Medições sem precedentes da energia escura: a imagem mais abrangente da história do universo em expansão até hoje

Montado no telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros no Observatório Nacional Kitt Peak do US National Trust, no Arizona, há um instrumento científico que está realizando um dos estudos mais importantes já realizados.

É o DESI, que significa Instrumento Espectroscópico de Energia Escura, e está conduzindo um estudo de cinco anos para criar o maior mapa 3D do universo já obtido.

O DESI, resultado de uma colaboração científica internacional de mais de 900 pesquisadores de mais de 70 instituições ao redor do mundo, é gerenciado pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) do Departamento de Energia dos EUA.

Desde que começou a explorar o céu em 2021, o instrumento observou 5.000 galáxias a cada 20 minutos, num total de mais de 100.000 galáxias por noite.

Os astrônomos estão agora a realizar uma análise inicial dos dados obtidos durante o primeiro ano de observação. Usando espectros de galáxias próximas e quasares distantes, os pesquisadores conseguiram medir a história de expansão do universo com uma precisão máxima de mais de um por cento.

Os resultados confirmam os fundamentos do modelo cosmológico padrão do universo e fornecem insights sem precedentes sobre a natureza da energia escura e seu impacto na estrutura em grande escala do universo.

Fragmento de um mapa tridimensional de galáxias coletado durante o primeiro ano de operação do DESI. A Terra está na ponta e as galáxias mais distantes estão localizadas a 11 bilhões de anos-luz de distância. Cada ponto representa uma galáxia. Esta versão do mapa DESI inclui 600.000 galáxias, menos de 0,1% do estudo total.

Mapeando o Universo, Galáxia por Galáxia

Para mapear o cosmos, o DESI recolhe luz de milhões de galáxias em mais de um terço de todo o céu. Ao decompor a luz de cada galáxia no espectro de cores, o DESI pode determinar quanta luz foi deslocada pela expansão do Universo nos milhares de milhões de anos que viajou antes de chegar à Terra. Como regra geral, quanto maior o desvio para o vermelho, mais distante está a galáxia.

Equipado com 5.000 pequenos robôs “olho mágico”, o DESI é capaz de realizar essas medições a uma velocidade sem precedentes. Só no seu primeiro ano, o DESI superou todos os estudos anteriores do seu tipo em quantidade e qualidade.

Os dados incrivelmente profundos e precisos recolhidos pelo DESI no primeiro ano permitiram aos astrónomos medir a taxa de expansão do Universo até há 11 mil milhões de anos atrás, quando o cosmos tinha apenas um quarto da sua idade actual, utilizando uma característica da grande escala. estrutura do universo chamada oscilações acústicas bariônicas (BAO).

Explorando a história do espaço com BAO

BAO é uma impressão residual das ondas de pressão que permearam o universo primitivo quando este não era nada mais do que uma sopa quente e densa de partículas subatômicas. À medida que o Universo se expandia e arrefecia, as ondas congelavam, congelando as ondulações e gerando as sementes de futuras galáxias nas regiões mais densas.

Este padrão pode ser visto no mapa detalhado do DESI , que mostra filamentos de galáxias agrupados e separados por lacunas onde há menos objetos.

No fundo estão as galáxias mapeadas no primeiro ano do estudo DESI de cinco anos. A Terra está no centro desta fina fatia do mapa completo. A seção ampliada mostra a estrutura profunda da matéria em nosso Universo.

A uma certa distância, os BAOs tornam-se demasiado fracos para serem detectados por galáxias comuns. Assim, os astrônomos observam o que é iluminado pelos núcleos galácticos conhecidos, extremamente distantes e brilhantes, chamados quasares.

À medida que a luz dos quasares viaja pelo espaço, ela é absorvida por nuvens intergalácticas de gás, permitindo aos astrônomos mapear bolsões de matéria densa. Para implementar esta técnica, os investigadores utilizaram 450 mil quasares, o maior conjunto alguma vez reunido para este tipo de estudo.

Graças à capacidade única do DESI de mapear milhões de galáxias próximas e quasares distantes, os astrônomos podem medir a propagação de ondulações em diferentes períodos da história cósmica para ver como a energia escura mudou de escala à medida que se expande.

Detalhando a história do espaço

Embora a história da expansão do universo possa ser mais complexa do que se pensava, a confirmação disso terá que esperar até a conclusão do projeto DESI. Ao final do estudo de cinco anos, o DESI planeja mapear mais de 3 milhões de quasares e 37 milhões de galáxias. À medida que novos dados forem disponibilizados, os astrônomos irão refinar os seus resultados.

“Este projeto resolve algumas das maiores questões da astronomia, como a natureza da misteriosa energia escura que impulsiona a expansão do universo”, diz Chris Davis, diretor do programa NOIRLab da NSF.

E embora o DESI continue a impressionar com o seu desempenho, os cientistas já sabem que os seus dados funcionarão em harmonia com futuras pesquisas do céu realizadas pelo Observatório Vera K. Rubin e pelo Observatório Espacial Romano Nancy Grace.

Atualmente, a colaboração DESI está a explorar as possibilidades de atualização do instrumento e planeia expandir os seus estudos cosmológicos na segunda fase, DESI-II.