia de um universo em expansão tem menos de um século, e a noção de energia escura (ou qualquer outra coisa) acelerando essa expansão existe há pouco mais de 20 anos.

Em 1917, quando Albert Einstein aplicou sua teoria geral da relatividade para descrever o universo como um todo, estabelecendo as bases para a teoria do big bang, ele e outros cientistas importantes da época concebiam o cosmos como estático e não se expandia. Mas, para evitar que o universo entre em colapso sob a força atrativa da gravidade, ele precisava introduzir uma força repulsiva para neutralizá-la:a constante cosmológica.

Não foi até 1929 quando Edwin Hubble descobriu que o universo está de fato se expandindo, e que galáxias mais distantes da Terra estão se afastando mais rápido do que aquelas que estão mais próximas, que o modelo de um universo estático foi finalmente abandonado. Até Einstein foi rápido em modificar suas teorias, no início dos anos 1930, publicando dois modelos novos e distintos do universo em expansão, ambos sem a constante cosmológica.

Mas embora os astrônomos finalmente tenham entendido que o universo estava se expandindo, e tinha mais ou menos abandonado o conceito de constante cosmológica, eles também presumiram que o universo era dominado pela matéria e que a gravidade acabaria por fazer com que sua expansão diminuísse; o universo continuaria a se expandir para sempre, mas cada vez mais lentamente, ou em algum ponto cessaria sua expansão e então entraria em colapso, terminando em uma "grande crise".

"É assim que pensávamos que o universo funcionava, até 1998, "disse o Professor de Astronomia e Astrofísica Robin Ciardullo, membro fundador da HETDEX.

Aquele ano, duas equipes independentes, uma liderada por Saul Perlmutter no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e o outro liderado por Brian Schmidt da Australian National University e Adam Riess do Space Telescope Science Institute - publicaria quase simultaneamente resultados surpreendentes mostrando que a expansão do universo estava de fato se acelerando, impulsionado por alguma força antigravitacional misteriosa. Mais tarde naquele ano, o cosmologista Michael Turner, da Universidade de Chicago e do Fermilab, cunhou o termo "energia escura" para descrever essa força misteriosa.

A descoberta seria nomeada "Revelação do Ano" da revista Science em 1998, e em 2011 Perlmutter, Schmidt e Reiss receberiam o Prêmio Nobel de Física.

Teorias concorrentes

Mais de 20 anos após a descoberta da energia escura, astrônomos ainda não sabem o quê, exatamente, isto é.

"Sempre que os astrônomos dizem 'escuro, "isso significa que não temos nenhuma pista sobre isso, "Jeong disse com um sorriso irônico." Energia escura é apenas outra maneira de dizer que não sabemos o que está causando essa expansão acelerada. "

Existem, Contudo, uma série de teorias que tentam explicar a energia escura, e alguns concorrentes importantes.

Talvez a explicação mais favorável seja a constante cosmológica anteriormente abandonada, que os físicos modernos descrevem como energia do vácuo. "O vácuo na física não é um estado de nada, "Jeong explicou." É um lugar onde partículas e antipartículas são continuamente criadas e destruídas. "A energia produzida neste ciclo perpétuo poderia exercer uma força de impulso para fora no próprio espaço, causando sua expansão, iniciado no big bang, acelerar.

Infelizmente, os cálculos teóricos da energia do vácuo não correspondem às observações - por um fator de até 10 ¹²⁰ , ou um seguido por 120 zeros. "Isso é muito, muito incomum, "Jeong disse, "mas é onde estaremos se a energia escura for constante." Claramente, essa discrepância é um grande problema, e pode exigir uma reformulação da teoria atual, mas a constante cosmológica na forma de energia do vácuo ainda é a principal candidata até agora.

Como resultado de seu design, A HETDEX está coletando uma grande quantidade de dados, estendendo-se muito além de seus alvos pretendidos e fornecendo informações adicionais sobre coisas como matéria escura e buracos negros, a formação e evolução de estrelas e galáxias, e a física de partículas cósmicas de alta energia, como neutrinos.

Outra explicação possível é uma nova, partícula ou campo ainda não descoberto que permearia todo o espaço; Mas por enquanto, não há nenhuma evidência para apoiar isso.

Uma terceira possibilidade é que a teoria da gravidade de Einstein esteja incorreta. "Se você começar com a equação errada, "Jeong disse, "então você obteve a resposta errada." Existem alternativas para a relatividade geral, mas cada um tem seus próprios problemas e nenhum ainda o substituiu como a teoria reinante. Por enquanto, ainda é a melhor descrição da gravidade que temos.

Em última análise, o que é necessário é mais e melhores dados de observação - precisamente o que o HETDEX foi projetado para coletar como nenhuma outra pesquisa fez antes.

Um mapa de estrelas e som

"HETDEX é muito ambicioso, "Ciardullo disse." Vai observar um milhão de galáxias para mapear a estrutura do universo indo mais de dois terços do caminho de volta ao início dos tempos. Somos os únicos indo tão longe para ver o componente de energia escura do universo e como ele está evoluindo. "

Ciardullo, um astrônomo observacional que estuda tudo, desde estrelas próximas a galáxias distantes e matéria escura, é o gerente de observações da HETDEX. Ele é rápido em notar, no entanto, que ele tem ajuda nesse papel (de Jeong e outros) e que ele e todos os outros no projeto usam mais de um chapéu. "Este é um projeto muito grande, "disse ele." É mais de $ 40 milhões. Mas se você contar caras, não são muitas pessoas. E assim todos nós fazemos mais de uma coisa. "

Jeong, um astrofísico teórico e cosmólogo que também estuda ondas gravitacionais, foi fundamental para estabelecer as bases para o estudo e está fortemente envolvido na análise de dados do projeto - e ele também está ajudando Ciardullo a determinar para onde apontar o telescópio Hobby-Eberly de 10 metros, a terceira maior do mundo. "É bem interessante, "ele notou com uma risada, "um teórico dizendo aos observadores onde olhar."

Enquanto outros estudos medem a expansão do universo usando supernovas distantes ou um fenômeno conhecido como lentes gravitacionais, onde a luz é curvada pela gravidade de objetos massivos, como galáxias e buracos negros, A HETDEX está focada nas ondas sonoras do big bang, chamadas oscilações acústicas bariônicas. Embora não possamos realmente ouvir sons no vácuo do espaço, os astrônomos podem ver o efeito dessas ondas sonoras primordiais na distribuição da matéria por todo o universo.

Durante os primeiros 400, Cerca de mil anos após o big bang, o universo existia tão denso, plasma quente - uma sopa de partículas de matéria e energia. Pequenos distúrbios chamados flutuações quânticas naquele plasma desencadeiam ondas sonoras, como ondulações de um seixo jogado em um lago, que ajudou a matéria a começar a se agrupar e formar a estrutura inicial do universo. O resultado dessa aglomeração é evidente na radiação cósmica de fundo (também chamada de "brilho posterior" do big bang), qual é a primeira luz, e o mais distante para trás, que podemos ver no universo. E também está impresso na distribuição das galáxias ao longo da história do universo, como as ondulações em nosso lago, congelado no espaço.

"A física das ondas sonoras é bastante conhecida, "Ciardullo disse." Você vê o quão longe essas coisas foram, você sabe o quão rápido as ondas sonoras viajaram, então você sabe a distância. Você tem um governante padrão no universo, ao longo da história cósmica. "

À medida que o universo se expandiu, o governante também, e essas variações na régua mostrarão como a taxa de expansão do universo, impulsionado pela energia escura, mudou com o tempo.

"Basicamente, "Jeong disse, "fazemos um mapa tridimensional das galáxias e depois o medimos."

Novo espaço de descoberta

Para fazer seu mapa de um milhão de galáxias, a equipe HETDEX precisava de um novo instrumento poderoso.

Um conjunto de mais de 150 espectrógrafos chamados VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), montado no telescópio Hobby-Eberly, reúne a luz dessas galáxias em uma matriz de cerca de 35, 000 fibras ópticas e então as divide em seus comprimentos de onda componentes em um continuum ordenado conhecido como espectro.

Os espectros das galáxias revelam, entre outras coisas, a velocidade com que eles estão se afastando de nós - uma medida conhecida como "desvio para o vermelho". Devido ao efeito Doppler, o comprimento de onda de um objeto se afastando de seu observador é esticado (pense em uma sirene que fica mais baixa à medida que se afasta), e um objeto se movendo em direção ao seu observador tem seu comprimento de onda comprimido, como aquela mesma sirene aumentando de tom à medida que se aproxima. No caso de galáxias em retrocesso, sua luz é esticada e, portanto, deslocada em direção à extremidade vermelha do espectro.

Medir esse desvio para o vermelho permite que a equipe HETDEX calcule a distância até essas galáxias e produza um mapa tridimensional preciso de suas posições.

Entre as galáxias que a HETDEX está observando estão as conhecidas como galáxias Lyman-alfa - jovens galáxias formadoras de estrelas que emitem fortes linhas espectrais em comprimentos de onda ultravioleta específicos.

"Estamos usando galáxias emissoras de Lyman-alfa como uma 'partícula traçadora, '"explicou o Professor Pesquisador de Astronomia e Astrofísica Caryl Gronwall, que também é membro fundador da HETDEX. "Eles são fáceis de encontrar porque têm uma linha de emissão muito forte, que é fácil de encontrar espectroscopicamente com o instrumento VIRUS. Portanto, temos este método que seleciona galáxias com eficiência em um redshift bastante alto, e então podemos medir onde eles estão, medir suas propriedades. "

Gronwall, que junto com Ciardullo tem estudado galáxias Lyman-alfa por quase 20 anos, lidera os esforços da HETDEX nesta área, enquanto o Professor Associado de Astronomia e Astrofísica Derek Fox empresta sua experiência para calibrar o instrumento VIRUS, usando observações incidentais de estrelas com propriedades bem conhecidas para ajustar seus espectros.

"Cada foto que tiramos com HETDEX, observamos algumas estrelas nas fibras, "Fox explicou." Essa é uma oportunidade, porque as estrelas estão dizendo a você o quão sensível é seu experimento. Se você conhece o brilho das estrelas e vê os dados que coleta sobre elas, oferece uma oportunidade de manter a calibração correta. "

Um dos maiores pontos fortes da HETDEX é que ela foi projetada como uma pesquisa cega - observando grandes áreas do céu em vez de específicas, objetos predeterminados. "Ninguém tentou fazer uma pesquisa como esta antes, "Ciardullo disse." É sempre "Encontre seus objetos, em seguida, faça a espectroscopia. "Somos os primeiros a tentar fazer uma grande quantidade de espectroscopia e depois descobrir o que vimos."

Como resultado deste design, A HETDEX está coletando uma grande quantidade de dados, estendendo-se muito além de seus alvos pretendidos e fornecendo informações adicionais sobre coisas como matéria escura e buracos negros, a formação e evolução de estrelas e galáxias, e a física de partículas cósmicas de alta energia, como neutrinos.

"Isso é muito diferente e muito interessante, "Jeong disse." Temos um enorme espaço de descoberta. "

Ciardullo adicionou, "Uma coisa você pode inferir - se primeiro precisar ver um objeto antes de apontar seu espectroscópio para lá, bem, tudo bem, mas requer que o objeto possa ser visto. HETDEX pode observar espectros de coisas que você não pode ver. "

Isso significa que, além dos dados conhecidos que está coletando, HETDEX está abrindo uma janela para descobertas inesperadas, descobertas ainda imprevistas. "Seremos um pioneiro para mais experimentos, "Ciardullo disse, e esse sentimento é ecoado por outros na equipe, incluindo Fox.

"Definitivamente, vamos abrir trilhas abertas, "disse ele." Há grande, grande potencial para descobertas realmente empolgantes. "

De volta às raízes, e além

A ciência futurística de HETDEX é, em uma reviravolta estranha, muito em linha com as ideias que impulsionaram o desenvolvimento do telescópio Hobby-Eberly (HET) há quase 40 anos.

"O HET foi inicialmente concebido como o Penn State Spectroscopic Survey Telescope, "explicou o Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica Larry Ramsey, que inventou o telescópio em 1983 com o então colega da Penn State Dan Weedman, e mais tarde atuou como presidente do conselho de administração do HET. "A missão original era realizar pesquisas espectroscópicas, e nos quase 20 anos entre quando dedicamos o telescópio pela primeira vez e quando começamos o HETDEX, o telescópio não estava realmente fazendo pesquisas. Então, em um sentido muito real, o HETDEX está levando o HET de volta às suas raízes, e se tornou um projeto realmente interessante. "

"A escala desta pesquisa é muito futurística, mesmo agora, "Disse Jeong. Relembrando uma recente conferência de cosmologia, ele relatou uma discussão sobre o futuro das pesquisas galácticas. "Eu sentei lá e ouvi, e era basicamente o que estávamos fazendo, "disse ele." HETDEX é uma pesquisa futura que existe agora. "

Além do que HETDEX descobre sobre a energia escura, os dados que está coletando também fornecerão material para estudos futuros, muito além do escopo de sua própria missão. E as chances são, A HETDEX continuará fazendo ciência "revolucionária" no distante, universo high-redshift por alguns anos.

"Mesmo as pesquisas futuras planejadas atualmente não vão além do HETDEX, "Disse Jeong." Acho que ainda estaremos na vanguarda, até daqui a 10 anos. "