Como ver o invisível: usando a distribuição da matéria escura para testar nosso modelo cosmológico

Como ver o invisível: usando a distribuição da matéria escura para testar nosso modelo cosmológico

Carimbo de data / hora: 8 de abril de 2023 10h11
Nó Fonte: 2573474
08 de abril de 2023 (Notícias do Nanowerk) Parece um paradoxo clássico: como você vê o invisível? Mas para os astrónomos modernos, é um desafio muito real: como medir a matéria escura, que por definição não emite luz? A resposta: você vê como isso afeta as coisas que você pode ver. No caso da matéria escura, os astrônomos observam como a luz de galáxias distantes se curva em torno dela. Uma equipa internacional de astrofísicos e cosmólogos passou o ano passado a desvendar os segredos deste material indescritível, utilizando simulações computacionais sofisticadas e observações de uma das câmaras astronómicas mais poderosas do mundo, a Hyper Suprime-Cam (HSC). A equipe é liderada por astrônomos da Universidade de Princeton e das comunidades astronômicas do Japão e de Taiwan, usando dados dos primeiros três anos do HSC Sky Survey, um levantamento de imagens de campo amplo realizado com o telescópio Subaru de 8.2 metros no cume do Maunakea no Havaí. Subaru é operado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão; seu nome é a palavra japonesa para o aglomerado de estrelas que chamamos de Plêiades. A equipe apresentou suas descobertas em um webinar com a participação de mais de 200 pessoas e compartilhará seu trabalho na conferência “Future Science with CMB x LSS” no Japão.

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“Nosso objetivo geral é medir algumas das propriedades mais fundamentais do nosso universo”, disse Roohi Dalal, estudante de graduação em astrofísica em Princeton. “Sabemos que a energia escura e a matéria escura constituem 95% do nosso universo, mas entendemos muito pouco sobre o que realmente são e como evoluíram ao longo da história do universo. Aglomerados de matéria escura distorcem a luz de galáxias distantes através de lentes gravitacionais fracas, um fenômeno previsto pela Teoria Geral da Relatividade de Einstein. Essa distorção é um efeito muito, muito pequeno; a forma de uma única galáxia é distorcida de forma imperceptível. Mas quando fazemos essa medição para 25 milhões de galáxias, somos capazes de medir a distorção com uma precisão bastante elevada.” Para ir direto ao ponto: a equipe mediu um valor para a “aglomeração” da matéria escura do universo (conhecida pelos cosmólogos como “S8”) de 0.776, que se alinha com valores que outras pesquisas de lentes gravitacionais encontraram ao observar o universo relativamente recente - mas não se alinha com o valor de 0.83 derivado do Fundo Cósmico de Microondas, que remonta às origens do universo. A diferença entre estes dois valores é pequena, mas à medida que mais e mais estudos confirmam cada um dos dois valores, não parece ser acidental. As outras possibilidades são que haja algum erro ou erro ainda não reconhecido em uma dessas duas medições ou que o modelo cosmológico padrão esteja incompleto de alguma forma interessante. “Ainda estamos a ser bastante cautelosos aqui”, disse Michael Strauss, presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton e um dos líderes da equipa do HSC. “Não estamos a dizer que acabámos de descobrir que a cosmologia moderna está totalmente errada, porque, como enfatizou Roohi, o efeito que estamos a medir é muito subtil. Agora, achamos que fizemos a medição corretamente. E as estatísticas mostram que há apenas uma chance em 20 de que seja apenas devido ao acaso, o que é convincente, mas não completamente definitivo. Mas à medida que nós, na comunidade astronómica, chegamos à mesma conclusão ao longo de múltiplas experiências, à medida que continuamos a fazer estas medições, talvez estejamos a descobrir que é real.” Plêiades Este aglomerado de estrelas, conhecido como Plêiades pelos astrônomos ocidentais, é conhecido como Subaru no Japão e dá nome ao telescópio Subaru de 8.2 metros no cume de Maunakea, no Havaí. Subaru é operado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão. (Imagem: NASA, ESA, AURA/Caltech, Observatório Palomar)

Escondendo e descobrindo os dados

A ideia de que é necessária alguma mudança no modelo cosmológico padrão, de que ainda há alguma peça fundamental da cosmologia a ser descoberta, é deliciosamente atraente para alguns cientistas. “Somos seres humanos e temos preferências. É por isso que fazemos o que chamamos de análise 'cega'”, disse Strauss. “Os cientistas tornaram-se suficientemente autoconscientes para saber que seremos tendenciosos, por mais cuidadosos que sejamos, a menos que realizemos a nossa análise sem nos permitirmos conhecer os resultados até ao fim. Para mim, eu adoraria realmente encontrar algo fundamentalmente novo. Isso seria realmente emocionante. Mas como tenho preconceito nesse sentido, queremos ter muito cuidado para não deixar que isso influencie qualquer análise que fizermos.” Para proteger o seu trabalho dos seus preconceitos, eles literalmente esconderam os seus resultados de si próprios e dos seus colegas – mês após mês após mês. “Trabalhei nessa análise durante um ano e não consegui ver os valores que estavam saindo”, disse Dalal. A equipe ainda adicionou uma camada extra de ofuscamento: eles executaram suas análises em três catálogos de galáxias diferentes, um real e dois com valores numéricos compensados ​​por valores aleatórios. “Não sabíamos qual deles era real, então mesmo que alguém visse acidentalmente os valores, não saberíamos se os resultados eram baseados no catálogo real ou não”, disse ela. No dia 16 de fevereiro, a equipe internacional se reuniu no Zoom — à noite em Princeton, pela manhã no Japão e em Taiwan — para “desvendar”. “Parecia uma cerimônia, um ritual pelo qual passamos”, disse Strauss. “Revelamos os dados e executamos nossos gráficos, imediatamente vimos que era ótimo. Todo mundo disse, 'Oh, ufa!' e todos ficaram muito felizes.” Dalal e sua colega de quarto abriram uma garrafa de champanhe naquela noite.

Uma enorme pesquisa com a maior câmera telescópica do mundo

O HSC é a maior câmera em um telescópio de seu tamanho no mundo, um manto que manterá até que o Observatório Vera C. Rubin, atualmente em construção nos Andes chilenos, inicie o Legacy Survey of Space and Time (LSST) no final de 2024. Na verdade, os dados brutos do HSC são processados ​​com o software desenvolvido para LSST. “É fascinante ver que os nossos pipelines de software são capazes de lidar com quantidades tão grandes de dados muito antes do LSST”, disse Andrés Plazas, pesquisador associado em Princeton. A pesquisa que a equipe de pesquisa utilizou cobre cerca de 420 graus quadrados do céu, aproximadamente o equivalente a 2000 luas cheias. Não é um único pedaço contíguo de céu, mas dividido em seis pedaços diferentes, cada um do tamanho que você poderia cobrir com o punho estendido. Os 25 milhões de galáxias pesquisadas estão tão distantes que, em vez de ver estas galáxias como são hoje, o HSC registou como eram há milhares de milhões de anos. Cada uma destas galáxias brilha com o fogo de dezenas de milhares de milhões de sóis, mas por estarem tão distantes, são extremamente ténues, até 25 milhões de vezes mais ténues do que as estrelas mais ténues que podemos ver a olho nu. “É extremamente emocionante ver estes resultados da colaboração do HSC, especialmente porque estes dados estão mais próximos do que esperamos do Observatório Rubin, para o qual a comunidade está a trabalhar em conjunto”, disse a cosmóloga Alexandra Amon, Senior Kavli Fellow na Universidade de Cambridge e pesquisadora. pesquisador sênior do Trinity College, que não esteve envolvido nesta pesquisa. “Sua pesquisa profunda produz belos dados. Para mim, é intrigante que o HSC, tal como outros inquéritos independentes sobre lentes fracas, apontem para um valor baixo para S8 — é uma validação importante e emocionante que estas tensões e tendências nos obriguem a fazer uma pausa e pensar sobre o que esses dados nos dizem sobre o nosso Universo!”

O modelo cosmológico padrão

O modelo padrão da cosmologia é “surpreendentemente simples” em alguns aspectos, explicou Andrina Nicola, da Universidade de Bonn, que aconselhou Dalal neste projeto quando ela era pós-doutoranda em Princeton. O modelo postula que o universo é composto de apenas quatro constituintes básicos: matéria comum (átomos, principalmente hidrogênio e hélio), matéria escura, energia escura e fótons. De acordo com o modelo padrão, o Universo tem vindo a expandir-se desde o Big Bang, há 13.8 mil milhões de anos: começou quase perfeitamente suave, mas a força da gravidade sobre as flutuações subtis do Universo causou a estrutura — galáxias envoltas em aglomerados de matéria escura —. formar. No universo atual, as contribuições relativas da matéria comum, da matéria escura e da energia escura são de cerca de 5%, 25% e 70%, além de uma pequena contribuição dos fótons. O modelo padrão é definido apenas por alguns números: a taxa de expansão do universo; uma medida de quão aglomerada é a matéria escura (S8); as contribuições relativas dos constituintes do universo (os números de 5%, 25%, 70% acima); a densidade geral do universo; e uma quantidade técnica que descreve como a aglomeração do universo em grandes escalas se relaciona com a aglomeração em pequenas escalas. “E é basicamente isso!” Strauss disse. “Nós, a comunidade cosmológica, convergimos para este modelo, que existe desde o início dos anos 2000.” Os cosmólogos estão ansiosos para testar este modelo, restringindo esses números de várias maneiras, como observando as flutuações na radiação cósmica de fundo (que em essência é a imagem do bebê do universo, capturando como ele era após seus primeiros 400,000 anos), modelando a expansão história do universo, medindo a aglomeração do universo no passado relativamente recente, e outros. “Estamos confirmando uma sensação crescente na comunidade de que existe uma discrepância real entre a medição da aglomeração no universo primitivo (medida a partir da CMB) e a da era das galáxias, ‘apenas’ 9 bilhões de anos atrás”, disse Arun Kannawadi, pesquisador associado em Princeton que esteve envolvido na análise.

Cinco linhas de ataque

O trabalho de Dalal faz a chamada análise do espaço de Fourier; uma análise paralela do espaço real foi liderada por Xiangchong Li, da Carnegie Mellon University, que trabalhou em estreita colaboração com Rachel Mandelbaum, que concluiu seu bacharelado em física em 2000 e seu doutorado. em 2006, ambos de Princeton. Uma terceira análise, a chamada análise de 3×2 pontos, adota uma abordagem diferente para medir o sinal de lente gravitacional em torno de galáxias individuais, para calibrar a quantidade de matéria escura associada a cada galáxia. Essa análise foi liderada por Sunao Sugiyama da Universidade de Tóquio, Hironao Miyatake (ex-bolsista de pós-doutorado em Princeton) da Universidade de Nagoya e Surhud More do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica em Pune, Índia. Cada um desses cinco conjuntos de análises usa os dados HSC para chegar à mesma conclusão sobre S8. Fazer tanto a análise do espaço real quanto a análise do espaço de Fourier “foi uma espécie de verificação de sanidade”, disse Dalal. Ela e Li trabalharam em estreita colaboração para coordenar as suas análises, utilizando dados cegos. Qualquer discrepância entre os dois diria que a metodologia dos pesquisadores estava errada. “Isso nos diria menos sobre astrofísica e mais sobre como poderíamos ter errado”, disse Dalal. “Até a revelação do cegamento, não sabíamos que dois resultados eram totalmente idênticos”, disse ela. “Pareceu milagroso.” Sunao acrescentou: “Nossa análise de 3×2 pontos combina a análise de lentes fracas com o agrupamento de galáxias. Somente após a revelação é que soubemos que nossos resultados estavam de acordo com os de Roohi e Xiangchong. O facto de todas estas análises darem a mesma resposta dá-nos confiança de que estamos a fazer algo certo!”

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