Telescópio Euclides:Cientista relata sua busca para compreender a natureza da matéria escura e da energia escura

Figura 1. Imagem Euclides do aglomerado de galáxias de Perseu. As grandes galáxias amarelas fazem parte deste enorme aglomerado de matéria, mas podemos discernir outras 50.000 galáxias distantes. Crédito:ESA/Euclid Consortium/NASA, processamento de imagem por J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, Fourni par l'auteur

Em 1º de julho de 2023, o Euclid, um telescópio espacial europeu único, foi lançado do Cabo Canaveral. O lançamento foi sem dúvida o ponto alto da minha carreira como astrónomo, mas testemunhar o resultado de anos de trabalho num foguetão não é para os fracos de coração. Após um lançamento perfeito, Euclides chegou rapidamente à sua órbita planeada, a cerca de 1,5 milhões de quilómetros de distância da Terra. Deste ponto de vista distante, começou a enviar imagens nítidas que cobrirão quase um terço do céu até ao final desta década.

Euclides é o próximo grande passo em nossa busca para tentar compreender o universo. Ao longo do século passado, fizemos enormes progressos. Aprendemos que a fusão do hidrogénio em hélio alimenta estrelas como o nosso Sol, enquanto a maioria dos átomos dos nossos corpos foram forjados nos núcleos de estrelas que desde então explodiram. Descobrimos que a galáxia é uma das muitas galáxias que traçam enormes estruturas semelhantes a espuma que permeiam o cosmos. Sabemos agora que o Universo começou há cerca de 13,6 mil milhões de anos com um “Big Bang” e tem vindo a expandir-se desde então.

Sondando a caixa preta do universo

Estas são conquistas importantes, mas à medida que aprendemos mais, também ficou claro que há muita coisa que não entendemos. Por exemplo, acredita-se que a maior parte da massa seja “matéria escura”, uma nova forma de matéria que não é explicada pelo modelo padrão de física de partículas, de outra forma altamente bem-sucedido. A atração gravitacional de toda essa matéria deveria desacelerar a expansão do universo, mas há cerca de 25 anos descobrimos que na verdade ela está acelerando. Isto requer um componente ainda mais misterioso. Para refletir a nossa ignorância – até o momento não existe nenhuma boa explicação física – nos referimos a ela como “energia escura”. Combinadas, a matéria escura e a energia escura constituem 95% do universo, mas não compreendemos a sua natureza.

O que sabemos é que ambos os componentes escuros influenciam a forma como grandes estruturas podem se formar. A gravidade da matéria escura ajuda a reunir a matéria em galáxias ou em objetos ainda maiores. Em contraste, a energia escura separa as coisas, neutralizando assim eficazmente a atração gravitacional. O equilíbrio entre os dois evolui à medida que o universo se expande, com a energia escura tornando-se cada vez mais dominante. Os detalhes dependem da natureza dos componentes escuros, e a comparação com as observações permite-nos distinguir entre diferentes teorias. Esta é a principal razão pela qual o Euclides foi lançado. Mapeará como o assunto está distribuído e como isso evoluiu ao longo do tempo. Estas medições podem fornecer a orientação necessária que levará a uma melhor compreensão do lado escuro do universo.

Mas como podemos estudar a distribuição da matéria, se a maior parte dela é matéria escura invisível? Felizmente, a natureza proporcionou um caminho conveniente a seguir:a teoria da relatividade geral de Einstein diz-nos que a matéria curva o espaço à sua volta. Aglomerados de matéria escura revelam a sua presença distorcendo as formas de galáxias mais distantes, tal como as ondas na superfície de uma piscina distorcem o padrão dos ladrilhos no fundo.

Lentes gravitacionais e suas pistas

Dada a semelhança com as lentes ópticas normais – a física é diferente, mas a matemática é a mesma – a curvatura dos raios de luz pela matéria é chamada de lente gravitacional. Em casos raros, a curvatura é tão forte que podem ser observadas múltiplas imagens da mesma galáxia. Na maioria das vezes, porém, o efeito é mais sutil, alterando ligeiramente as formas das galáxias distantes. No entanto, se calcularmos a média das medições de um grande número de galáxias, poderemos descobrir padrões nas suas orientações que foram impressos pela distribuição interveniente da matéria, tanto regular como escura.

Este sinal de “lente fraca” pode não ser tão espetacular, mas fornece-nos uma forma direta de mapear a distribuição da matéria no Universo, especialmente quando combinado com as distâncias às galáxias para as quais as formas foram medidas. O potencial desta técnica foi reconhecido no início dos anos noventa, mas também ficou claro que as medições seriam um desafio. A turbulência na atmosfera turva a nossa visão das galáxias ténues, pequenas e distantes que queremos usar, enquanto as imperfeições na óptica do telescópio alteram inevitavelmente as formas observadas das galáxias. Conseqüentemente, a comunidade astronômica estava cética quanto à viabilidade técnica. Essa era a situação quando comecei meu doutorado. em 1995, quando embarquei em uma jornada para provar que eles estavam errados.

Ao longo dos anos, utilizando conjuntos de dados cada vez maiores recolhidos com telescópios terrestres, descobrimos e resolvemos novos problemas. Baseando-me em observações do Telescópio Espacial Hubble lançado em 1990, o meu trabalho de tese já tinha mostrado que medir parcialmente formas é muito mais fácil a partir do espaço. No entanto, até a chegada de Euclides, os telescópios espaciais só conseguiam observar pequenas manchas do céu:o Telescópio Espacial James Webb (JWST), lançado em 2021, vê o equivalente a um grão de areia à distância de um braço estendido. No entanto, para realmente testar a natureza da energia escura, precisamos cobrir 6 milhões de vezes mais área. Foi isto que levou ao Euclid, um telescópio único, concebido para fornecer imagens nítidas de 1,5 mil milhões de galáxias, bem como informações sobre a distância até estas. Como mostra a figura 2, em uma única tomada observamos uma área maior que a lua cheia.

Figura 2:Esta imagem mostra o campo de visão de Euclides em relação ao tamanho da lua cheia. Uma única exposição é cerca de 100x maior que a do Telescópio Espacial Hubble, enquanto sua nitidez é quase a mesma. Crédito:ESA/Euclid Consortium/NASA, processamento de imagem por J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, Fourni par l'auteur

Estes dados são complementados por distâncias precisas de cerca de 25 milhões de galáxias para mapear detalhadamente a distribuição de galáxias distantes.

Coordenador de Cosmologia da Euclides

Quando comecei a minha jornada neste campo de investigação, a energia escura não tinha sido descoberta, enquanto poucos acreditavam que lentes fracas seriam uma ferramenta importante para estudar a distribuição da matéria. Como as coisas mudaram. O lançamento de Euclides é sem dúvida a demonstração mais espetacular disso. Desde 2011 – quando o projeto ainda estava sendo considerado pela Agência Espacial Europeia (ESA) como parte de seu programa Visão Cósmica – sou um dos coordenadores de cosmologia do Euclid. Isto significa que fui responsável por estabelecer as principais características da missão, em particular aquelas relativas às lentes gravitacionais fracas. Isso incluiu a especificação de quão nítidas as imagens deveriam ser e quão bem precisamos medir as formas das galáxias. O trabalho também envolveu interações frequentes com a Agência Espacial Europeia (ESA) para esclarecer os objetivos científicos e descobrir como lidar com novos conhecimentos.

Graças ao trabalho árduo de uma grande equipe de engenheiros e cientistas, conseguimos superar os muitos obstáculos técnicos. Continuámos a nossa colaboração durante uma pandemia, apenas para perder o nosso foguete pretendido devido à invasão russa da Ucrânia – o Euclides estava planeado para ser lançado num foguetão Soyuz. Notavelmente, a ESA encontrou rapidamente uma solução:um lançamento num Falcon 9 da SpaceX. Como resultado, encontrei-me na Flórida para testemunhar o que foi, sem dúvida, o ponto culminante de toda a minha pesquisa até agora.

Pista de obstáculos de Euclides

Tem sido uma viagem de montanha-russa desde então. As primeiras imagens tiradas em julho foram mais barulhentas do que o previsto, devido à luz solar que penetrou na câmera. Isto teria sido um problema sério, mas o culpado mais provável – um propulsor saliente que refletia a luz solar na parte de trás do escudo solar – foi rapidamente identificado, assim como a solução. Ao girar levemente a espaçonave, o propulsor poderia ser colocado na sombra do satélite. Isto, no entanto, significou uma revisão completa do planeamento da pesquisa.

Os problemas não pararam por aí. A radiação do Sol empurra Euclides continuamente um pouco, o que é compensado por meio de propulsores que mantêm o telescópio completamente estável. Só então poderemos tirar as fotos nítidas de que precisamos. Porém, partículas energéticas do Sol interferiram no sistema de estabilização, fazendo com que o telescópio tremesse um pouco. Isso foi resolvido com uma atualização de software. Mais recentemente, a acumulação de gelo no interior do telescópio causou preocupação, mas esse problema também foi resolvido com sucesso.

Figura 3:Imagem euclidiana de IC 342, uma galáxia espiral próxima ao plano da Via Láctea. As observações sensíveis de Euclides em comprimentos de onda do infravermelho próximo revelam muitos detalhes nesta galáxia. Crédito:ESA, Fourni par l'auteur

Para dar ao mundo uma noção do seu potencial, algumas “observações de divulgação antecipada” de objetos fotogênicos foram publicadas em novembro. O que mais se aproxima da minha pesquisa é o do aglomerado de galáxias de Perseu (Figura 1). Além das grandes galáxias amareladas, que fazem parte deste enorme aglomerado de matéria, Euclides fornece imagens detalhadas de outras 50.000 galáxias. Esse nível de detalhe é o que preciso para minha pesquisa, mas até agora só tenho 800 das 25.000 imagens desse tipo! Isso começou:no dia 15 de fevereiro de 2024, o Euclides iniciou seu levantamento principal e nos próximos 2.200 dias continuará fotografando o céu. Esta vasta quantidade de dados será um tesouro para os astrónomos – e para todo o mundo – nos próximos anos. Por exemplo, podemos estudar detalhadamente a estrutura de centenas de galáxias próximas, como a IC 342 (Figura 3). Essas imagens são apenas uma prévia do que o futuro trará.

Fornecido por The Conversation

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.