Ho’Leilana: uma frente de onda de BAO individual?

Paula Ferreira

Título: Ho’oleilana: An Individual Baryon Acoustic Oscillation?

Autores: R. Brent Tully, Cullan Howlett e Daniel Pomarède

Instituição do primeiro autor: Institute for Astronomy, University of Hawaii, EUA

Status: Publicado no Astrophysical Journal [acesso aberto]

O que são oscilações acústicas de bárions?

Quando o universo ainda era muito novo e muito quente, existia uma alta interação entre matéria relativística (fótons) e matéria bariônica (basicamente elétrons). Essa alta interação ou acoplamento funcionava como uma competição, como uma gangorra, entre a pressão do gás de fótons e a atração gravitacional de bárions. À medida que o universo esfriou, os elétrons livres se uniram a prótons e formaram os primeiros átomos, assim,  o gás reduziu a colisão entre partículas que espalhava fótons. Os últimos fótons desse espalhamento ficaram livres para viajar o universo, isso congelou a última frente de onda esférica da gangorra em grandes escalas, como uma esfera característica da interação entre bárions e fótons. Essas ondas receberam o nome de Oscilações Acústicas de Bárions (BAO, do inglês Baryon Acoustic Oscillations).

A presença de BAO é identificada contando-se pares de galáxias a distâncias fixas. Um excesso de pares em uma casca esférica de raio aproximadamente 100 Mpc caracteriza as BAO. As funções estatísticas dessa medida são feitas com a função de correlação de dois pontos e/ou espectro de potência de galáxias. Tais funções são equivalentes entre si e são usadas tradicionalmente na literatura. Para isso, utiliza-se catálogos de objetos, geralmente galáxias, massivas o suficiente para estarem em aglomerados de galáxias que formam a estrutura de grande escala (teia cósmica). Quanto mais galáxias e mais antigas elas são, melhor a medida, por isso, o que é feito é procurar as galáxias mais distantes, com redshift entre 0,3 e 1,1.

No artigo de hoje, vamos discutir a detecção de uma estrutura de BAO, chamada de Ho’oleilana que significa “Enviados murmúrios de despertar” do canto de criação havaiano Kumulipo: Ho’oleilei ka lana a ka Po uliuli, “Da escuridão profunda vieram murmúrios de despertar.”. A estrutura esférica fica próxima do superaglomerado do qual a Via Láctea faz parte, o Laniakea, e que por isso tem galáxias com redshift baixo, z~0,068.

Cosmicflows

Os dados usados para encontrar Ho’oleilana são do Cosmicflows-4, um conjunto de dados de galáxias de vários catálogos. Com tais dados, foi possível identificar o superaglomerado Laniakea onde moramos com mais de 100 mil galáxias. 

Para estimar o sinal de BAO, foi preciso uma sub-amostra do Cosmicflows-4 que continha dados e simulações necessárias para a análise. Os autores usaram os dados de velocidade peculiar do SDSS PV, que já tinham encontrado o sinal de forma tradicional.

Figura 1: Ho’oleilana em vermelho e demais dados do CosmicFlows-4 em cinza (figura 13 do artigo).

Contando pares de cascas esféricas

Diferente do método tradicional, foi preciso analisar se a estrutura era de fato uma frente de onda esférica de BAO ou não. Como não estamos olhando para a estrutura de grande escala com milhões de galáxias, é preciso contar pares de cascas esféricas a raios fixos de menores para maiores escalas, ou seja, como numa cebola. 

A contagem é a análoga ao método tradicional, neste caso eles obtiveram “correlações radiais” contando pares a raios fixos e comparando-os com uma distribuição aleatória de galáxias. Isso nos dá uma distribuição em função do raio que apresenta muitas galáxias se olhamos para raios relativamente pequenos e menos galáxias quanto maior esse raio. Porém, o sinal de BAO se apresenta como uma leve elevação da distribuição justo na escala esperada perto de 100 Mpc. Na Figura 2 vemos esse padrão, um excesso de correlação perto de 150 Mpc/h como esperado pela teoria.

Figura 2: Correlação radial. Em preto a contagem pelos dados, em vermelho o ajuste de modelo e em azul função sem a presença do BAO (figura 5 do artigo).

Estimando parâmetros cosmológicos

Os autores ajustaram os resultados das correlações radiais a um modelo que necessita de um modelo cosmológico. Eles analisaram dois resultados, um com a média de simulações e um com os dados reais. Ambos os casos concluíram que a constante de Hubble, uma medida da expansão do Universo, é maior que resultados a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, do inglês Cosmic Microwave Background).

A figura abaixo mostra essa relação, resultados da missão do satélite Planck na região em vermelho e dados de outros catálogos para redshift mais alto. O resultado dos dados puros, H0= 76,9-4,8+8,2 km/(s Mpc), estão em tensão com o esperado pelo Planck 18, mas concordam dentro de 1 sigma com resultados de distância de luminosidade a partir de escada cosmológica do SH0ES. Os dados de simulação H0=74,7-9,7+12,4 km/(s Mpc), em cinza, concordam com Planck 18, vide figura 3.

Figura 3: Resultados do parâmetro de Hubble em função do redshift. As regiões em vermelho são intervalos de confiança de 1 sigma e 2 sigma com o modelo fiducial do Planck 18. Em preto, temos o resultado do ajuste pelos dados e em cinza claro o resultado a partir de simulações. Os demais pontos são estimativas feitas da forma tradicional.
Vídeo mostrando Ho’oleilana em três dimensões e comparada com estruturas vizinhas.

Os resultados são robustos, mas os autores destacaram que com dados futuros como os do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) devem validar a existência de Ho’oleilana. Eles ainda concluem que, se confirmada a presença da estrutura, a alternativa seja buscar novos modelos de expansão do universo.

Astroponto original escrito por Paula Ferreira e editado por Ingrid Pelisoli.

Créditos da imagem de destaque: Ilustração de Ho’oleilana (Frédéric Durillon).

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