Como astrônomo, não há sensação melhor do que alcançar a “primeira luz” com um novo instrumento ou telescópio. É o culminar de anos de preparações e construção de novos equipamentos, que pela primeira vez coletam partículas de luz de um objeto astronômico.
Isso geralmente é seguido por um suspiro de alívio e depois pela emoção de toda a nova ciência que agora é possível.
Em 22 de outubro, o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) no Telescópio Mayall, no Arizona, EUA, alcançou a primeira luz. Este é um grande salto em nossa capacidade de medir distâncias de galáxias – permitindo uma nova era de mapeamento das estruturas do Universo.
Como o próprio nome indica, também pode ser a chave para resolver uma das maiores questões da física: qual é a força misteriosa chamada “energia escura” que compõe os 70% do universo?
O cosmos é desajeitado. Galáxias vivem juntas em grupos de algumas a dezenas de galáxias. Também existem aglomerados de algumas centenas a milhares de galáxias e superaglomerados que contêm muitos desses aglomerados.
Essa hierarquia do Universo é conhecida desde os primeiros mapas do Universo, que parecia um “stickman” em gráficos pelo pioneiro Centro de Astrofísica (CfA) Redshift Survey.
Essas imagens impressionantes foram o primeiro vislumbre de estruturas de grande escala no Universo, algumas abrangendo centenas de milhões de anos-luz de diâmetro.
A pesquisa da CfA foi laboriosamente construída uma galáxia por vez. Isso envolveu medir o espectro da luz da galáxia – uma divisão da luz por comprimento de onda ou cor – e identificar as impressões digitais de certos elementos químicos (principalmente hidrogênio, nitrogênio e oxigênio).
Essas assinaturas químicas são sistematicamente deslocadas para comprimentos de onda mais vermelhos devido à expansão do Universo.
Esse “desvio para o vermelho” foi detectado pela primeira vez pelo astrônomo Vesto Slipher e deu origem à agora famosa Lei de Hubble – a observação de que galáxias mais distantes parecem estar se afastando mais rapidamente.
Isso significa que as galáxias próximas estão se afastando relativamente lentamente em comparação – elas são menos deslocadas para o vermelho do que as galáxias distantes. Portanto, medir o desvio para o vermelho de uma galáxia é uma maneira de medir sua distância.
Fundamentalmente, a relação exata entre desvio para o vermelho e distância depende da história de expansão do Universo, que pode ser calculada teoricamente usando nossa teoria da gravidade e nossas suposições sobre a densidade de matéria e energia do Universo.
Todas essas suposições foram finalmente testadas na virada do século, com a combinação de novas observações do Universo, incluindo novos mapas 3D de pesquisas maiores no redshift.
Em particular, o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) foi o primeiro telescópio dedicado a redshift a medir mais de um milhão de redshift de galáxias, mapeando a estrutura de grande escala no Universo com detalhes sem precedentes.
Os mapas do SDSS incluíram centenas de superaglomerados e filamentos e ajudaram a fazer uma descoberta inesperada – energia escura. Eles mostraram que a densidade de matéria do Universo era muito menor do que o esperado do Fundo Cósmico de Microondas, que é a luz que sobra do Big Bang.
Isso significava que deveria haver uma substância desconhecida, chamada energia escura, impulsionando uma expansão acelerada do Universo e se tornando cada vez mais desprovida de matéria.
O quebra-cabeça
A combinação de todas essas observações anunciou uma nova era de entendimento cosmológico com um universo composto por 30% de matéria e 70% de energia escura.
Mas, apesar do fato de a maioria dos físicos ter aceitado a existência de energia escura, ainda não sabemos sua forma exata.
Existem várias possibilidades, no entanto. Muitos pesquisadores acreditam que a energia do vácuo simplesmente tem algum valor particular, apelidado de “constante cosmológica”.
Outras opções incluem a possibilidade de a imensamente bem-sucedida teoria da gravidade de Einstein ser incompleta quando aplicada na enorme escala de todo o universo.
Novos instrumentos como o DESI ajudarão a dar o próximo passo na resolução do mistério. Ele medirá dezenas de milhões de desvios para galáxia, abrangendo um enorme volume do Universo a até dez bilhões de anos-luz da Terra.
Um mapa tão incrível e detalhado deve ser capaz de responder a algumas perguntas importantes sobre energia escura e a criação de estruturas de grande escala no Universo.
Por exemplo, deveria poder nos dizer se a energia escura é apenas uma constante cosmológica. Para fazer isso, ele medirá a proporção de pressão que a energia escura exerce sobre o Universo e a energia por unidade de volume.
Se a energia escura é uma constante cosmológica, essa proporção deve ser constante no tempo e no local cósmico. Para outras explicações, no entanto, essa proporção varia. Qualquer indicação de que não seja uma constante seria revolucionária e provocaria intenso trabalho teórico.
O DESI também deve ser capaz de restringir e até matar muitas teorias da gravidade modificada, possivelmente fornecendo uma confirmação enfática da Teoria da Relatividade Geral de Einstein nas maiores escalas.
Ou o contrário – e novamente isso provocaria uma revolução na física teórica.
Outra teoria importante que será testada com o DESI é a inflação, que prevê que pequenas flutuações quânticas aleatórias da densidade de energia no universo primordial foram exponencialmente expandidas durante um curto período de intenso crescimento para se tornarem as sementes das estruturas de grande escala que vemos hoje.
O DESI é apenas uma das várias missões e experimentos de energia escura da próxima geração que virão na próxima década, então certamente há razões para estarmos otimistas de que em breve poderemos resolver o mistério da energia escura.
Novas missões de satélite, como Euclides, e enormes observatórios terrestres como o Large Synoptic Survey Telescope, também oferecerão insights.
Também haverá outros instrumentos de desvio para o vermelho, como o DESI, incluindo o 4MOST no Observatório Europeu do Sul. Juntos, eles fornecerão centenas de milhões de desvios para o vermelho em todo o céu, levando a um mapa inimaginável do nosso cosmos.
Parece que faz muito tempo que escrevi minha tese de doutorado com base em apenas 700 redshifts de galáxias. Isso realmente mostra que é um momento emocionante para ser astrônomo.
Publicado em 02/11/2019
Artigo original: https://www.sciencealert.com/new-experiment-may-solve-one-of-the-universe-s-greatest-mysteries-dark-energy
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