Temos agora um modelo padrão de cosmologia, a versão atual da teoria do Big Bang. Embora tenha tido muito sucesso, as suas consequências são surpreendentes. Conhecemos apenas 5% do conteúdo do universo, que é matéria normal. Os restantes 95% são constituídos por duas entidades exóticas que nunca foram produzidas em laboratório e cuja natureza física ainda é desconhecida.



Trata-se da matéria escura, que representa 25% do conteúdo do cosmos, e da energia escura, que contribui com 70%. No modelo padrão da cosmologia, a energia escura é a energia do espaço vazio, e a sua densidade permanece constante ao longo da evolução do universo.

De acordo com esta teoria, as ondas sonoras se propagaram no universo primitivo. Naqueles estágios iniciais, o universo tinha uma temperatura e densidade enormes. A pressão neste gás inicial tentou separar as partículas que o formavam, enquanto a gravidade tentou juntá-las, e a competição entre as duas forças criou ondas sonoras que se propagaram desde o início do universo até cerca de 400.000 anos após o Big Bang. .

Naquela época, a radiação e a matéria pararam de interagir e as ondas congelaram, deixando uma marca na distribuição espacial da matéria. Essa marca é observada como um pequeno acúmulo preferencial de galáxias separadas por uma distância característica, chamada de escala de Oscilações Acústicas Bariônicas (BAO) pelos cosmólogos, e corresponde à distância percorrida pelas ondas sonoras nesses 400 mil anos.

Uma nova medição da distância cósmica

O Dark Energy Survey (DES) acaba de medir a escala BAO quando o universo tinha metade da sua idade atual com uma precisão de 2%, a determinação mais precisa até agora numa época tão antiga, e a primeira vez que uma medição apenas por imagem é competitiva com grandes campanhas de espectroscopia projetadas especificamente para detectar este sinal.

A distância que a onda sonora percorre no universo primitivo depende de processos físicos bem conhecidos, por isso pode ser determinada com grande precisão, estabelecendo um padrão para o universo. É o que os cosmólogos chamam de governante padrão. Neste caso, tem uma extensão de cerca de 500 milhões de anos-luz.

Ao observar o ângulo que esta régua padrão subtende no céu a diferentes distâncias (ou, em outras palavras, em diferentes épocas do universo), pode-se determinar a história da expansão cósmica e, com ela, as propriedades físicas da energia escura . Em particular, pode ser determinado através da análise da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a radiação libertada quando os átomos se formaram, 400.000 anos após o Big Bang, que nos dá uma imagem do Universo primitivo, conforme publicado pela colaboração Planck em 2018.

Também pode ser determinado no universo tardio, estudando a escala BAO em mapeamentos de galáxias, como o DES fez. Analisar a consistência de ambas as determinações é um dos testes mais exigentes do modelo padrão da cosmologia.

“É um orgulho ver como, após quase vinte anos de esforço contínuo, o DES produz resultados científicos da mais alta relevância em cosmologia”, afirma Eusebio Sánchez, chefe do grupo de cosmologia do CIEMAT. “É uma excelente recompensa pelo esforço investido no projeto.”

“O que observamos é que as galáxias têm maior tendência a se separarem umas das outras por um ângulo de 2,90 graus no céu em comparação com outras distâncias”, comenta Santiago Ávila, pesquisador de pós-doutorado no IFAE e um dos coordenadores da análise. “Esse é o sinal! A onda pode ser vista claramente nos dados”, acrescenta, referindo-se à primeira figura. “É uma preferência sutil, mas estatisticamente relevante”, diz ele, “e podemos determinar o padrão de onda com uma precisão de 2%. Para referência, a lua cheia ocupa meio grau de diâmetro no céu. para ver as galáxias a olho nu, a distância BAO seria semelhante a seis luas cheias."

16 milhões de galáxias para medir o universo há 7 bilhões de anos

Para medir a escala BAO, o DES utilizou 16 milhões de galáxias, distribuídas por um oitavo do céu, que foram especialmente selecionadas para determinar a que distância estão com precisão suficiente.

“É importante selecionar uma amostra de galáxias que nos permita medir a escala BAO com a maior precisão possível”, diz Juan Mena, que fez o seu doutoramento. no CIEMAT neste estudo e agora é pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Física Subatômica e Cosmologia em Grenoble (França). "A nossa amostra está optimizada para ter um bom compromisso entre um maior número de galáxias e a certeza com que podemos determinar a sua distância."

As distâncias cosmológicas são tão grandes que a luz leva bilhões de anos para chegar até nós, permitindo-nos observar o passado cósmico. A amostra de galáxias utilizada neste estudo abre uma janela para o Universo há sete mil milhões de anos, pouco menos de metade da sua idade actual.

“Uma das tarefas mais complicadas do processo é limpar a amostra de galáxias de contaminantes observacionais:distinguir entre galáxias e estrelas ou mitigar os efeitos da atmosfera nas imagens”, diz Martín Rodríguez Monroy, investigador de pós-doutoramento no IFT em Madrid. .

Pistas sobre a misteriosa energia escura

Uma descoberta interessante deste estudo é que o tamanho que estas ondas ocupam no céu é 4% maior do que o previsto a partir de medições feitas pelo satélite Planck da ESA no universo primitivo, usando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Dada a amostra de galáxias e as incertezas da análise, esta discrepância tem 5% de chance de ser uma mera flutuação estatística. Se não fosse, poderíamos estar diante de uma das primeiras pistas de que a atual teoria da cosmologia não está totalmente completa e que a natureza física dos componentes escuros é ainda mais exótica do que se pensava anteriormente.

"Por exemplo, a energia escura pode não ser a energia do vácuo. A sua densidade pode mudar com a expansão do Universo, ou mesmo o espaço pode ser ligeiramente curvo", diz Anna Porredon, investigadora espanhola da Ruhr University Bochum (RUB). Na Alemanha. Esta investigadora, bolseira do programa Marie Sklodowska-Curie Actions da União Europeia, tem sido uma das coordenadoras desta análise.

A escala BAO foi medida por outros projetos cosmológicos anteriores ao DES em diferentes idades do universo, principalmente o Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) e sua extensão (eBOSS), que foram projetados para este fim. No entanto, a medição DES é a mais precisa numa idade tão precoce do universo, com metade da incerteza do eBOSS naquela época. O aumento significativo da precisão permitiu revelar a possível discrepância da escala BAO em relação ao modelo padrão da cosmologia.

“Para seguir esse exemplo, o próximo passo crucial é combinar esta informação com outras técnicas exploradas pelo DES para compreender a natureza da energia escura”, comenta Hugo Camacho, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Brookhaven (EUA), anteriormente no Instituto de Física Teórica pela Universidade Estadual Paulista (IFT-UNESP) e membro do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). “Além disso, o DES também abre caminho para uma nova era de descobertas em cosmologia, que será seguida por experiências futuras com medições ainda mais precisas.”

A Pesquisa sobre Energia Escura

Como o próprio nome sugere, DES é um grande projeto cosmológico especialmente concebido para estudar as propriedades da energia escura. É uma colaboração internacional de mais de 400 cientistas de sete países, com sede no Fermi National Accelerator Laboratory do US DOE, perto de Chicago. O projeto foi concebido para usar quatro métodos mutuamente complementares:distâncias cosmológicas com supernovas, o número de aglomerados de galáxias, a distribuição espacial das galáxias e o fraco efeito de lente gravitacional.

Além disso, estes métodos podem ser combinados para obter maior poder estatístico e melhor controle das observações, que se espera sejam consistentes. A combinação do efeito de lente gravitacional com a distribuição espacial das galáxias é especialmente relevante. Estas análises testam o modelo cosmológico de uma forma muito exigente. Os resultados utilizando metade dos dados do DES já foram publicados com grande aclamação, e as medições finais, utilizando o conjunto completo de dados de mais de 150 milhões de galáxias, deverão ser publicadas ainda este ano.

“O DES permite-nos compreender pela primeira vez se a expansão acelerada do Universo, que começou há 6 mil milhões de anos, é consistente com o nosso modelo actual para a origem do Universo”, comenta Martin Crocce, que co-coordena esta última análise. do GELO.

Para utilizar todas essas técnicas, o DES construiu a Dark Energy Camera (DECam) de 570 megapixels, uma das maiores e mais sensíveis câmeras do mundo. Está instalado no telescópio Víctor M. Blanco, com espelho de 4m de diâmetro, no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile, operado pelo NOIRLab da NSF dos EUA.

O DES mapeou um oitavo da abóbada celeste a uma profundidade sem precedentes. Foram tiradas imagens em quatro cores entre 2013 e 2019 e atualmente está na fase final da análise científica dessas imagens. Instituições espanholas fazem parte do projeto desde o seu início em 2005 e, além de terem colaborado de forma proeminente na concepção, fabrico, testes e instalação do DECam e na aquisição de dados, têm até à data responsabilidades importantes na gestão científica do DES.

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven