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DES DIVULGA UM OLHAR MAIS PRECISO SOBRE A EVOLUÇÃO DO UNIVERSO
1 de junho de 2021

 


O DES fotografou mais ou menos 5000 graus quadrados do céu do hemisfério sul. O levantamento mapeou centenas de milhões de galáxias para ajudar os investigadores a compreender a expansão acelerada do nosso Universo.
Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

 

Novos resultados do DES (Dark Energy Survey) usam a maior amostra de galáxias numa região enorme do céu para produzir as medições mais precisas, até agora, da composição e do crescimento do Universo. Os cientistas mediram que a forma como a matéria está distribuída por todo o Universo é consistente com as previsões do modelo cosmológico padrão, atualmente o melhor modelo do Universo.

Ao longo de seis anos, o DES analisou 5000 graus quadrados - quase um-oitavo de todo o céu - em 758 noites de observação, catalogando centenas de milhões de objetos. Os resultados anunciados a semana passada baseiam-se em dados dos primeiros três anos - 226 milhões de galáxias observadas ao longo de 345 noites - para criar os maiores e mais precisos mapas da distribuição de galáxias no Universo em épocas relativamente recentes.

Uma vez que o DES estudou galáxias próximas, bem como aquelas a milhares de milhões de anos-luz de distância, os seus mapas fornecem um instantâneo da atual estrutura em grande escala do Universo e um filme de como essa estrutura evoluiu ao longo dos últimos 7 mil milhões de anos.

Para testar o modelo atual dos cosmólogos, os cientistas do DES compararam os seus resultados com medições do observatório espacial Planck da ESA. O Planck usou sinais de luz conhecidos como fundo de micro-ondas cósmico para espiar até ao início do Universo, apenas 400.000 anos após o Big Bang. Os dados do Planck fornecem uma visão precisa do Universo de há 13 mil milhões de anos, e o modelo cosmológico padrão prevê como a matéria escura deve evoluir até ao presente. Se as observações do DES não corresponderem com esta previsão, então possivelmente existe um aspeto não descoberto do Universo. Embora tenham existido indícios persistentes, no DES e noutros levantamentos anteriores de galáxias, de que o Universo atual é um pouco menos "grumoso" do que o previsto - uma descoberta intrigante digna de uma investigação mais aprofundada - os resultados divulgados recentemente são consistentes com a previsão.

"No que toca a restringir o que sabemos sobre a distribuição e estrutura da matéria em grandes escalas como impulsionada pela matéria escura e pela energia escura, o DES obteve limites que rivalizam e complementam aqueles da radiação cósmica de fundo," disse Brian Yanny, cientista do Fermilab que coordenou o processamento e gestão de dados do DES. "É emocionante ter medições precisas do que está lá fora e uma melhor compreensão de como Universo mudou desde a sua infância até hoje."

A matéria comum representa apenas cerca de 5% do Universo. A energia escura, que os cosmólogos pensam acelerar a expansão do Universo ao neutralizar a força da gravidade, é responsável por cerca de 70%. Os restantes 25% são matéria escura, cuja influência gravitacional une as galáxias. Tanto a matéria escura quanto a energia escura permanecem invisíveis, mas misteriosas, mas o DES busca iluminar as suas naturezas estudando como a competição entre elas molda a estrutura em grande escala do Universo ao longo do tempo cósmico.

O DES fotografou o céu noturno usando o instrumento Dark Energy Camera de 570 megapixéis no Telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, um programa do NOIRLab da NSF (National Science Foundation). Uma das câmaras digitais mais poderosas do mundo, a Dark Energy Camera foi projetada especificamente para o DES. Foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA e construída e testada no Fermilab. Os dados DES foram processados no NCSA (National Center for Supercomputing Applications) da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign.

"Estas análises são realmente de última geração, exigindo inteligência artificial e computação de alto desempenho supercarregada pelos jovens cientistas mais inteligentes," disse Scott Dodelson, físico da Universidade Carnegie Mellon que colidera o Comité Científico do DES com Elisabeth Krause da Universidade do Arizona. "Que honra fazer parte desta equipa."

Para quantificar a distribuição da matéria escura e o efeito da energia escura, o DES baseou-se em dois fenómenos principais. Primeiro, em grandes escalas, as galáxias não estão distribuídas aleatoriamente pelo espaço, mas formam uma estrutura semelhante a uma teia devido à gravidade da matéria escura. O DES mediu como esta teia cósmica evoluiu ao longo da história do Universo. O agrupamento galáctico que forma a teia cósmica, por sua vez, revelou regiões com maior densidade de matéria escura.

Em segundo lugar, o DES detetou a assinatura da matéria escura por meio de lentes gravitacionais fracas. Conforme a luz de uma galáxia distante viaja pelo espaço, a gravidade da matéria comum e da escura pode dobrá-la, resultando numa imagem distorcida da galáxia vista da Terra. Ao estudar como as formas aparentes de galáxias distantes estão alinhadas umas com as outras e com as posições das galáxias próximas ao longo da linha de visão, os cientistas do DES inferiram a distribuição espacial (ou aglomeração) da matéria escura no Universo.

 

A análise das enormes quantidades de dados recolhidos pelo DES foi uma tarefa formidável. A equipa começou por analisar apenas os dados do primeiro ano, divulgados em 2017. Este processo preparou os investigadores para usar técnicas mais sofisticadas de análise do maior conjunto de dados, que inclui a maior amostra de galáxias já usada para estudar lentes gravitacionais fracas.

Por exemplo, o cálculo do desvio para o vermelho de uma galáxia - a mudança no comprimento de onda da luz devido à expansão do Universo - é um passo fundamental para medir como o agrupamento de galáxias e as lentes gravitacionais fracas mudam ao longo da história cósmica. O desvio para o vermelho de uma galáxia está relacionado com a sua distância, o que permite que o agrupamento seja caracterizado no espaço e no tempo.

"Houve uma melhoria significativa na calibração das distribuições do desvio para para o vermelho da amostra de galáxias," disse Judit Prat, pós-doutorada da Universidade de Chicago que analisou as lentes gravitacionais fracas capturadas pelo DES. "Foi um grande esforço no qual as pessoas trabalharam muito. Agora temos um método que ninguém usou antes e que é muito robusto."

Foram escolhidas dez regiões do céu como "campos profundos" que a Dark Energy Camera fotografou repetidamente ao longo do levantamento. O empilhamento dessas imagens permitiu aos cientistas vislumbrar galáxias mais distantes. A equipa então usou as informações dos desvios para o vermelho dos campos profundos para calibrar medições do desvio para o vermelho no resto da região do levantamento. Este e outros avanços nas medições e modelagem, juntamente com um aumento de três vezes nos dados em comparação com o primeiro ano, permitiram que a equipa identificasse a densidade e a aglomeração do Universo com uma precisão sem precedentes.

Juntamente com a análise dos sinais de lentes fracas, o DES também mede com precisão outras sondas que restringem o modelo cosmológico de maneiras independentes: a aglomeração de galáxias em escalas maiores (oscilações acústicas de bariões), a frequência de enxames galácticos massivos e medições de alta precisão dos brilhos e desvios para o vermelho de supernovas do Tipo Ia. Estas medições adicionais serão combinadas com a análise atual de lentes fracas para produzir restrições ainda mais rigorosas no modelo padrão.

"O DES forneceu resultados científicos de ponta e até económicos, diretamente relacionados com a missão do Fermilab de procurar a natureza fundamental da matéria, da energia, do espaço e do tempo," disse Nigel Lockyer, diretor do Fermilab. "Uma equipa dedicada de cientistas, engenheiros e técnicas de instituições de todo o mundo trouxe o DES à fruição."

A colaboração do DES consiste em mais de 400 cientistas de 25 instituições em sete países.

"A colaboração é notavelmente jovem. Está fortemente inclinada na direção de pós-doutorados e estudantes que estão a fazer grande parte deste trabalho," disse o diretor e porta-voz do DES, Rich Kron, que é cientista do Fermilab e da Universidade de Chicago. "Isto é realmente gratificante. Uma nova geração de cosmólogos está a ser treinada usando o DES."

O DES concluiu as observações do céu noturno em 2019. Com a experiência de analisar a primeira metade dos dados, a equipa está agora preparada para lidar com o conjunto completo de dados. A análise final do DES deverá pintar uma imagem ainda mais precisa da matéria escura e da energia escura no Universo. E os métodos desenvolvidos pela equipa abriram caminho para futuros levantamentos do céu sondarem os mistérios do cosmos.

"O verdadeiro legado do DES serão os avanços que tivemos de dar e que foram essenciais para este resultado chave e que serão críticos para a próxima geração de experiências cosmológicas que começarão em breve," disse Michael Troxel, físico da Universidade Duke e coordenador principal do projeto para a análise de dados de três anos do DES. As próximas experiências incluem tanto levantamentos no solo como no espaço, como o LSST (Legacy Survey of Space and Time) no Observatório Vera C. Rubin.

"Com estes instrumentos que construímos para olhar no escuro, estamos a trabalhar para resolver mistérios universais," disse Troxel.

Os resultados recentes do DES foram apresentados dia 27 de maio num seminário científico. Vinte e nove artigos científicos estão disponíveis no repositório online arXiv.

 

 


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Foram selecionadas dez áreas do céu como "campos profundos" que a Dark Energy Camera fotografou várias vezes durante o levantamento, fornecendo um vislumbre de galáxias distantes e ajudando a determinar a sua distribuição 3D no cosmos.
Crédito: Dark Energy Survey


O DES fotografou o céu noturno usando a Dark Energy Camera de 570 megapíxeis acoplado ao Telescópio Victor Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, um programa do NOIRLab da NSF (National Science Foundation).
Crédito: Reidar Hahn, Fermilab


// Fermilab (comunicado de imprensa)
// MIT (comunicado de imprensa)
// Universidade de Chicago (comunicado de imprensa)
// Universidade do Michigan (comunicado de imprensa)
// Universidade do Arizona (comunicado de imprensa)
// IFAE (comunicado de imprensa)
// University College London (comunicado de imprensa)
// Artigo científico com os resultados dos 3 primeiros anos do DES (arXiv.org)
// Página para os 29 artigos científicos dos 3 primeiros anos do DES (DES)

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Colaboração DES:
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