Na década de 1960, os astrônomos começaram a notar um fundo de micro-ondas penetrante visível em todas as direções. Posteriormente conhecido como Fundo Cósmico de Microondas (CMB), a existência dessa radiação relíquia confirmou a teoria do Big Bang, que postula que toda a matéria foi condensada em um único ponto de densidade infinita e calor extremo que começou a se expandir ca. 13,8 bilhões de anos atrás.
Ao medir o CMB para redshift e compará-los com medições de distância local (usando estrelas variáveis e supernovas), os astrônomos têm procurado medir a taxa na qual o universo está se expandindo.
Na mesma época, os cientistas observaram que as curvas rotacionais das galáxias eram muito maiores do que sugeriam suas massas visíveis. Isso significava que ou a Teoria da Relatividade Geral de Einstein estava errada ou o universo estava cheio de uma misteriosa massa invisível.
Em uma nova série de artigos, os membros da colaboração do Atacama Cosmology Telescope (ACT) usaram a luz de fundo do CMB para criar um novo mapa de distribuição de matéria escura que cobre um quarto do céu e se estende profundamente no cosmos. Este mapa confirma a Relatividade Geral e suas previsões de como a massa altera a curvatura do espaço-tempo.
O ACT é um consórcio internacional de mais de 160 cientistas dos EUA, Reino Unido, Canadá, França, Alemanha, Itália, Chile, Suíça, Japão, África do Sul e Goddard Space Flight Center da NASA.
Seu objetivo é fornecer medições aprimoradas de parâmetros que descrevem o início do universo, monitorando a luz que surgiu durante o “Cosmic Dawn” (quando o universo tinha apenas 380.000 anos de idade), que é visível hoje como o CMB. Ao comparar isso com as medições do universo local, astrônomos e cosmólogos esperam aprender mais sobre como ele evoluiu.
De acordo com o modelo cosmológico predominante – o modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM) – a matéria escura representa 85% da massa no cosmos. Infelizmente, ele não interage com a matéria normal (“luminosa”) por meio de forças nucleares eletrofracas ou fortes, apenas a gravidade (a mais fraca das forças fundamentais). Para rastrear essa massa ilusiva e “invisível”, a colaboração do ACT usa o Atacama Cosmology Telescope (ACT), um telescópio personalizado de seis metros (∼ 20 pés) de ondas milimétricas localizado no Observatório Llano de Chajnantor, no norte do Chile .
Conforme descrevem em seus três novos artigos agendados para publicação no The Astrophysical Journal, a equipe contou com dados do Data Release 6 (DR6) do ACT, que consistia em cinco temporadas de observações de temperatura e polarização CMB. Essas leituras de luz foram usadas essencialmente para iluminar toda a matéria entre os dias atuais e o Big Bang (cerca de 13,8 bilhões de anos atrás). Disse Suzanne Staggs, professora de física Henry DeWolf Smyth na Universidade de Princeton e diretora do ACT:
“É um pouco como silhueta, mas em vez de ter apenas preto na silhueta, você tem textura e pedaços de matéria escura, como se a luz estivesse fluindo através de uma cortina de tecido cheia de nós e saliências. O famoso azul e A imagem amarela do CMB é um instantâneo de como era o universo em uma única época, cerca de 13 bilhões de anos atrás, e agora isso nos dá informações sobre todas as épocas desde então.”
A imagem aqui aludida é a famosa imagem de céu completo baseada em dados recolhidos pelo Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) entre 2001 e 2003. Esta missão (que permaneceu em operação até 2010) foi construída sobre o trabalho anterior do Cosmic Background Explorer (COBE), que coletou dados no CMB de 1989 a 1993.
Depois veio o satélite Planck da ESA, que mediu o CMB de 2009 a 2013 para mapear pequenas flutuações de temperatura. Os mapas cada vez mais precisos que resultaram forneceram informações sobre a evolução do cosmos, mostrando quais eram suas condições iniciais.
Este último mapa levou essa pesquisa um passo adiante, usando-o para medir como a estrutura da matéria evoluiu desde então, 85% da qual é matéria escura. Para visualizar a presença e distribuição dessa massa misteriosa, a equipe de pesquisa examinou como sua gravidade afetou a curvatura do espaço-tempo entre o CMB e a Terra. Isso mostrou efetivamente como grandes coleções de massa (visíveis e invisíveis) alteraram o caminho que sua luz seguiu ao viajar por bilhões de anos-luz (e bilhões de anos) para chegar até nós.
A equipe rastreou como a atração gravitacional de estruturas maciças de matéria escura pode distorcer o CMB em sua jornada de 14 bilhões de anos até nós, assim como janelas antigas e irregulares dobram e distorcem o que podemos ver através delas. O mapa resultante revelou o “andaime” da Matéria Escura que contém a matéria visível e envolve e conecta galáxias e aglomerados de galáxias.
Isso levou à estrutura em larga escala do universo (muitas vezes chamada de “Teia Cósmica”), que pode ser vista claramente na imagem. O mapa também rompe com as convenções ao medir a distribuição da matéria em nosso universo, não em termos de luz, mas em termos de massa.
Disse o co-autor Blake Sherwin, Ph.D. em 2013. ex-aluno de Princeton e professor de cosmologia na Universidade de Cambridge (onde lidera o grupo de pesquisa ACT):
“Mapeamos a distribuição invisível de matéria escura no céu, e é exatamente como nossas teorias prevêem. Esta é uma evidência impressionante de que entendemos a história de como a estrutura em nosso universo se formou ao longo de bilhões de anos, desde logo após o Big Bang até hoje. Notavelmente, 80% da massa no universo é invisível. Ao mapear a distribuição de matéria escura no céu para as maiores distâncias, nossas medições de lentes ACT nos permitem ver claramente este mundo invisível.”
“Fizemos um novo mapa de massa usando distorções de luz que sobraram do Big Bang”, disse o professor assistente de Princeton Mathew Madhavacheril, pós-doutorando de Princeton em 2016-2018 e principal autor de um dos artigos. “Surpreendentemente, ele fornece medições que mostram que tanto a ‘protuberância’ do universo quanto a taxa de crescimento após 14 bilhões de anos de evolução são exatamente o que você esperaria de nosso modelo padrão de cosmologia baseado na teoria de Einstein. da gravidade”.
Mark Devlin, professor de astronomia Reese Flower na Universidade da Pensilvânia e vice-diretor do ACT, foi um dos poucos pesquisadores que viram o potencial desse experimento no início dos anos 2000. “Quando propusemos este experimento em 2003, não tínhamos ideia de toda a extensão da informação que poderia ser extraída de nosso telescópio”, disse ele. “Devemos isso à inteligência dos teóricos, às muitas pessoas que construíram novos instrumentos para tornar nosso telescópio mais sensível e às novas técnicas de análise que nossa equipe criou”.
Seus resultados também podem fornecer uma nova visão sobre a chamada “Crise na Cosmologia”, onde as medições de luz usando o CMB versus estrelas locais produzem valores diferentes. Também conhecida como “Tensão de Hubble”, essa disparidade sugere que a matéria escura não era “irregular” o suficiente e que o modelo padrão de cosmologia (LCDM) pode estar incorreto. No entanto, os resultados mais recentes da equipe do ACT avaliaram com precisão o tamanho e a distribuição desses caroços e determinaram que eles eram perfeitamente consistentes com o modelo LCDM. Staggs, cuja equipe construiu os detectores que coletaram os dados nos últimos cinco anos, acredita que seu novo mapa pode transformar essa “crise” em uma oportunidade:
“O CMB já é famoso por suas medições inigualáveis do estado primordial do universo, então esses mapas de lentes, descrevendo sua evolução subsequente, são quase um emaranhado de riquezas. Agora temos um segundo mapa muito primordial do universo. Em vez de uma ‘crise’, acho que temos uma oportunidade extraordinária de usar esses diferentes conjuntos de dados juntos. Nosso mapa inclui toda a matéria escura, desde o Big Bang, e os outros mapas estão olhando para cerca de 9 bilhões de anos, nos dando uma camada que está muito mais próxima de nós. Podemos comparar as duas para aprender sobre o crescimento das estruturas no universo. Acho que vai se tornar realmente interessante. Que as duas abordagens estão obtendo medições diferentes é fascinante.”
Embora o ACT tenha sido desativado em setembro de 2022 (após 15 anos em operação), os dados coletados ainda inspiram novas pesquisas e descobertas. Mais artigos apresentando resultados do conjunto final de observações no DR6 são esperados em breve, e o Observatório Simons conduzirá observações futuras da mesma visão. Isso será feito usando um novo telescópio programado para começar a operar em 2024, capaz de mapear o céu quase dez vezes mais rápido que o ACT. Talvez possamos esperar pesquisas de todo o céu que mapeiem a distribuição da matéria escura desde o início do cosmos.
Publicado em 25/04/2023 11h07
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