Há mais de cinco anos que os cientistas do Telescópio do Pólo Sul, na Antártida, observam o céu com uma câmara atualizada. O olhar estendido em direção ao cosmos está captando luz remanescente da formação inicial do universo. Agora os pesquisadores analisaram um lote inicial de dados, publicando detalhes na revista Physical Review D . Os resultados deste conjunto de dados limitado sugerem percepções futuras ainda mais poderosas sobre a natureza do nosso universo.



O telescópio da Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, operado pela National Science Foundation, recebeu uma nova câmera conhecida como SPT-3G em 2017. Equipado com 16.000 detectores – 10 vezes mais que seu antecessor – o SPT-3G é central à pesquisa multiinstitucional liderada em parte pelo Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). O objetivo é medir a luz fraca conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). A CMB é o brilho residual do Big Bang, quando o Universo surgiu a partir de um único ponto de energia há quase 14 mil milhões de anos.

"O CMB é um mapa do tesouro para cosmólogos", disse Zhaodi Pan, autor principal do artigo e bolsista Maria Goeppert Mayer em Argonne. "Suas minúsculas variações de temperatura e polarização fornecem uma janela única para a infância do universo."

O artigo em Revisão Física D oferece as primeiras medições de lentes gravitacionais CMB do SPT-3G. As lentes gravitacionais acontecem quando a vasta rede de matéria do universo distorce a CMB à medida que ela viaja pelo espaço. Se você colocasse a base curva de uma taça de vinho na página de um livro, a taça distorceria sua visão das palavras por trás dela. Da mesma forma, a matéria na linha de visão do telescópio forma uma lente que desvia a luz CMB e a nossa visão dela. Albert Einstein descreveu essa deformação na estrutura do espaço-tempo em sua teoria da relatividade geral.

As medições dessa distorção contêm pistas sobre o universo primitivo e mistérios como a matéria escura, um componente invisível do cosmos. “A matéria escura é difícil de detectar porque não interage com a luz ou outras formas de radiação eletromagnética. Atualmente, só podemos observá-la através de interações gravitacionais”, disse Pan.

Os cientistas têm estudado a CMB desde que foi descoberta na década de 1960, observando-a através de telescópios tanto no solo como no espaço. Embora a análise mais recente utilize apenas alguns meses de dados do SPT-3G de 2018, a medição das lentes gravitacionais já é competitiva no campo.

"Uma das partes realmente interessantes deste estudo é que o resultado vem do que é essencialmente o comissionamento de dados de quando estávamos apenas começando as observações com o SPT-3G - e o resultado já é ótimo", disse Amy Bender, física da Argonne e coautor do artigo. “Temos mais cinco anos de dados que estamos trabalhando na análise agora, então isso apenas indica o que está por vir.”

A atmosfera seca e estável e a localização remota do Telescópio do Pólo Sul criam a menor interferência possível quando se procura padrões CMB. Ainda assim, os dados da câmara altamente sensível SPT-3G contêm contaminação da atmosfera, bem como da nossa própria galáxia e de fontes extragalácticas.

Analisar até mesmo alguns meses de dados do SPT-3G é uma tarefa que dura anos, pois os pesquisadores precisam validar dados, filtrar ruídos e interpretar medições. A equipe usou um cluster dedicado, um grupo de computadores, no Argonne Laboratory Computing Resource Center para executar alguns dos cálculos da pesquisa.

“Descobrimos que os padrões de lentes observados neste estudo são bem explicados pela relatividade geral”, disse Pan. "Isto sugere que a nossa compreensão atual da gravidade é válida para estas grandes escalas. Os resultados também fortalecem a nossa compreensão existente de como as estruturas da matéria se formaram no nosso Universo."

Os mapas de lentes SPT-3G de anos adicionais de dados também ajudarão a sondar a inflação cósmica, ou a ideia de que o universo primitivo sofreu uma rápida expansão exponencial. A inflação cósmica é “outra pedra angular da cosmologia”, observou Pan, e os cientistas estão à procura de sinais de ondas gravitacionais precoces e outras evidências diretas desta teoria. A presença de lentes gravitacionais introduz interferência nas impressões inflacionárias, necessitando da remoção dessa contaminação, que pode ser calculada por meio de medições precisas de lentes.

Embora alguns resultados dos novos dados do SPT-3G reforcem o conhecimento existente, outros levantarão novas questões.

“Cada vez que adicionamos mais dados, encontramos mais coisas que não entendemos”, disse Bender, que tem um cargo conjunto na Universidade de Chicago. “À medida que você descasca camadas dessa cebola, você aprende cada vez mais sobre seu instrumento e também sobre sua medição científica do céu.”

Tão pouco se sabe sobre os componentes invisíveis do universo que qualquer compreensão obtida é crítica, Pan disse:"Quanto mais aprendemos sobre a distribuição da matéria escura, mais perto chegamos de compreender a sua natureza e o seu papel na formação do universo em que vivemos. hoje."

Mais informações: Z. Pan et al, Medição de lentes gravitacionais da radiação cósmica de fundo usando dados SPT-3G 2018, Revisão Física D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005
Informações do diário: Revisão Física D

Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne