Ao mapear as maiores estruturas do Universo, os cosmólogos descobriram que uma anomalia cósmica parece estar a desaparecer.
Aglomerados de centenas ou milhares de galáxias ficam nas interseções de filamentos gigantes e entrecruzados de matéria que formam a tapeçaria do cosmos. À medida que a gravidade puxa tudo em cada aglomerado de galáxias em direção ao seu centro, o gás que preenche o espaço entre as galáxias é comprimido, fazendo com que aqueça e brilhe em raios X.
O telescópio de raios X eRosita, lançado ao espaço em 2019, passou mais de dois anos a recolher sinais de luz de alta energia de todo o céu. Os dados permitiram aos cientistas mapear as localizações e tamanhos de milhares de aglomerados de galáxias, dois terços deles até então desconhecidos. Numa série de artigos publicados online no dia 14 de fevereiro e que serão publicados na revista Astronomy & Astrophysics, os cientistas usaram o seu catálogo inicial de enxames para avaliar várias das grandes questões da cosmologia.
Os resultados incluem novas estimativas da aglomeração do cosmos – uma característica muito discutida ultimamente, já que outras medições recentes descobriram que é inesperadamente suave – e das massas de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos e de uma propriedade chave da energia escura, a misteriosa energia repulsiva que está acelerando a expansão do universo.
O modelo atual do universo dos cosmólogos identifica a energia escura como a energia do próprio espaço e atribui-a a 70% do conteúdo do universo. Mais um quarto do universo é matéria escura invisível e 5% é matéria comum e radiação. Tudo isso está evoluindo sob a força da gravidade. Mas algumas observações da última década desafiam este “modelo padrão” de cosmologia, levantando a possibilidade de que faltam ao modelo ingredientes ou efeitos que poderiam conduzir a uma compreensão mais profunda.
As observações da eRosita, por outro lado, reforçam o quadro existente em todos os aspectos. “É uma confirmação notável do modelo padrão”, disse Dragan Huterer, cosmólogo da Universidade de Michigan que não esteve envolvido no trabalho.
Radiografando o Cosmos
Após o Big Bang, variações sutis de densidade no universo recém-nascido tornaram-se gradualmente mais pronunciadas à medida que as partículas de matéria se aglomeravam umas nas outras. Os aglomerados mais densos atraíram mais material e ficaram maiores. Atualmente, os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas ligadas gravitacionalmente no cosmos. Determinar seus tamanhos e distribuição permite aos cosmólogos testar seu modelo de como o universo evoluiu.
MPE, A. Liu for the eROSITA Consortium
Para encontrar aglomerados, a equipe do eRosita treinou um algoritmo de computador para procurar fontes de raios X “realmente fofas” em oposição a objetos pontiagudos, disse Esra Bulbul do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, Alemanha, que liderou as observações do aglomerado do eRosita. Eles reduziram a lista de candidatos a uma “amostra extremamente pura”, disse ela, de 5.259 aglomerados de galáxias, dentre as quase 1 milhão de fontes de raios X que o telescópio detectou.
Eles então tiveram que descobrir o quão pesados são esses aglomerados. Objetos massivos dobram a estrutura do espaço-tempo, mudando a direção da passagem da luz e fazendo com que a fonte da luz pareça distorcida – um fenômeno chamado lente gravitacional. Os cientistas do eRosita conseguiram calcular as massas de alguns dos seus 5.259 aglomerados com base nas lentes de galáxias mais distantes situadas atrás deles. Embora apenas um terço dos seus aglomerados tivesse galáxias de fundo conhecidas alinhadas desta forma, os cientistas descobriram que a massa do aglomerado estava fortemente correlacionada com o brilho dos seus raios-X. Devido a esta forte correlação, eles puderam usar o brilho para estimar as massas dos aglomerados restantes.
Eles então alimentaram as informações de massa em simulações computacionais do cosmos em evolução para inferir os valores dos parâmetros cósmicos.
Medindo a aglomeração
Um número de interesse é o “fator aglomerado” do universo, S8. Um valor S8 igual a zero representaria um vasto nada cósmico, semelhante a uma planície sem nenhuma rocha à vista. Um valor S8 mais próximo de 1 corresponde a montanhas íngremes que se aproximam de vales profundos. Os cientistas estimaram S8 com base em medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – luz antiga vinda do universo primitivo. Extrapolando a partir das variações iniciais de densidade do cosmos, os pesquisadores esperam que o valor atual de S8 seja 0,83.
Mas estudos recentes que analisam as galáxias atuais mediram valores 8% a 10% mais baixos, o que implica que o Universo é inesperadamente suave. Essa discrepância intrigou os cosmólogos, apontando potencialmente para fissuras no modelo cosmológico padrão.
MPE, J. Sanders para o Consórcio eROSITA
A equipe da eRosita, entretanto, não encontrou tal discrepância. “Nosso resultado ficou basicamente alinhado com a previsão inicial, do CMB”, disse Vittorio Ghirardini, que liderou a análise. Ele e seus colegas calcularam um S8 de 0,85.
Alguns membros da equipe ficaram desapontados, disse Ghirardini, já que sugerir a falta de ingredientes era uma perspectiva mais interessante do que corresponder à teoria conhecida.
O valor S8, um pouco superior à estimativa da CMB, provavelmente desencadeará mais análises de outras equipes, disse Gerrit Schellenberger, astrofísico que estuda aglomerados de galáxias no Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. “Acredito que provavelmente não seja o último artigo que vimos sobre esse assunto.”
Pesando Neutrinos
Copiosos neutrinos se formaram no universo primitivo – quase tantos quanto fótons (partículas de luz), disse Marilena Loverde, cosmóloga da Universidade de Washington. Mas os físicos sabem que os neutrinos, ao contrário dos fótons, devem ter massas minúsculas devido à forma como oscilam entre três tipos. As partículas não adquirem massa através do mesmo mecanismo que outras partículas elementares, pelo que a sua massa é um mistério muito estudado. E a primeira questão é quão massivos eles realmente são.
Os cosmólogos podem estimar a massa dos neutrinos estudando seus efeitos na estrutura do cosmos. Os neutrinos voam quase à velocidade da luz e passam através de outra matéria, em vez de se fixarem nela. Portanto, a sua presença no cosmos atenuou a sua aglomeração. “Quanto mais massa você coloca nos neutrinos, mais massa é lisa nessas escalas [grandes]”, disse Loverde.
Combinando as medições dos enxames de galáxias com as medições da CMB, a equipe do eRosita estimou que a soma das massas dos três tipos de neutrinos não é superior a 0,11 eletrões-volt (eV), ou menos de um milionésimo da massa de um elétron. Outros experimentos com neutrinos estabeleceram um limite inferior, mostrando que as três massas de neutrinos devem somar pelo menos 0,06 eV (para uma possível ordenação dos três valores de massa) ou 0,1 eV (para a ordem invertida). À medida que a distância entre os limites superior e inferior diminui, os cientistas estão cada vez mais perto de identificar o valor da massa do neutrino. “Na verdade, estamos à beira de fazer um avanço”, disse Bulbul. Em publicações de dados subsequentes, a equipe da eRosita poderia reduzir o limite superior o suficiente para descartar os modelos de massa de neutrinos de ordem invertida.
Cuidado é garantido. Quaisquer outras partículas rápidas e leves que possam existir – como os áxions, partículas hipotéticas propostas como candidatas à matéria escura – teriam os mesmos efeitos na formação da estrutura. E introduziriam erros na medição da massa dos neutrinos.
Rastreando a energia escura
As medições dos aglomerados de galáxias podem revelar não apenas como as estruturas cresceram, mas também como o seu crescimento foi impedido pela energia escura – o fino brilho de energia repulsiva que permeia o espaço, acelerando a expansão do espaço e, assim, separando a matéria.
Se a energia escura for a energia do próprio espaço, como assume o modelo padrão da cosmologia, então ela terá uma densidade constante ao longo do espaço e do tempo (é por isso que às vezes é chamada de constante cosmológica). Mas se a sua densidade estiver diminuindo com o tempo, então é algo completamente diferente. “Essa é a maior questão que a cosmologia tem”, disse Sebastian Grandis, membro da equipe eRosita da Universidade de Innsbruck, na Áustria.
A partir do seu mapa de milhares de aglomerados, os investigadores descobriram que a energia escura corresponde ao perfil de uma constante cosmológica, embora a sua medição tenha uma incerteza de 10%, pelo que uma densidade de energia escura ligeiramente variável continua sendo possível.
Originalmente, o eRosita, que fica a bordo de uma nave espacial russa, deveria realizar oito pesquisas de céu completo, mas em fevereiro de 2022, semanas depois de o telescópio ter iniciado a sua quinta pesquisa, a Rússia invadiu a Ucrânia. Em resposta, o lado alemão da colaboração, que opera e dirige a eRosita, colocou o telescópio em modo de segurança, cessando todas as observações científicas.
Esses artigos iniciais baseiam-se apenas nos primeiros seis meses de dados. O grupo alemão espera encontrar cerca de quatro vezes mais aglomerados de galáxias nos 1,5 anos adicionais de observações, o que permitirá que todos estes parâmetros cosmológicos sejam identificados com mais precisão. “A cosmologia de aglomerados pode ser a sonda mais sensível da cosmologia além da CMB”, disse Anja von der Linden, astrofísica da Universidade Stony Brook.
Os seus resultados iniciais demonstram o poder de uma fonte de informação relativamente inexplorada. “Somos uma espécie de garoto novo no bairro”, disse Grandis.
Publicado em 07/03/2024 20h46
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