Astrofísicos mapeiam o universo invisível usando galáxias distorcidas

Entre 2013 e 2019, o Dark Energy Survey (DES) reuniu observações com a Dark Energy Camera (DECam) montada no Telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile. Durante esse período, o DES mediu e calibrou as formas de mais de 150 milhões de galáxias em 5.000 graus quadrados (cerca de um oitavo) do céu. Essas medições do formato da galáxia ajudam os cientistas a refinar as estimativas de como a massa se espalha pelo universo e como a energia escura se comporta.

O DES também desempenhou um papel num importante quebra-cabeça recente envolvendo o modelo Lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão usada para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo usando pesquisas de galáxias, como o DES, parecem discordar das previsões baseadas no universo primitivo, que são inferidas a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – a radiação restante do Big Bang.

Embora o DECam tenha sido construído para suportar DES, ele também coletou muitas imagens fora da área de cobertura principal do DES. Num novo conjunto de artigos publicados no Open Journal of Astrophysics, os astrofísicos da UChicago usaram essas observações adicionais e quase duplicaram o número de galáxias com formas medidas, adicionando dados de milhares de graus quadrados além da região DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para trabalhos com lentes fracas, o conjunto de dados expandido oferece uma maneira independente de verificar novamente as inconsistências anteriores do LCDM.

Lentes gravitacionais fracas e por que as formas das galáxias são importantes

As lentes gravitacionais acontecem quando a massa desvia a luz e é uma das ferramentas mais poderosas para estudar a localização da massa no universo. Isso inclui matéria comum, bem como matéria escura, e também pode lançar luz sobre o papel da energia escura, disse Chihway Chang, professor associado de Astronomia e Astrofísica e líder do projeto de cisalhamento cósmico de lente fraca Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE).

Em lentes gravitacionais fracas, as galáxias não parecem dramaticamente esticadas. Em vez disso, as suas formas parecem apenas ligeiramente distorcidas (cortadas) porque a sua luz passa através e à volta da matéria no seu caminho para a Terra. O sinal é extremamente pequeno, por isso os pesquisadores contam com métodos estatísticos para detectá-lo.

“Medições de lentes fracas são melhores para sondar a ‘aglomeração’ da matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, estudante de doutoramento em Astronomia e Astrofísica, analista principal e primeiro autor da série de artigos DECADE. “Quantificar esta aglomeração lança luz sobre a origem e evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. Isto é vagamente semelhante a medir a distribuição de pessoas (a matéria) que vivem em uma região e usá-la para compreender características como a topografia da paisagem ou a localização ou idade das áreas urbanas (fatores que influenciam a origem e evolução das estruturas).”

Medindo distâncias de galáxias e testando o modelo cosmológico padrão

Para o trabalho DECADE, os investigadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram a que distância essas galáxias estão, analisando o quanto a luz de cada galáxia se desloca em direção aos comprimentos de onda vermelhos (desvio para o vermelho). Essa mudança mostra a rapidez com que uma galáxia se afasta e pode ser usada para calcular a sua distância da Terra.

Com as formas e distâncias das galáxias em mãos, a equipe ajustou o modelo LCDM às observações. LCDM é o modelo cosmológico amplamente utilizado que considera energia escura, matéria escura, matéria comum, neutrinos e radiação. “Este é um modelo bem testado que sobreviveu a muitos, muitos exames na última década, e nossos dados vão contribuir para essa história”, disse Chang.

Os resultados do DECADE mostram que o crescimento da estrutura cósmica corresponde ao que o LCDM prevê, alinhando-se com estudos anteriores de lentes fracas. “Além disso, ao comparar as nossas restrições com aquelas derivadas e extrapoladas da CMB do universo primitivo, também concordamos bem”, disse Chang. “Este último ponto tem sido uma fonte de debate ao longo dos últimos cinco anos e, com os nossos novos resultados, podemos dizer que não vemos tensão entre lentes fracas e CMB”.

“Também somos capazes de combinar as medições de lentes DECADE com as do DES, resultando numa análise de lentes galácticas que utiliza o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo a maior parte do céu (13.000 graus quadrados) até à data,” disse Anbajagane. “Dada esta grande quantidade de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras na nossa análise – como apenas fazer ou utilizar as medições em que mais confiamos, em vez de todas as medições úteis ou possíveis – e ainda fazer uma medição com precisão suficiente para informar significativamente as nossas comparações com o CMB.”

Uma pesquisa não convencional construída a partir de imagens de arquivo de telescópios

DECADE fornece uma verificação independente sobre se os resultados de lentes fracas estão de acordo com as expectativas baseadas na CMB, utilizando uma parte do céu diferente da DES, mas numa escala comparável. Alex Drlica-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado de Astronomia e Astrofísica da UChicago que liderou a campanha de observação DECADE, observou que o sucesso não estava garantido no início. “Não estava claro se o conjunto de dados DECADE teria qualidade suficiente para realizar uma análise cosmológica, mas demonstrámos que pode de facto produzir resultados robustos”, disse ele.

Uma característica marcante do projeto envolveu decisões de qualidade de imagem, explicou Anbajagane. As pesquisas tradicionais de lentes fracas coletam cerca de cem mil imagens criadas especificamente ao longo de muitos anos, e muitos quadros são rejeitados quando não cumprem padrões rígidos. “O projeto DECADE é único, pois reaproveita dados de arquivo – imagens originalmente obtidas pela comunidade astronômica para uma ampla variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs até estrelas e aglomerados de galáxias distantes – e usa critérios significativamente mais permissivos para a qualidade da imagem. Nosso trabalho mostra que análises robustas de lentes podem ser feitas mesmo se não tivermos campanhas de imagens dedicadas às lentes”, disse ele.

Essa abordagem pode influenciar a forma como os pesquisadores lidam com futuros estudos de lentes fracas, incluindo o trabalho baseado na pesquisa Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Usar uma parcela maior de imagens disponíveis poderia aumentar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens de arquivo também dependeu muito de uma inspeção cuidadosa das imagens, liderada por Chin Yi Tan, um estudante de doutorado em Física.

Um enorme catálogo público de galáxias e colaboração global

Combinado com o DES, o catálogo final cobre cerca de um terço do céu (13.000 graus quadrados) e inclui 270 milhões de galáxias. O catálogo foi divulgado à comunidade científica neste outono, e os investigadores já começaram a utilizar as imagens para outros estudos, incluindo trabalhos sobre galáxias anãs e novos mapas da massa do Universo. “Estamos trabalhando ativamente na aplicação de outros métodos de análise aos nossos dados, juntamente com especialistas do Instituto Kavli de Física Cosmológica”, disse Anbajagane.

A análise DECADE reuniu cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA na UIUC, juntamente com colaboradores de Argonne, UW-Madison e muitas outras instituições em todo o mundo. “Foi muito especial ter todos esses componentes diferentes no corredor”, disse Chang. “Também nos permitiu aprender uns com os outros – e resultou num resultado inesperado, mas maravilhoso, deste projeto.”