Ao contrário dos antigos filósofos que imaginavam as origens do Universo, os cosmólogos modernos utilizam ferramentas quantitativas para obterem uma visão da sua evolução e estrutura. A cosmologia moderna remonta ao início do século XX, com o desenvolvimento da teoria da relatividade geral de Einstein.

Agora, investigadores da colaboração ACT (Atacama Cosmology Telescope) submeteram um conjunto de artigos científicos à revista The Astrophysical Journal com um novo mapa inovador da matéria escura distribuída por um-quarto do céu, estendendo-se até às profundezas do cosmos, que confirma a teoria de Einstein de como as estruturas massivas crescem e curvam a luz ao longo dos 14 mil milhões de anos de vida do Universo.

O novo mapa utiliza a radiação do fundo cósmico de micro-ondas (ou CMB, sigla inglesa para "cosmic microwave background") essencialmente como uma luz de fundo para iluminar toda a matéria entre nós e o Big Bang.

"É um pouco como uma silhueta, mas em vez de ter apenas preto, tem textura e aglomerados de matéria escura, como se a luz estivesse a passar através de uma cortina de tecido com muitos nós e ondulações", disse Suzanne Staggs, diretora do ACT e professora de física na Universidade de Princeton. "A famosa imagem azul e amarela do CMB [de 2003] é um instantâneo de como o Universo era numa única época, há cerca de 13 mil milhões de anos, e agora isto está a dar-nos informação sobre todas as épocas desde então".

"É emocionante poder ver o invisível, descobrir este andaime de matéria escura que segura as nossas galáxias visíveis repletas de estrelas", disse Jo Dunkley, professora de física e ciências astrofísicas, que lidera a análise para o ACT. "Nesta nova imagem, podemos ver indiretamente a teia cósmica invisível de matéria escura que envolve e liga as galáxias".

"Normalmente, os astrónomos só conseguem medir a luz, pelo que vemos como as galáxias estão distribuídas pelo Universo; estas observações revelam a distribuição da massa, por isso mostram principalmente como a matéria escura se distribui pelo Universo", disse David Spergel, professor de astronomia na mesma instituição de ensino e presidente da Fundação Simons.

A luz capturada pelo ACT foi utilizada para produzir um mapa de massa da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, uma visualização da distribuição da matéria escura no nosso céu. Crédito: Colaboração ACT

"Mapeámos a distribuição invisível da matéria escura pelo céu e é exatamente como as nossas teorias preveem", disse o coautor Blake Sherwin, que conclui o seu doutoramento em Princeton em 2013 e é professor de cosmologia na Universidade de Cambridge, onde lidera um grande grupo de investigadores do ACT. "Esta é uma evidência espantosa de que compreendemos a história de como a estrutura do nosso Universo se formou ao longo de milhares de milhões de anos, desde logo após o Big Bang até aos dias de hoje".

Ele acrescentou: "Notavelmente, 80% da massa do Universo é invisível. Ao mapear a distribuição da matéria escura através do céu para as maiores distâncias, as nossas medições de lentes pelo ACT permitem-nos ver claramente este mundo invisível".

"Quanto propusemos esta experiência em 2003, não fazíamos ideia da extensão total da informação que podia ser extraída do nosso telescópio", disse Mark Devlin, professor de astronomia na Universidade da Pensilvânia e vice-diretor do ACT, pós-doutorado em Princeton de 1994 a 1995. "Devemos isto à inteligência dos teóricos, às muitas pessoas que construíram novos instrumentos para tornar o nosso telescópio mais sensível e às novas técnicas de análise que a nossa equipa criou". Isto inclui um novo modelo sofisticado do ruído do instrumento do ACT pelo aluno de Princeton Zach Atkins.

Para ver a invisível matéria escura, a equipa de investigação observa como a sua gravidade curva a luz, "janelas" antigas de espessura desigual que esticam e distorcem o que aparece por detrás delas. Aqui, um simples padrão de tabuleiro de xadrez (esquerda) é deformado pelas manchas roxas antes da imagem ser captada pelo ACT (direita), resultando na visão distorcida à direita. Os astrónomos procuram estes padrões de distorção na luz distante para mapear as distribuições de matéria escura. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda/Fundação Simons

Apesar de constituir a maior parte do Universo, a matéria escura tem sido difícil de detetar porque não interage com a luz ou com outras formas de radiação eletromagnética. Tanto quanto sabemos, a matéria escura só interage com a gravidade.

Para a localizarem, os mais de 160 colaboradores que construíram e recolheram dados com o ACT da NSF (National Science Foundation), nos altos Andes chilenos, observaram a luz a emanar após o alvorecer da formação do Universo, o Big Bang - quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. Os cosmólogos referem-se frequentemente a esta radiação difusa que preenche todo o cosmos como a "imagem do Universo quando este era bebé".

A equipa rastreou como a atração gravitacional das estruturas massivas de matéria escura pode distorcer o CMB na sua viagem de 14 mil milhões de anos até nós, tal como janelas antigas e imperfeitas curvam e distorcem o que conseguimos ver através delas.

"Fizemos um novo mapa de massa utilizando distorções da luz deixada para trás pelo Big Bang", disse Matthew Madhavacheril, pós-doc de Princeton de 2016-2018 que é o autor principal de um dos artigos científicos e professor assistente de física e astronomia na Universidade da Pensilvânia. "Notavelmente, fornece medições que mostram que tanto a 'granularidade' do Universo, quanto o ritmo a que está a crescer após 14 mil milhões de anos de evolução, são exatamente o que se esperaria do nosso modelo padrão cosmológico baseado na teoria da gravidade de Einstein".

Sherwin acrescentou: "Os nossos resultados também proporcionam novas perspetivas para um debate em curso que alguns chamaram 'A Crise na Cosmologia'". Esta "crise" deriva de medições recentes que utilizam uma luz de fundo diferente, emitida por estrelas em galáxias, em vez da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Estas produziram resultados que sugerem que a matéria escura não era suficientemente "grumosa" sob o modelo padrão da cosmologia e levaram a preocupações de que o modelo pudesse estar errado. No entanto, os últimos resultados da equipa do ACT avaliaram com precisão que os vastos grânulos vistos nesta imagem têm o tamanho correto.

Crédito: Lucy Reading-Ikkanda/Fundação Simons

"Enquanto estudos anteriores apontavam para falhas no modelo cosmológico padrão, as nossas descobertas fornecem novas garantias de que a nossa teoria fundamental do Universo é verdadeira", disse Frank Qu, autor principal de um dos artigos e estudante de Cambridge, bem como antigo investigador visitante de Princeton.

"O CMB já é famoso pelas suas medições sem paralelo do estado primordial do Universo, pelo que estes mapas de lentes, descrevendo a sua evolução subsequente, são quase demasiado bons", disse Staggs, cuja equipa construiu os detetores que recolheram estes dados ao longo dos últimos cinco anos. "Temos agora um segundo mapa, muito primordial, do Universo. Em vez de uma 'crise', penso que temos uma extraordinária oportunidade de utilizar estes diferentes conjuntos de dados como um todo. O nosso mapa inclui toda a matéria escura, remontando ao Big Bang, e os outros mapas olham para trás cerca de 9 mil milhões de anos, o que nos dá uma camada muito mais próxima. Podemos comparar os dois para aprender mais sobre o crescimento das estruturas no Universo. Penso que vai revelar-se realmente interessante. O facto de as duas abordagens estarem a obter medidas diferentes é fascinante".

O ACT, que funcionou durante 15 anos, foi desativado em setembro de 2022. No entanto, espera-se para breve a apresentação de mais documentos com os resultados do conjunto final de observações e o Observatório Simons realizará futuras observações no mesmo local, com um novo telescópio previsto para começar a funcionar em 2024. Este novo instrumento será capaz de mapear o céu quase 10 vezes mais depressa do que o ACT.

// Universidade de Princeton (comunicado de imprensa)
// Universidade da Pensilvânia (comunicado de imprensa)
// Universidade de Cambridge (comunicado de imprensa)
// Fundação Simons (comunicado de imprensa)
// Universidade de Stony Brook (comunicado de imprensa)
// Universidade de Toronto (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)
// Artigo científico #3 (arXiv.org)

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ACT (Atacama Cosmology Telescope):
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