Observações do Dark Energy Survey

Entre 2013 e 2019, o Dark Energy Survey (DES) coletou observações com a Dark Energy Camera (DECam) no Telescópio Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile. Durante esse período, o DES mediu e calibrou as formas de mais de 150 milhões de galáxias em 5.000 graus quadrados (cerca de um oitavo) do céu. Essas medições das formas das galáxias ajudam os cientistas a refinar as estimativas sobre como a massa está distribuída pelo universo e o comportamento da energia escura.

O DES também desempenhou um papel em um grande enigma recente envolvendo o modelo Lambda-CDM (LCDM), a estrutura padrão usada para descrever o universo. Alguns estudos do universo próximo, utilizando levantamentos de galáxias como o DES, parecem discordar das previsões baseadas no universo primitivo, que são inferidas do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) – a radiação remanescente do Big Bang.

Embora a DECam tenha sido construída para apoiar o DES, ela também coletou muitas imagens fora da área principal do DES. Em um novo conjunto de artigos na Open Journal of Astrophysics, os astrofísicos de UChicago usaram essas observações adicionais e praticamente dobraram o número de galáxias com formas medidas, adicionando dados de milhares de graus quadrados além da região do DES. Como essas imagens não foram originalmente capturadas para trabalho de lente fraca, o conjunto de dados expandido oferece uma maneira independente de rever as inconsistências anteriores do LCDM.

Lentidão gravitacional fraca e por que as formas das galáxias importam

A lente gravitacional ocorre quando a massa dobra a luz, e é uma das ferramentas mais poderosas para estudar onde a massa está no universo. Isso inclui matéria comum, assim como matéria escura, e também pode esclarecer o papel da energia escura, disse Chihway Chang, professor associado de Astronomia e Astrofísica e líder do projeto de cisalhamento cósmico da Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE).

Na lente gravitacional fraca, as galáxias não parecem dramaticamente esticadas. Em vez disso, suas formas aparecem apenas ligeiramente distorcidas (cisalhadas) porque sua luz passa por e ao redor da matéria a caminho da Terra. O sinal é extremamente pequeno, então os pesquisadores se baseiam em métodos estatísticos para detectá-lo.

“As medições de lente fraca são melhores para investigar a ‘agregação’ da matéria”, disse Dhayaa Anbajagane, aluno de doutorado em Astronomia e Astrofísica, que é o analista principal e primeiro autor da série de artigos DECADE. “Quantificar essa agregação esclarece a origem e a evolução de estruturas como galáxias e aglomerados de galáxias. Isso é vagamente semelhante a medir a distribuição de pessoas (a matéria) vivendo em uma região e usar isso para entender características como a topografia da paisagem ou a localização ou idade de áreas urbanas (fatores que influenciam a origem e a evolução das estruturas).”

Medindo distâncias de galáxias e testando o modelo cosmológico padrão

Para o trabalho do DECADE, os pesquisadores mediram as formas de mais de 100 milhões de galáxias. Eles também estimaram quão longe essas galáxias estão, analisando quanto a luz de cada galáxia se desloca em direção a comprimentos de onda vermelhos (deslocamento para o vermelho). Esse deslocamento indica quão rapidamente uma galáxia está se afastando, e pode ser usado para calcular sua distância da Terra.

Com as formas e distâncias das galáxias em mãos, a equipe ajustou o modelo LCDM às observações. O LCDM é o modelo de cosmologia amplamente utilizado que leva em consideração a energia escura, a matéria escura, a matéria comum, os neutrinos e a radiação. “Este é um modelo bem testado que passou por muitas e muitas investigações na última década, e nosso ponto de dados vai adicionar àquela história”, disse Chang.

Os resultados do DECADE mostram que o crescimento da estrutura cósmica corresponde ao que o LCDM prevê, alinhando-se com estudos anteriores de lente fraca. “Além disso, ao comparar nossas restrições com aquelas derivadas e extrapoladas do CMB do universo primitivo, também concordamos bem”, disse Chang. “Esse último ponto tem sido uma fonte de debate nos últimos cinco anos, e com nossos novos resultados, podemos afirmar que não vemos tensão entre a lente fraca e o CMB.”

“Também conseguimos combinar as medições de lente do DECADE com as do DES, resultando em uma análise de lente de galáxias que utiliza o maior número de galáxias (270 milhões) cobrindo a maior área do céu (13.000 graus quadrados) até hoje”, disse Anbajagane. “Dada essa grande quantidade de dados, podemos fazer escolhas particularmente conservadoras em nossa análise – como apenas fazer ou usar as medições em que temos mais confiança, em vez de todas as medições úteis ou possíveis – e ainda assim fazer uma medição com precisão suficiente para informar nossas comparações com o CMB.”

Um levantamento não convencional construído a partir de imagens de telescópios arquivadas

O DECADE oferece uma verificação independente sobre se os resultados da lente fraca concordam com as expectativas baseadas no CMB, usando uma parte diferente do céu do que o DES, mas em uma escala comparável. Alex Drlica-Wagner, cientista do Fermilab e professor associado em Astronomia e Astrofísica da UChicago que liderou a campanha de observação do DECADE, observou que o sucesso não era garantido desde o início. “Não estava claro se o conjunto de dados do DECADE teria qualidade suficiente para realizar uma análise cosmológica, mas demonstramos que pode de fato produzir resultados robustos”, disse ele.

Uma característica marcante do projeto envolveu decisões sobre a qualidade das imagens, explicou Anbajagane. Levantamentos tradicionais de lente fraca coletam perto de cem mil imagens construídas especificamente ao longo de muitos anos, e muitas quadros são rejeitados quando não atendem a padrões rigorosos. “O projeto DECADE é único, pois reaproveita dados arquivados – imagens originalmente tiradas pela comunidade de astronomia para uma ampla variedade de objetivos científicos, desde o estudo de galáxias anãs até estrelas e aglomerados de galáxias distantes – e usa critérios de qualidade de imagem significativamente mais permissivos. Nosso trabalho mostra que análises robustas de lente podem ser feitas mesmo sem campanhas de imagens dedicadas à lente,” disse ele.

Essa abordagem pode influenciar a maneira como os pesquisadores lidam com futuros estudos de lente fraca, incluindo trabalhos baseados no levantamento Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Utilizar uma maior parte das imagens disponíveis pode aumentar a precisão das medições cosmológicas. A capacidade da equipe de usar imagens arquivadas também dependia fortemente de uma cuidadosa inspeção de imagens, liderada por Chin Yi Tan, um aluno de doutorado em Física.

Um catálogo massivo de galáxias públicas e colaboração global

Combinado com o DES, o catálogo final cobre cerca de um terço do céu (13.000 graus quadrados) e inclui 270 milhões de galáxias. O catálogo foi liberado para a comunidade científica neste outono, e os pesquisadores já começaram a usar as imagens para outros estudos, incluindo trabalhos sobre galáxias anãs e novos mapas da massa do universo. “Estamos ativamente trabalhando na aplicação de outros métodos de análise aos nossos dados ao lado de especialistas no Kavli Institute for Cosmological Physics,” disse Anbajagane.

A análise do DECADE reuniu cientistas da UChicago, Fermilab e NCSA na UIUC, junto com colaboradores da Argonne, UW-Madison e muitas outras instituições em todo o mundo. “Foi bastante especial ter esses diferentes componentes todos reunidos no corredor,” disse Chang. “Isso também nos permitiu aprender uns com os outros – e resultou em um resultado inesperado, mas maravilhoso, deste projeto.”