Examinando o cosmos de sua posição isolada na Antártida, um projeto colaborativo visa revelar insights sobre os primórdios do universo.
No verão no Pólo Sul, que vai de novembro a fevereiro, a temperatura média é de 18 graus F negativos. O sol não se põe durante esse período, tornando o sono um desafio. O ambiente é duro e seco. E a conexão com a Internet na Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, quando você pode acessá-la, é dolorosamente lenta.

Por outro lado, as distrações do trabalho são poucas e a paisagem é deslumbrante. As refeições da cozinha no local são ótimas. A melhor parte? Há uma visão incomparável do universo primitivo.

Vendo a luz mais antiga do universo

Essa visão, que vem do Telescópio do Pólo Sul (SPT) da estação de pesquisa, não é o que muitos de nós imaginamos quando olhamos para o céu. Em vez de estrelas e planetas, as imagens do SPT parecem mais uma pintura de Jackson Pollock. Eles capturam dados relacionados à origem do universo e sua evolução ao longo de bilhões de anos.

Desde que o SPT começou a operar em 2007, ajudou pesquisadores a descobrir mais de 1.000 aglomerados de galáxias gigantes (incluindo alguns realmente excepcionais) e mudou nossa compreensão do período em que as primeiras estrelas se formaram, entre outras revelações. Mais de 20 universidades e instalações de pesquisa do Departamento de Energia dos EUA (DOE), incluindo o Argonne National Laboratory, estão colaborando no esforço.

O telescópio de 33 pés usa detectores desenvolvidos e construídos em Argonne para estudar a radiação cósmica de fundo (CMB). O CMB consiste em luz produzida quando o universo tinha cerca de 380.000 anos. Naquela época, o universo bebê era um plasma intensamente quente, e o brilho que produzia viajava pelo espaço há cerca de 14 bilhões de anos.

“Olhar para o fundo cósmico de micro-ondas, pintando nosso universo inicial e conectando-o às observações que vemos hoje, forma um dos principais pilares fundamentais de nosso modelo cosmológico”, disse Lindsey Bleem, física de Argonne que coleta e analisa dados do SPT.

A Antártida é um dos melhores lugares do mundo para detectar esse sinal fraco porque é essencialmente um deserto congelado e muito seco. A água no ar pode criar "ruído" na visão dos céus com um telescópio, explicou Bleem, tornando a imagem menos clara. O ambiente do SPT é o mais livre de interferência possível na Terra.

Na maioria das vezes, os cientistas podem coletar e trabalhar com os dados do SPT de Argonne em Illinois ou de qualquer outro lugar configurado para acessar os dados remotamente. Mas, ocasionalmente, manutenção e atualizações, como uma câmera de terceira geração instalada em 2017, exigem viagens para essa instalação no meio de um deserto congelado.

Seja lidando com o frio de bater os dentes, esperando que os suprimentos cheguem ou certificando-se de que o equipamento seja mantido e protegido contra intempéries, a localização remota pode ser assustadora. A falta de umidade por si só é "algo que é um pouco desafiador e também pode interferir na forma como as coisas acontecem no dia a dia", disse Clarence Chang, físico de Argonne que desenvolve detectores supercondutores para o SPT.

Uma vantagem:durante a temporada de verão do telescópio, os cozinheiros da equipe fornecem refeições para os pesquisadores visitantes, e "a comida é absolutamente fantástica", disse Bleem.

Detetores supersensíveis e supercondutores

A atualização de 2017 para a câmera do SPT levou de 1.600 para 16.000 detectores. Agregados, os detectores se assemelham a um favo de mel medindo cerca de 17 polegadas de diâmetro. Os detectores são mantidos muito mais frios do que a noite antártica mais fria, um pouco acima do zero absoluto, ou menos 459 F. A temperatura, combinada com a sensibilidade de seus materiais supercondutores, os ajuda a registrar a luz muito fraca do CMB.

Os pesquisadores aproveitaram o Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, uma instalação do usuário do DOE Office of Science, para fabricar os detectores. O equipamento da instalação permite controlar materiais supercondutores e processá-los de forma consistente.

Um dos objetivos de pesquisa das observações do CMB é explorar uma teoria conhecida como inflação cósmica, a ideia de que o universo primitivo passou por uma expansão massiva e inimaginavelmente rápida. Essa teoria está associada a previsões de padrões particulares na CMB.

"Essas previsões são extremamente difíceis de medir. Os sinais são muito fracos, o que requer a construção de instrumentos incrivelmente sensíveis", disse Chang.

O SPT iniciou uma pesquisa de seis anos com a nova câmera em 2018. O conjunto aprimorado de detectores, combinado com anos de observação, é um pouco como definir uma longa exposição na mais recente e melhor câmera de smartphone para capturar uma imagem detalhada à noite.

"Está avançando, coletando os dados para nós", disse Amy Bender, uma física de Argonne que ajudou a instalar a câmera de terceira geração. "Estamos observando o mesmo pedaço de céu todos os dias, o dia todo. Quanto mais o observamos, melhor podemos detectar sinais mais fracos."

Quando a execução do SPT terminar em 2024, os cientistas estarão ocupados não apenas analisando os dados resultantes, mas trabalhando em novas atualizações para o SPT.

A capacidade de Argonne de produzir de forma confiável detectores de telescópios supersensíveis também será fundamental para um novo e ambicioso experimento:CMB-S4. Nesse experimento, uma colaboração de Argonne e dezenas de instituições em todo o mundo, 21 telescópios no Pólo Sul e no deserto chileno de Atacama vão pesquisar o céu por sete anos a partir do final da década. O número de detectores implantados saltará para 500.000, e alguns deles serão feitos em Argonne.

Julgando os números extragalácticos

Simulações executadas em computadores de alto desempenho no Argonne Leadership Computing Facility, também uma instalação do usuário do DOE Office of Science, são fundamentais para decodificar as observações do SPT. Os cientistas usam esse poder de computação para correlacionar teorias sobre como a matéria e as forças interagem no universo. Um aglomerado de galáxias na linha de visão do telescópio, por exemplo, distorcerá a luz de fundo de outras galáxias e do CMB. Esse efeito precisa ser medido e correlacionado com as previsões teóricas.

Para explicar como as simulações ajudam nas observações, Bleem deu um exemplo:digamos que você tenha uma foto da Torre Eiffel sem dados sobre a altura da estrutura. Você pode usar a medida conhecida de um objeto próximo, como uma pessoa em pé no chão, para raciocinar sobre suas dimensões. Da mesma forma, os computadores ajudam a preencher a lacuna entre o que sabemos e o que pretendemos descobrir, fornecendo-nos compreensão desses processos complicados e permitindo-nos avaliar o quão bem nossas ferramentas de análise podem reconstruir modelos desses fenômenos.

Com o SPT atualizado e o próximo projeto CMB-S4, os cientistas continuam a gerar mais dados observacionais. Os recursos de computação da Argonne estão acompanhando o ritmo, observou J.D. Emberson, cientista computacional da Argonne.

"Os primeiros códigos de cosmologia apenas simulavam a gravidade", disse Emberson. “Mas à medida que estamos obtendo telescópios melhores e maiores que podem coletar mais informações no universo, é importante que tenhamos a capacidade de simular mais do que apenas a gravidade”.

Emberson trabalha no Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), a estrutura usada para executar simulações cosmológicas para o SPT e outros telescópios. Seu trabalho, parte do projeto ExaSky liderado por Argonne, está preparando o HACC para computadores exascale como o Aurora, que serão adequados para lidar com simulações cosmológicas de escala extrema.

“À medida que os cientistas constroem instrumentos de próxima geração, queremos ser capazes de impulsionar a computação de próxima geração para corresponder a isso”, disse Emberson.

Tanto a computação quanto os detectores avançados que estão sendo desenvolvidos em Argonne estão servindo à exploração do cosmos pelo SPT. Mas eles também são relevantes para uma série de outras tecnologias aqui na Terra, como triagem para saúde e segurança.

"Nenhuma empresa está fabricando equipamentos como este hoje", disse Bender. "Então, estamos liderando a frente para impulsionar a tecnologia para isso. Quem sabe quais portas podem abrir para outras áreas?" + Explorar mais

Observando o universo do fundo da Terra