Quão quente está o Universo hoje? Quão quente estava antes?
Um novo estudo realizado por uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo membros do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), sugere que a temperatura média do gás em grandes estruturas do Universo aumentou cerca de 3 vezes nos últimos 8 bilhões de anos, para atingir cerca de dois milhões de Kelvin hoje.
A estrutura em grande escala do Universo se refere ao padrão global de como as galáxias e aglomerados de galáxias são distribuídos no espaço. Essa rede cósmica se formou a partir de pequenas irregularidades na distribuição da matéria no início do Universo, que foram amplificadas pela atração gravitacional. “À medida que o Universo evolui, a gravidade puxa a matéria escura e o gás no espaço para formar galáxias e aglomerados de galáxias”, disse Yi-Kuan Chiang, principal autor do estudo e pesquisador do Centro de Cosmologia e AstroPartícula da Universidade Estadual de Ohio Física. “O arrasto é violento – tão violento que cada vez mais gás é chocado e aquecido.”
Este gás aquecido pode então ser usado para medir a temperatura média do Universo ao longo do tempo cósmico. Em particular, os pesquisadores usaram o chamado efeito “Sunyaev-Zeldovich”, em homenagem a Rashid Sunyaev, diretor emérito do Instituto Max Planck de Astrofísica, e o físico da era soviética Yakov Zeldovich, que primeiro previu esse fenômeno teoricamente. Este efeito surge quando os fótons de baixa energia da radiação cósmica de fundo em microondas são espalhados por elétrons quentes na estrutura em grande escala do Universo. O espalhamento transfere energia de elétrons para fótons, tornando visível o gás de elétron quente. A intensidade do efeito Sunyaev-Zeldovich é proporcional à pressão térmica do gás, que, por sua vez, é proporcional à temperatura dos elétrons.
Embora essa medição seja direta em princípio, coletar os dados necessários foi uma tarefa importante. O estudo, que foi publicado no Astrophysical Journal, foi feito em colaboração de pesquisadores do Kavli IPMU, da Ohio State University, da Johns Hopkins University e do Max Planck Institute for Astrophysics.
Os pesquisadores usaram dados coletados por dois observatórios, o satélite Planck e o Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Planck é a missão da Agência Espacial Europeia que mediu a radiação cósmica de fundo em microondas. O SDSS coletou imagens detalhadas e espectros de luz de galáxias. Combinando os dois conjuntos de dados, os cientistas conseguiram medir a quantidade de pressão térmica em torno da localização das galáxias e aglomerados de galáxias.
“Os astrônomos levaram mais de 15 anos para coletar os dados necessários usando um telescópio no solo e um no espaço”, disse Brice Ménard, que liderou a análise com Chiang. Ménard, que é cientista visitante no Kavli IPMU desde 2011, acrescentou: “Do lado da análise, nossa equipe passou quatro anos desenvolvendo os algoritmos necessários para extrair o sinal desses dados.”
Além disso, a interpretação dos dados exigiu um modelo físico, que foi fornecido por Ryu Makiya, um pesquisador do Kavli IPMU. “Combinando os dados mais recentes com um modelo teórico de ponta, fomos capazes de revelar como a temperatura do Universo evoluiu e como ela estava ligada à formação da estrutura em grande escala do Universo”, disse Makiya. . “O próximo objetivo é entender os detalhes da física dos fenômenos térmicos e não térmicos.”
Chiang, da Ohio Stated University, acrescentou: “Nossa nova medição fornece uma confirmação direta do trabalho seminal de Jim Peebles – o Prêmio Nobel de Física de 2019 – que expôs a teoria do surgimento da estrutura em larga escala do Universo.”
O estudo determinou que cerca de oito bilhões de anos atrás (em um desvio para o vermelho z = 1), a temperatura média do elétron era de cerca de 700.000 Kelvin, aumentando para cerca de dois milhões de Kelvin hoje. Além disso, os cientistas determinaram que sua evolução é quase inteiramente impulsionada pelo crescimento de estruturas, já que o gás é aquecido pelo choque em estruturas em colapso de grande escala.
Em 2000, Eiichiro Komatsu, investigador principal do Kavli IPMU e diretor do Departamento de Cosmologia Física do Instituto Max Planck de Astrofísica, também estava envolvido em um esforço anterior para calcular como a temperatura do Universo evoluiu. “Há 20 anos, estudamos como medir isso usando o efeito Sunyaev-Zeldovich”, lembrou. “Agora finalmente medimos a temperatura do Universo, não apenas graças ao notável progresso nos dados observacionais, mas também devido aos esforços dedicados de jovens cientistas brilhantes como Yi-Kuan Chiang e Ryu Makiya. Isso é muito satisfatório”, afirmou, Komatsu adicionou.
Publicado em 16/11/2020 10h34
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