Com 5.000 pequenos robôs num telescópio no topo de uma montanha, os investigadores podem olhar 11 mil milhões de anos para o passado. A luz de objetos distantes no espaço está agora a chegar ao Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI), permitindo-nos mapear o nosso cosmos tal como era na sua juventude e traçar o seu crescimento até ao que vemos hoje.



A compreensão de como o nosso universo evoluiu está ligada à forma como ele termina e a um dos maiores mistérios da física:a energia escura, o ingrediente desconhecido que faz com que o nosso universo se expanda cada vez mais rápido.

Para estudar os efeitos da energia escura ao longo dos últimos 11 mil milhões de anos, o DESI criou o maior mapa 3D do nosso cosmos alguma vez construído, com as medições mais precisas até à data. Esta é a primeira vez que os cientistas medem a história de expansão do universo jovem com uma precisão superior a 1%, dando-nos a nossa melhor visão de como o universo evoluiu.

Os pesquisadores compartilharam a análise do primeiro ano de dados coletados em vários artigos que serão publicados hoje no arXiv servidor de pré-impressão e em palestras na reunião da American Physical Society nos Estados Unidos e no Rencontres de Moriond na Itália.

“Estamos extremamente orgulhosos dos dados, que produziram resultados cosmológicos líderes mundiais e são os primeiros a surgir da nova geração de experimentos de energia escura”, disse Michael Levi, diretor do DESI e cientista do Lawrence do Departamento de Energia. Laboratório Nacional de Berkeley (Berkeley Lab), que gerencia o projeto.

"Até agora, estamos a ver uma concordância básica com o nosso melhor modelo do universo, mas também estamos a ver algumas diferenças potencialmente interessantes que podem indicar que a energia escura está a evoluir com o tempo. Estas podem ou não desaparecer com mais dados, por isso estamos entusiasmados em começar a analisar nosso conjunto de dados de três anos em breve."

Nosso modelo líder do universo é conhecido como Lambda CDM. Inclui um tipo de matéria de interação fraca (matéria escura fria ou CDM) e energia escura (Lambda). Tanto a matéria como a energia escura moldam a forma como o universo se expande – mas de formas opostas. A matéria e a matéria escura retardam a expansão, enquanto a energia escura a acelera. A quantidade de cada um influencia como nosso universo evolui. Este modelo faz um bom trabalho ao descrever os resultados de experimentos anteriores e a aparência do universo ao longo do tempo.

No entanto, quando os resultados do primeiro ano do DESI são combinados com dados de outros estudos, existem algumas diferenças sutis com o que o Lambda CDM poderia prever. À medida que o DESI recolhe mais informações durante o seu inquérito de cinco anos, estes primeiros resultados tornar-se-ão mais precisos, esclarecendo se os dados apontam para explicações diferentes para os resultados que observamos ou para a necessidade de atualizar o nosso modelo.

Mais dados também melhorarão outros resultados iniciais do DESI, que avaliam a constante de Hubble (uma medida da rapidez com que o Universo se está a expandir hoje) e a massa de partículas chamadas neutrinos.

"Nenhuma experiência espectroscópica teve tantos dados antes, e continuamos a recolher dados de mais de um milhão de galáxias todos os meses," disse Nathalie Palanque-Delabrouille, cientista do Berkeley Lab e co-porta-voz da experiência.

"É surpreendente que, apenas com o nosso primeiro ano de dados, já possamos medir a história de expansão do nosso Universo em sete períodos diferentes do tempo cósmico, cada um com uma precisão de 1 a 3%. A equipa dedicou um enorme trabalho para leva em conta as complexidades da modelagem instrumental e teórica, o que nos dá confiança na robustez dos nossos primeiros resultados."

A precisão global do DESI na história da expansão ao longo de todos os 11 mil milhões de anos é de 0,5%, e a época mais distante, cobrindo 8–11 mil milhões de anos no passado, tem uma precisão recorde de 0,82%. Essa medição do nosso jovem universo é incrivelmente difícil de fazer.

No entanto, no espaço de um ano, o DESI tornou-se duas vezes mais poderoso na medição da história da expansão nestes primeiros tempos do que o seu antecessor (o BOSS/eBOSS do Sloan Digital Sky Survey), o que demorou mais de uma década.

“Estamos muito satisfeitos em ver os resultados da cosmologia do primeiro ano de operações do DESI”, disse Gina Rameika, diretora associada de Física de Altas Energias do DOE. "O DESI continua a surpreender-nos com o seu desempenho estelar e já está a moldar a nossa compreensão do universo."

Viajando no tempo

DESI é uma colaboração internacional de mais de 900 pesquisadores de mais de 70 instituições ao redor do mundo. O instrumento fica no topo do Telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros da Fundação Nacional de Ciência dos EUA no Observatório Nacional Kitt Peak, um programa do NOIRLab da NSF.

Olhando para o mapa do DESI, é fácil ver a estrutura subjacente do universo:cadeias de galáxias agrupadas, separadas por vazios com menos objetos. Nosso universo primitivo, muito além da visão do DESI, era bem diferente:uma sopa quente e densa de partículas subatômicas movendo-se rápido demais para formar matéria estável como os átomos que conhecemos hoje. Entre essas partículas estavam núcleos de hidrogênio e hélio, chamados coletivamente de bárions.

Pequenas flutuações neste plasma ionizado inicial causaram ondas de pressão, movendo os bárions em um padrão de ondulações semelhante ao que você veria se jogasse um punhado de cascalho em um lago. À medida que o Universo se expandia e arrefecia, formaram-se átomos neutros e as ondas de pressão pararam, congelando as ondulações em três dimensões e aumentando o agrupamento de futuras galáxias nas áreas densas.

Bilhões de anos depois, ainda podemos ver esse padrão tênue de ondulações 3D, ou bolhas, na separação característica das galáxias – uma característica chamada Oscilações Acústicas Bariônicas (BAOs).

Os pesquisadores usam as medições do BAO como uma régua cósmica. Ao medir o tamanho aparente destas bolhas, podem determinar as distâncias à matéria responsável por este padrão extremamente ténue no céu. Mapear as bolhas BAO próximas e distantes permite aos investigadores dividir os dados em pedaços, medindo a rapidez com que o Universo se expandiu em cada momento do seu passado e modelando como a energia escura afecta essa expansão.

"Medimos a história da expansão ao longo deste enorme intervalo de tempo cósmico com uma precisão que supera todas as pesquisas BAO anteriores combinadas," disse Hee-Jong Seo, professor da Universidade de Ohio e co-líder da análise BAO do DESI. "Estamos muito entusiasmados por saber como estas novas medições irão melhorar e alterar a nossa compreensão do cosmos. Os humanos têm um fascínio intemporal pelo nosso universo, querendo saber do que é feito e o que lhe acontecerá."

Usar galáxias para medir a história da expansão e compreender melhor a energia escura é uma técnica, mas só pode chegar até certo ponto. A certa altura, a luz das galáxias típicas é demasiado ténue, por isso os investigadores recorrem aos quasares, núcleos galácticos extremamente distantes e brilhantes, com buracos negros nos seus centros. A luz dos quasares é absorvida à medida que passa pelas nuvens intergalácticas de gás, permitindo aos investigadores mapear as bolsas de matéria densa e utilizá-las da mesma forma que utilizam as galáxias – uma técnica conhecida como “floresta Lyman-alfa”.

"Usamos os quasares como luz de fundo para basicamente ver a sombra do gás intermediário entre os quasares e nós", disse Andreu Font-Ribera, cientista do Instituto de Física de Altas Energias (IFAE) na Espanha, que co-lidera o Lyman- análise de floresta alfa. "Isso nos permite olhar mais longe, para quando o universo era muito jovem. É uma medição muito difícil de fazer e muito legal ver seu sucesso."

Os investigadores usaram 450.000 quasares, o maior conjunto alguma vez recolhido para estas medições da floresta Lyman-alfa, para alargar as suas medições BAO até 11 mil milhões de anos atrás. Ao final da pesquisa, o DESI planeja mapear 3 milhões de quasares e 37 milhões de galáxias.

Ciência de última geração

DESI é o primeiro experimento espectroscópico a realizar uma “análise cega” totalmente, que esconde o verdadeiro resultado dos cientistas para evitar qualquer viés de confirmação subconsciente. Os pesquisadores trabalham no escuro com dados modificados, escrevendo o código para analisar suas descobertas. Depois que tudo estiver finalizado, eles aplicam sua análise aos dados originais para revelar a resposta real.

“A forma como fizemos a análise dá-nos confiança nos nossos resultados, e particularmente em mostrar que a floresta Lyman-alfa é uma ferramenta poderosa para medir a expansão do Universo”, disse Julien Guy, cientista do Berkeley Lab e co-líder do processando informações dos espectrógrafos do DESI.

"O conjunto de dados que estamos coletando é excepcional, assim como a velocidade com que os coletamos. Esta é a medição mais precisa que já fiz na minha vida."

Os dados do DESI serão usados ​​para complementar futuras pesquisas do céu, como o Observatório Vera C. Rubin e o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace, e para preparar uma possível atualização para o DESI (DESI-II), recomendada em um relatório recente do Departamento de Partículas dos EUA. Painel de Priorização de Projetos de Física.

"Estamos na era de ouro da cosmologia, com pesquisas em grande escala em andamento e prestes a serem iniciadas, e novas técnicas sendo desenvolvidas para fazer o melhor uso desses conjuntos de dados", disse Arnaud de Mattia, pesquisador do Centro Francês de Energias Alternativas e Comissão de Energia Atômica (CEA) e co-líder do grupo do DESI interpretando os dados cosmológicos.

"Estamos todos realmente motivados para ver se os novos dados irão confirmar as características que vimos na nossa amostra do primeiro ano e construir uma melhor compreensão da dinâmica do nosso Universo."

Mais informações: Os artigos do DESI Year 1 estão disponíveis no site do DESI:https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/
Informações do diário: arXiv

Fornecido pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley