Pesquisadores do LIneA tentam desvendar natureza da energia escura com dados do DES

30 de novembro de 2017 | LIneA

Já pensou em jogar uma bola para cima e, em vez de ela descer e cair de volta na sua mão, ela começar a subir e ganhar cada vez mais velocidade? Pois, de acordo com o vice-coordenador do INCT do e-Universo, e professor do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Rogerio Rosenfeld, é essa a analogia que ajuda a compreender a expansão acelerada do Universo, acontecimento que é contrário ao que se espera da força gravitacional. Esse crescimento desenfreado é atribuído à chamada energia escura, um componente do cosmos ainda desconhecido, e com propriedades gravitacionais não convencionais (ver Figura 1).

Com os dados sistematizados pelo primeiro ano de resultados do levantamento internacional Dark Energy Survey ( DES), foi elaborado um mapa com 26 milhões de galáxias, que cobre cerca de 1/30 do céu e apresenta a distribuição da matéria escura em uma faixa de bilhões de anos-luz de extensão. Com base nesse registro e em mais dados já obtidos, Rosenfeld e outros cientistas têm trabalhado para desvendar a natureza da energia escura, que ainda permanece sendo um mistério. Segundo o físico, a região mapeada pelo levantamento internacional em seu primeiro ano de atividade foi a maior área do céu já observada. “Os estudos sobre os dados coletados e analisados pelo DES no primeiro ano de observações têm representado um esforço hercúleo para os pesquisadores, mas, os resultados, em contrapartida, são excepcionais. Em particular, destaco o fato de a precisão da medida de alguns parâmetros cosmológicos (ver Figura 2) ser comparável às medidas resultantes da radiação cósmica de fundo, que, antes do levantamento, eram superiores a todos os dados provenientes da distribuição de galáxias”, diz Rosenfeld (para mais detalhes ver aqui).

Essa questão é corroborada por Flávia Sobreira, professora do Departamento de Raios Cósmicos e Cronologia (DRCC) do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). A pesquisadora participa do DES estudando a estrutura em grande escala do universo e também analisando o efeito de lenteamento gravitacional fraco produzido pelas galáxias, para descobrir pistas sobre o que vem causando essa expansão acelerada do universo. “O experimento, pela primeira vez, encontrou resultados que concordam com os já obtidos pelo experimento Planck. A questão é que o DES usou dados da distribuição e forma das galáxias observadas, enquanto o Planck usou a radiação cósmica de fundo. Tendo em vista que as galáxias foram formadas bilhões de anos depois que a radiação cósmica de fundo já permeava o universo, é realmente incrível encontrar estes resultados e verificar que eles concordam e que a maneira que tentamos entender o universo segue na direção correta. A análise dos próximos dados do DES, que correspondem ao segundo e terceiro ano do levantamento, será ainda mais promissora”, justifica.

De acordo com Marcos Lima, professor do Departamento de Física Matemática (DFMA) do Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (Usp), que também participa do levantamento internacional, até o momento, os dados sistematizados do primeiro ano são consistentes com a interpretação mais simples acerca da natureza da energia escura, que aceita que esse misterioso elemento seria a energia do vácuo e corresponderia à constante cosmológica (Λ), inicialmente proposta e depois abandonada por Einstein. De acordo com o modelo, a quantidade total dessa energia aumenta, em decorrência da própria expansão cósmica, mas sua densidade se mantém constante, no espaço e no tempo. “É impressionante observar que os dados levantados pelo DES ainda são consistentes com vários outros experimentos independentes, como os de radiação cósmica de fundo (CMB) e de estruturas em grande escala (LSS). Isto nos mostra que nossas pesquisas são precisas, com dados bem coletados, reduzidos e analisados, descartando erros sistemáticos. Isso é importante, pois é esta calibração que nos permitirá ter confiança nos resultados ainda mais precisos dos dados futuros do DES, nos próximos anos. Caso haja efeitos inesperados, saberemos que eles serão resultados reais e não resultantes de erros sistemáticos”, explica Lima.

Mesmo com todos esses avanços, a natureza da matéria escura continua desconhecida. Em relação a isso, Rosenfeld afirma existir quase um consenso na comunidade científica de que a matéria escura pode ser um tipo diferente de partícula elementar, que não possui carga elétrica, e, por isso, não interage com a radiação eletromagnética. “Na verdade, seria mais correto chamar a matéria escura de matéria transparente”, conclui. De acordo com o físico, pesquisadores do DES vão testar diferentes modelos para que a natureza da matéria escura possa ser desvendada.

A comparação da medida do número médio de galáxias separadas por uma dada distância angular e das previsões teóricas de modelos cosmológicos é o caminho que Flavia Sobreira escolheu para decifrar a energia escura. “Essa comparação permite ajustar os modelos para descrever as propriedades da energia escura de acordo com os dados que observamos. Outra maneira é medir a distorção causada nas imagens das galáxias observadas, gerada por campos gravitacionais presentes na trajetória da luz dos objetos cósmicos até nós. Todas as análises feitas até agora sugerem que o modelo que melhor descreve o universo é chamado ΛCDM, sendo Λ a constante cosmológica que representa a energia escura e CDM referente a Cold Dark Matter, ou seja à matéria escura.”

Rosenfeld pretende explorar esse assunto de forma diferente. “Existem outros modelos mais complexos para descrever a expansão acelerada. Por exemplo, há aqueles chamados de quintessência, com um campo escalar adicional, ou modelos de gravitação variados. Uma maneira de discernir entre os diferentes modelos é através de observações precisas sobre o crescimento da aglomeração de estruturas no universo”, diz.

Lima também vem analisando aglomerados de galáxias para elucidar as questões sobre a energia escura que permanecem em aberto, em conjunto com Rosenfeld e uma equipe de cientistas, muitos deles afiliados ao LIneA, como Michel Aguena (Bolsista do INCT do e-Universo); Vinicius Busti, atualmente na Universidade da Pensilvânia; Christophe Benoist (Observatoire de Côte D’Azur); Ricardo Ogando, do Observatório Nacional (ON); Luiz da Costa (ON); e Marcio Maia (ON), coordenador e vice-coordenador do LIneA, respectivamente. “Os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas em equilíbrio do universo e suas propriedades contêm muita informação cosmológica. Dentro da colaboração do DES, temos três “detectores” de aglomerados de galáxias independentes, e um deles, batizado de WAvelet Z Photometric (WAZP) tem sido desenvolvido e implementado pelo nosso grupo. Temos trabalhado na produção de um catálogo de aglomerados com os dados do primeiro ano, do qual esperamos extrair informações astrofísicas e cosmológicas, a serem combinadas com as outras técnicas já exploradas, como correlações de galáxias e lentes gravitacionais, para proverem, em conjunto, vínculos ainda mais poderosos em modelos de aceleração cósmica”, diz Lima.

Com o avançar das pesquisas sobre as observações do DES, certamente importantes novidades serão anunciadas em breve. “Acredito que as observações de supernovas fornecerão informações ainda mais precisas sobre a energia escura, pois permitem aferir, de maneira quase direta, o valor da taxa de expansão do universo”, conta Rosenfeld. Além disso, a energia escura não é a única explicação para a aceleração da expansão do universo. Lima explica que, uma outra possibilidade, é que nosso entendimento de gravitação tenha que ser alterado, com uma redefinição da teoria de Einstein, buscando outros parâmetros que estejam de acordo com as chamadas teorias de gravidade modificadas. “Nesse contexto, não haveria necessidade de energia escura para explicar a expansão acelerada do cosmos”, diz Lima, que prossegue: “Com o DES esperamos verificar quais destas explicações melhor descreve os dados observados. Isso será possível com a coleta de mais dados, e ainda temos mais quatro anos de resultados de observação para analisar, além da combinação autoconsistente das técnicas já usadas com aquelas cujos resultados ainda não foram publicados, como os estudos de supernovas, por exemplo. Dessa forma, além de estarmos avançando no conhecimento de física fundamental, também estamos nos preparando para experimentos ainda mais ambiciosos do futuro, como o Euclid e o Large Synoptic Survey Telescope (LSST), finaliza.

Dark Energy Survey é liderado pelo Fermi National Accelerator Laboratory ( Fermilab) e conta com a colaboração de mais de 500 pesquisadores de inúmeros países – entre eles, vários cientistas brasileiros. A participação brasileira, realizada por meio de um consórcio denominado DES-Brazil, é apoiada pelo INCT do e-Universo e pelo LIneA, que desenvolveu um portal específico para a pesquisa. Além disso, o LIneA coordena a participação brasileira no supertelescópio Large Synoptic Survey Telescope (LSST), que deverá suceder o DES e já está em construção no Chile.

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Figura 1 – Evolução cósmica desde o Big Bang até os dias atuais. Os resultados do primeiro ano de observações do DES validam o modelo padrão cosmológico, mostrando a consistência de dados sobre a Radiação Cósmica de Fundo (CMB) (400.000 anos após o Big-Bang) e a distribuição de galáxias atuais (que resultaram das pequenas flutuações na matéria, inicialmente acoplada à CMB) mais de 13 bilhões de anos depois. Crédito da imagem: adaptado de NASA/WMAP Science Team.

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Figura 2 – Vínculos em parâmetros cosmológicos derivados dos dados do primeiro ano de observações do DES (para detalhes ver https://arxiv.org/pdf/1708.01530.pdf ). Os 3 parâmetros mostrados Ωm, ω , e S8 descrevem, respectivamente, a quantidade de matéria no universo, a natureza da energia escura, e o grau de aglomeração das galáxias no universo. Os dados do DES são consistentes com o parâmetro ω = -1, que reflete o modelo cosmológico em que a energia escura corresponde a uma constante cosmológica. Crédito da imagem: https://arxiv.org/pdf/1708.01530.pdf.

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