Em 1998, os astrofísicos descobriram que o Universo está se expandindo a um ritmo acelerado, atribuído a uma entidade misteriosa chamada energia escura, que constitui cerca de 70% do cosmo.
© Cosmonovas (ilustração de uma supernova)
Embora prenunciada por medições anteriores, a descoberta foi uma surpresa; na época, os astrofísicos concordavam que a expansão do Universo deveria estar desacelerando por causa da gravidade. Esta descoberta revolucionária, que os astrofísicos alcançaram com observações de tipos específicos de estrelas em explosão, chamadas supernovas do tipo Ia foi reconhecida com o Prêmio Nobel da Física em 2011.
Agora, 25 anos após a descoberta inicial, os cientistas que trabalham no Dark Energy Survey (DES) divulgaram os resultados de uma análise sem precedentes usando a mesma técnica para investigar ainda mais os mistérios da energia escura e da expansão do Universo.
Foram colocadas restrições mais fortes à expansão do Universo já obtidas com o levantamento de supernovas do DES. Em uma apresentação na 243ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em 8 de janeiro, os astrofísicos do DES relataram resultados que são consistentes com o modelo cosmológico padrão de um Universo em expansão acelerada. No entanto, as descobertas não são definitivas o suficiente para descartar um modelo possivelmente mais complexo.
O DES mapeou uma área de quase um oitavo de todo o céu usando a Dark Energy Camera, uma câmera digital de 570 megapixels construída pelo Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Foi montado no Telescópio Víctor M. Blanco no Observatório Interamericano Cerro Tololo, um programa do National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), em 2012.
Os cientistas do DES recolheram dados de 758 noites ao longo de seis anos. Para compreender a natureza da energia escura e medir a taxa de expansão do Universo, efetuando análises com quatro técnicas diferentes, incluindo a técnica de supernova usada em 1998. Esta técnica requer dados de supernovas do tipo Ia, que ocorrem quando uma estrela morta extremamente densa, conhecida como anã branca, atinge uma massa crítica e explode.
Como a massa crítica é quase a mesma para todas as anãs brancas, todas as supernovas do tipo Ia têm aproximadamente o mesmo brilho real e quaisquer variações restantes podem ser calibradas. Assim, quando os astrofísicos comparam o brilho aparente de duas supernovas do tipo Ia vistas da Terra, podem determinar as suas distâncias relativas de nós. Os astrofísicos traçam a história da expansão cósmica com grandes amostras de supernovas abrangendo uma ampla gama de distâncias. Para cada supernova, combinam a sua distância com uma medição do seu desvio para o vermelho, ou seja, a rapidez com que se afasta da Terra devido à expansão do Universo. Este histórico é usado para determinar se a densidade da energia escura permaneceu constante ou mudou ao longo do tempo. À medida que o Universo se expande, a densidade da matéria diminui. Mas se a densidade da energia escura for constante, isso significa que a proporção total de energia escura deve aumentar à medida que o volume aumenta.
O modelo cosmológico padrão é o ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), um modelo baseado na densidade da energia escura sendo constante ao longo do tempo cósmico. Diz-nos como o Universo evolui, usando apenas algumas características, como a densidade da matéria, o tipo de matéria e o comportamento da energia escura.
O método da supernova restringe muito bem duas dessas características: a densidade da matéria e uma quantidade chamada w, que indica se a densidade da energia escura é constante ou não. De acordo com o modelo cosmológico padrão, a densidade da energia escura no Universo é constante, o que significa que ela não se dilui à medida que o Universo se expande. Se isso for verdade, o parâmetro representado pela letra w deverá ser igual a –1.
Os resultados encontraram w = –0,80 +/- 0,18 usando apenas supernovas. Combinado com dados complementares do telescópio Planck da ESA (Agência Espacial Europeia), onde w atinge –1 dentro da margem de erro.
Esta análise final de supernovas do DES trouxe muitas melhorias em relação ao primeiro resultado de supernova do DES, lançado em 2018, que utilizou apenas 207 supernovas e três anos de dados. Para a análise de 2018, os cientistas do DES combinaram dados sobre o espectro de cada supernova para determinar os seus desvios para o vermelho e classificá-las como tipo Ia ou não. Eles então usaram imagens tiradas com diferentes filtros para identificar o fluxo no pico da curva de luz, um método chamado fotometria. Mas os espectros são difíceis de adquirir, exigindo muito tempo de observação nos maiores telescópios, o que será impraticável para futuras pesquisas de energia escura, como o Legacy Survey of Space and Time, LSST, a ser conduzido no Observatório Vera C. Rubin.
A espectroscopia de acompanhamento da galáxia hospedeira com o telescópio Anglo-Australiano forneceu desvios para o vermelho precisos para cada supernova. A utilização de filtros adicionais também permitiu obter dados mais precisos do que os levantamentos anteriores e representa um grande avanço em comparação com as amostras de supernovas anteriores, que utilizaram apenas um ou dois filtros.
Os pesquisadores do DES usaram técnicas avançadas de aprendizado de máquina para auxiliar na classificação de supernovas. Entre os dados de cerca de dois milhões de galáxias distantes observadas, o DES encontrou vários milhares de supernovas. No final das contas, os cientistas usaram 1.499 supernovas do tipo Ia com dados de alta qualidade, tornando-a a maior e mais profunda amostra de supernovas já compilada por um único telescópio. Em 1998, os astrônomos utilizaram apenas 52 supernovas para determinar que o Universo está se expandindo a um ritmo acelerado.
Existem pequenas desvantagens da nova abordagem fotométrica em comparação com a espectroscopia: como as supernovas não possuem espectros, há maior incerteza na classificação. No entanto, o tamanho da amostra muito maior possibilitado pela abordagem fotométrica compensa a pesquisa. As técnicas inovadoras em que o DES foi pioneiro irão moldar e impulsionar futuras análises astrofísicas. Projetos como o LSST de Rubin e o telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA continuarão de onde o DES parou.
Mesmo com experiências mais avançadas sobre energia escura, os cientistas do DES enfatizaram a importância de ter modelos teóricos para explicar a energia escura, além das suas observações experimentais. Os cientistas do DES continuam a usar os resultados das supernovas em mais análises, integrando-os com os resultados obtidos com outras técnicas do DES.
Um modelo mais complexo pode ser necessário. A energia escura pode de fato variar com o tempo. Para chegar a uma conclusão definitiva, os cientistas precisarão de mais dados. A energia escura ainda está por aí para ser descoberta.
O Dark Energy Survey é uma colaboração internacional que compreende mais de 400 astrofísicos, astrônomos e cosmólogos de mais de 25 instituições, inclusive do Brasil, lideradas por membros do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA.
Um artigo foi submetido ao periódico Astrophysical Journal.
Fonte: Fermi National Accelerator Laboratory
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