Uma colaboração liderada por cientistas da Universidade de Nagoya, no Japão, investigou a natureza da matéria escura em torno das galáxias vistas como eram há 12 bilhões de anos, bilhões de anos atrás no tempo do que nunca. Suas descobertas, publicadas em Physical Review Letters , oferecem a possibilidade tentadora de que as regras fundamentais da cosmologia podem diferir ao examinar a história inicial do nosso universo.
Ver algo que aconteceu há tanto tempo é difícil. Por causa da velocidade finita da luz, as galáxias distantes não aparecem como são hoje, mas como eram bilhões de anos atrás. Mas ainda mais desafiador é observar a matéria escura, que não emite luz.

Considere uma galáxia fonte distante, ainda mais distante do que a galáxia cuja matéria escura se deseja investigar. A atração gravitacional da galáxia em primeiro plano, incluindo sua matéria escura, distorce o espaço e o tempo circundantes, conforme previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein. À medida que a luz da galáxia de origem viaja através dessa distorção, ela se dobra, alterando a forma aparente da galáxia. Quanto maior a quantidade de matéria escura, maior a distorção. Assim, os cientistas podem medir a quantidade de matéria escura ao redor da galáxia em primeiro plano (a galáxia "lente") a partir da distorção.

No entanto, além de um certo ponto, os cientistas encontram um problema. As galáxias nas profundezas do universo são incrivelmente fracas. Como resultado, quanto mais longe da Terra olhamos, menos eficaz esta técnica se torna. A distorção da lente é sutil e difícil de detectar na maioria dos casos, então muitas galáxias de fundo são necessárias para detectar o sinal.

A maioria dos estudos anteriores permaneceu nos mesmos limites. Incapaz de detectar galáxias de origem distantes o suficiente para medir a distorção, eles só puderam analisar a matéria escura de não mais de 8 a 10 bilhões de anos atrás. Essas limitações deixaram em aberto a questão da distribuição da matéria escura entre essa época e 13,7 bilhões de anos atrás, em torno do início do nosso universo.

Para superar esses desafios e observar a matéria escura dos confins do universo, uma equipe de pesquisa liderada por Hironao Miyatake da Universidade de Nagoya, em colaboração com a Universidade de Tóquio, o Observatório Astronômico Nacional do Japão e a Universidade de Princeton, usou uma fonte diferente de luz de fundo, as micro-ondas liberadas pelo próprio Big Bang.

Primeiro, usando dados das observações do Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), a equipe identificou 1,5 milhão de galáxias de lentes usando luz visível, selecionadas para serem vistas há 12 bilhões de anos.

Em seguida, para superar a falta de luz da galáxia ainda mais distante, eles empregaram microondas do fundo cósmico de microondas (CMB), o resíduo de radiação do Big Bang. Usando micro-ondas observadas pelo satélite Planck da Agência Espacial Européia, a equipe mediu como a matéria escura ao redor das galáxias da lente distorcia as micro-ondas.

"Olhe para a matéria escura em torno de galáxias distantes?" perguntou o professor Masami Ouchi, da Universidade de Tóquio, que fez muitas das observações. "Foi uma ideia maluca. Ninguém percebeu que poderíamos fazer isso. Mas depois que eu dei uma palestra sobre uma grande amostra de galáxia distante, Hironao veio até mim e disse que talvez fosse possível observar a matéria escura ao redor dessas galáxias com o CMB. "

"A maioria dos pesquisadores usa galáxias de origem para medir a distribuição da matéria escura desde o presente até oito bilhões de anos atrás", acrescentou o professor assistente Yuichi Harikane, do Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio. "No entanto, podemos olhar mais para o passado porque usamos o CMB mais distante para medir a matéria escura. Pela primeira vez, medimos a matéria escura quase desde os primeiros momentos do universo."

Após uma análise preliminar, os pesquisadores logo perceberam que tinham uma amostra grande o suficiente para detectar a distribuição da matéria escura. Combinando a grande amostra de galáxias distantes e as distorções de lente no CMB, eles detectaram matéria escura ainda mais atrás no tempo, de 12 bilhões de anos atrás. Isso ocorre apenas 1,7 bilhão de anos após o início do universo e, portanto, essas galáxias são vistas logo após se formarem.

"Fiquei feliz que abrimos uma nova janela para aquela era", disse Miyatake. "Há 12 bilhões de anos, as coisas eram muito diferentes. Você vê mais galáxias em processo de formação do que no presente; os primeiros aglomerados de galáxias estão começando a se formar também." Aglomerados de galáxias compreendem 100-1000 galáxias ligadas pela gravidade com grandes quantidades de matéria escura.

"Este resultado dá uma imagem muito consistente das galáxias e sua evolução, bem como a matéria escura dentro e ao redor das galáxias, e como essa imagem evolui com o tempo", disse Neta Bahcall, professor de astronomia Eugene Higgins, professor de ciências astrofísicas e diretor de estudos de graduação da Universidade de Princeton.

Uma das descobertas mais empolgantes dos pesquisadores foi relacionada à aglomeração da matéria escura. De acordo com a teoria padrão da cosmologia, o modelo Lambda-CDM, flutuações sutis na CMB formam pools de matéria densamente compactada, atraindo a matéria circundante através da gravidade. Isso cria aglomerados não homogêneos que formam estrelas e galáxias nessas regiões densas. As descobertas do grupo sugerem que sua medida de clumpiness foi menor do que o previsto pelo modelo Lambda-CDM.

Miyatake está entusiasmado com as possibilidades. "Nossa descoberta ainda é incerta", disse ele. "Mas se for verdade, isso sugeriria que todo o modelo é falho à medida que você volta no tempo. Isso é empolgante porque se o resultado se mantiver após a redução das incertezas, pode sugerir uma melhoria do modelo que pode fornecer informações na natureza da própria matéria escura."

“Neste ponto, tentaremos obter dados melhores para ver se o modelo Lambda-CDM é realmente capaz de explicar as observações que temos no universo”, disse Andrés Plazas Malagón, pesquisador associado da Universidade de Princeton. "E a consequência pode ser que precisamos revisitar as suposições que entraram neste modelo."

"Um dos pontos fortes de observar o universo usando pesquisas em grande escala, como as usadas nesta pesquisa, é que você pode estudar tudo o que vê nas imagens resultantes, desde asteróides próximos em nosso sistema solar até os mais distantes Você pode usar os mesmos dados para explorar muitas novas questões", disse Michael Strauss, professor e presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas da Universidade de Princeton.

Este estudo usou dados disponíveis de telescópios existentes, incluindo Planck e Subaru. O grupo revisou apenas um terço dos dados do Subaru Hyper Suprime-Cam Survey. O próximo passo será analisar todo o conjunto de dados, o que deve permitir uma medição mais precisa da distribuição da matéria escura. No futuro, a equipe espera usar um conjunto de dados avançado como o Legacy Survey of Space and Time (LSST) do Observatório Vera C. Rubin para explorar mais as primeiras partes do espaço. "LSST nos permitirá observar metade do céu", disse Harikane. "Não vejo nenhuma razão para não podermos ver a distribuição da matéria escura há 13 bilhões de anos a seguir." + Explorar mais

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