Resultados cosmológicos do Dark Energy Survey!

Título: Dark Energy Survey Year 1 Results: Cosmological Constraints from Galaxy Clustering and Weak Lensing

Autores [ordem alfabética]: T. M. C. Abbott, F. B. Abdalla, A. Alarcon and the DES Collaboration

Instituição do primeiro autor: Cerro Tololo Inter-American Observatory, National Optical Astronomy Observatory, La Serena, Chile

Status: submetido ao Physical Review [acesso aberto]

O Dark Energy Survey

O Dark Energy Survey (DES) é um projeto que busca mapear objetos astronômicos em uma região que corresponde a um oitavo do céu visível (cerca de 5000 graus quadrados, ou 25,000 vezes o tamanho da Lua cheia!). Isso faz dele um dos maiores mapeamentos do céu realizados a partir da Terra. O DES está em operação desde 2013 e vem sendo considerado o sucessor natural do Sloan Digital Sky Survey (SDSS). As observações utilizam o telescópio Blanco de 4m no Observatório Inter-americano de Cerro Tololo (ou Cerro Tololo Inter-American Observatory, CTIO), no Chile, mostrado na Fig. 1.

Figura 1: o telescópio Blanco no CTIO, Chile, que abriga a Dark Energy Camera (DECam). Foto por Reidar Hahn, Fermilab.

Anexa ao telescópio Blanco, está a Dark Energy Camera (DECam, Fig. 2), um presente da colaboração DES para a comunidade científica. A DECam é uma câmera de 570 megapixel (que até alguns anos atrás era a câmera digital mais poderosa do mundo) que captura milhões de objetos a cada noite de observação. Seu objetivo? Fornecer dados que permitam testar nossas teorias cosmológicas e estudar a distribuição de galáxias, auxiliando modelos de formação e evolução.

Figura 2: à esquerda, o CCD da DECam, que captura milhões de objetos por noite, como visto na figura da direita, que mostra uma única imagem do DES com galáxias distantes e estrelas na Via Láctea. Créditos: CTIO/Fermilab/DES Collaboration.

DES e a cosmologia

Neste astrobite (ainda não traduzido), você pode ler sobre como o campo da cosmologia e observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (ou cosmic microwave background, CMB) são interligados. Em resumo, essa radiação foi emitida pelo Universo jovem e permeia todo o espaço. Ela é relativamente uniforme, variando por um fator menor que uma parte em 100000 em todo o Universo. Medidas precisas da CMB são muito importantes na cosmologia, pois qualquer modelo que se proponha para a evolução do Universo deve ser capaz de explicar essas medidas. Os seguintes números são importantes:

1. Densidade total do Universo Ω = matéria bariônica + matéria escura + radiação. Associada à curvatura do espaço.
2. Constante de Hubble H0, a aceleração de expansão do Universo.
3. Constante cosmológica Λ, responsável pela expansão acelerada do Universo presente.
4. Parâmetros de inflação, que restringem as perturbação nas épocas próximas da emissão da CMB.
5. Massa dos neutrinos, que afeta a formação de estruturas no Universo.
6. Histórico de ionização do Universo.
7. σ8, que ilustra o crescimento de flutuações no Universo jovem.

A missão Planck realizou estimativas da maioria desses parâmetros do ponto de vista da CMB. Contudo, nossos modelos cosmológicos também precisam ser corroborados por observações do Universo presente. Afinal de contas, entre a emissão da CMB e hoje, cerca de 13.5 bilhões de anos se passaram. O Universo se expandiu durante esse período, e estruturas em larga escala vêm se formando nos últimos bilhões de anos. A evolução da matéria como prevista pela física do Universo jovem e medida pela CMB pode ser testada por meio da observação das diversas galáxias atuais, verificando se há uma concordância. Esse é exatamente o objetivo do DES!

Análise: formação de aglomerados de galáxias e lentes gravitacionais fracas

As observações que o DES produziu em seu primeiro ano de operações são bastante notáveis: 1786 graus quadrados observados, dos 5000 que se terá ao final da missão, com medidas de posição e morfologia para 26 milhões de galáxias. O DES tem observado com sucesso o efeito médio de lentes gravitacionais fracas dessas galáxias uma sobre as outras, ou seja: a distorção da luz de galáxias de fundo causada por galáxias em primeiro plano conforme previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Vale ressaltar que essa distorção não ocorre apenas devido à massa das galáxias em primeiro plano, mas também devido à matéria escura, que afinal compõe cerca de 5/6 do conteúdo de matéria do Universo.

Figura 3: esta imagem mostra o mapeamento de massa no DES, isto é, a distribuição espacial de matéria escura nos 1786 graus quadrados onde já se obteve dados. Regiões em vermelho (azul) indicam uma alta (baixa) densidade de matéria escura, como determinado por observações de lentes gravitacionais fracas. Créditos: Chihway Chang (KICP, Universidade de Chicago).

O lenteamento gravitacional fraco tem um efeito extremamente sutil na nossa medida da posição e da forma de uma galáxia (em média 1% de distorção), o que nos permite restringir a quantidade e a localização de matéria escura de maneira fantástica, como se vê na Fig. 3.

Em suma, a análise cosmológica do DES usa três principais traçadores:

1. Uma estimativa estatística da probabilidade de que duas galáxias estejam a uma dada distância uma da outra, chamada de função de correlação de dois pontos, que fornece informação sobre a posição das galáxias.
2. Informação sobre as formas das galáxias e sobre a distribuição de massa no Universo quando o lenteamento gravitacional fraco é levado em conta, chamada função de correlação de cisalhamento-cósmico.
3. Informação sobre possíveis posições e formas de uma galáxia dada a ação de lenteamento, e potenciais relações entre as duas, chamada função de correlação de cisalhamento-galáctico.

Resultados: Matéria no Universo

Usando esses traçadores, podemos colocar fortes restrições em dois dos parâmetros cosmológicos mencionados anteriormente: Ωm e σ8, ou seja: a densidade do Universo e suas flutuações. Em outras palavras, obtemos um mapa da distribuição de matéria escura no Universo!

O artigo de hoje discute a análise de verossimilhança realizada nos dados atuais do DES, considerando os modelos cosmológicos correntes, como ΛCDM (um universo em que a maior parte da massa é matéria escura e em que a energia escura é responsável por sua expansão acelerada). É crucial notar que toda a análise foi feita de maneira cega até ser concluída: os membros da colaboração não tinham informação sobre o exato valor dos parâmetros que estavam medindo, apenas de sua precisão. Isso foi feito para evitar um viés na confirmação dos resultados, o que desacreditaria uma análise lidando com números tão precisos. Considerando os erros experimentais, os resultados cosmológicos do primeiro ano do DES sugerem Ωm=0.264+0.032-0.019 e σ8=0.807+0.021-0.025, valores que estão de acordo com o previsto pelo modelo padrão ΛCDM (Ωm=0.3, σ8~0.8). Em uma análise em que a intensidade da energia escura (w) foi deixada como parâmetro livre, o resultado foi w=-0.80+0.20-0.22, provando que não há indícios de desvio da teoria ΛCDM, em que w=-1 (veja a Fig. 4).

Figura 4: flutuação em S8 (uma forma funcional robusta de σ8) como função da densidade de matéria Ωm conforme resultados cosmológicos do DES. Aqui se assumiu um modelo ΛCDM (w=-1). Os contornos mais escuros representam o nível de confiança de 68% (ou 1-sigma). Os resultados do ano um do DES (DES Y1) em azul mostram um leve desvio dos resultados do Planck (em vermelho), mas combinando o conjunto de dados, podemos impor fortes restrições nos parâmetros cosmológicos. [Figura 10 no artigo.]

O que esses números significam para a humanidade?

O DES proporcionou estimativas precisas de dois parâmetros cosmológicos a partir de medidas em Terra. Essas estimativas estão de acordo com os resultados que a missão Planck obteve do espaço estudando a CMB. Esses dois projetos complementares nos forneceram informações sobre a distribuição de matéria escura que estão de acordo entre si e que corroboraram nosso conhecimento teórico sobre a evolução da matéria desde o Universo jovem. Pode aplaudir agora. Nunca antes uma colaboração astrofísica foi capaz de utilizar milhões de galáxias e efeitos de lenteamento gravitacional fraco para sondar objetos astrofísicos em tamanha escala.

Na era da cosmologia de precisão, com uma certa tensão entre diferentes estudos sobre o valor da constante de Hubble e propostas de outros modelos cosmológicos, o DES surge como um mediador de sucesso. Para novas estimativas desses parâmetros com ainda mais galáxias, fique de olho nos resultados com dados do DES até o ano 3!


Adaptado do original em inglês: Cosmology Results from The Dark Energy Survey!, por Gourav Khullar

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