Cercado por forças e energias ocultas aos olhos mas que trabalham ativamente no cosmos, um fogo arde… fervendo uma sopa.
A história de expansão do Universo é dominada pela matéria escura e energia escura. Entretanto, são os elementos na tabela periódica que nos permitem estudar e compreender essa história. Nesse artigo damos um gostinho de como a sopa cósmica de elementos surgiu.
Quase todos os elementos apareceram dentro dos primeiros 30 minutos após o Big Bang. O caldo resultante era um pouco “insosso”: 9 núcleos de hidrogênio (um próton) para um núcleo de hélio (dois prótons) e quase mais nada do resto. Você teria que caçar muito, através de bilhões de núcleos, para encontrar um delicioso “naco” de lítio (três prótons).
Felizmente, ao longo dos últimos 13,7 bilhões de anos, a sopa cósmica levou um pouco mais de tempero. A fusão nuclear – tão inatingível na Terra – é corriqueira nas estrelas: temos que agradecer à fusão nuclear pelo carbono em nossas células, pelo ferro em nosso sangue.
O sabor, densidade e temperatura da sopa de elementos varia bastante. Veja o nosso sistema Solar por exemplo: das pressões e temperaturas extremas no núcleo do Sol, ao frio e o vazio do espaço que cerca os planetas. Essas variações se repetem por toda a Via-Láctea e em todas as outras galáxias no universo também.
Esses três conceitos – que todos os elementos se formaram logo após o Big Bang; que uma pequena quantidade de elementos pesados foi adicionada deste então; e que os elementos são distribuídos de forma heterogênea – são de grande utilidade para o Dark Energy Survey.
Veja por exemplo os aglomerados de galáxias, como os que estão no video acima (e descrito em detalhes mais tarde). Essas estruturas são tão grandes que podem ser consideradas mini Universos. Aglomerados contem várias dezenas de galáxias, às vezes até centenas. No espaço entre as galáxias habita uma tênue neblina de gás.
Tanto o gás quanto as galáxias estão presas dentro das fronteiras do aglomerado pela matéria escura. A matéria escura atua como a tampa em uma panela, assim como a tampa impede que a água na panela evapore toda rapidamente, a matéria escura impede as galáxias – as quais estão se movendo a milhões de quilômetros por hora – de fugir. Entretanto, nas bordas dos maiores aglomerados, a energia escura compete com a gravidade e as galáxias começam a escapar. É essa interação entre gravidade e energia escura que faz com que aglomerados de galáxias sejam tão úteis para estudos cosmológicos.
As partículas do gás em aglomerados são tão quentes que elétrons (carga negativa) e núcleos (carga positiva) são separados um do outro (opostos se atraem) – essa forma de gás é conhecida como plasma. O plasma brilha intensamente na parte do espectro eletromagnético conhecida como raio-X e pode ser detectada por satélites como XMM-Newton e Chandra. Esse plasma também produz uma sombra sobre a Radiação Cósmica de Fundo (um pulso de luz emitido por todo o Universo uns cem mil anos após o Big Bang), o que significa que ele também pode ser detectado em radio-telescópios tais como o South Pole Telescope.
Diferentemente do gás, os elementos presos em estrelas são mais frios, e em densidades muito maiores, emitem luz visível. A luz das estrelas permite que o Dark Energy Survey não apenas detecte milhares de aglomerados, mas também meça suas distâncias (através de uma técnica conhecida como “desvio para o vermelho fotométrico”), e faça uma primeira estimativa de suas massas. Essas massas precisam ser refinadas antes de serem usadas em estudos cosmológicos, e observações do plasma feitas por telescópios no raio-X e rádio são fundamentais para isso.
No vídeo acima mostramos alguns exemplos das centenas de aglomerados do Dark Energy Survey que também foram observados pelo levantamento XMM-Newton Cluster Survey. A intensidade da emissão em raio-X vinda do plasma quente é indicada pelos contornos vermelhos. Especialistas em raio-X estão trabalhando com esses dois conjuntos de dados para calibrar as massas dos aglomerados do Dark Energy Survey.
Finalmente… porque “para a alma”? Bom, “alma” pode ser um sinônimo de “quintessência”, e a Quintessência foi um termo adotado por muitos cosmólogos para descrever genericamente teorias que permitem que as propriedades da Energia Escura varie com o tempo.
Créditos da Imagem: Det.’s Phil Rooney [Universidade de Sussex] e Chris Miller [Universidade de Michigan]
Oculto sob um mar de luz, um padrão complexo sussurra e muda lentamente. Este é composto de forças cósmicas praticamente invisíveis. Nesse espaço que separa amontoados de galáxias jaz um espaço vazio e árido. Contudo, enquanto cada galáxia, com seus bilhões de estrelas, tem uma história única de nascimento e evolução, devemos tomar cuidado para não deixar de ver a floresta por conta das árvores. Tomado como um todo, o padrão de aglomerados e vazios em nossos mapas de galáxias podem nos dizer muito sobre as forças escuras que dão forma a nosso universo.
Levantamento Digital do Céu Sloan (Sloan Digital Sky Survey): Mapa de Galáxias Mapa de galáxias pelo SDSS que alcança até 2 bilhões de anos-luz. Pontos vermelhos e verdes indicam a posição de galáxias, onde pontos vermelhos indicam uma maior densidade de galáxias. Áreas totalmente pretas são partes do céu que são inacessíveis ao levantamento. (Veja também o vôo através do SDSS.)
Olhando a imagem da Camera da Energia Escura (Dark Energy Camera, acima), podemos ver um monte de objetos celestes, incluindo manchas de diferentes cores: azul, vermelho, e amarelo, muitas das quais são galáxias distantes. Pode parecer que elas estão distribuídas aleatoriamente no cosmo. Entretanto, astrônomos mapeando a posição de galáxias espalhadas ao longo de grandes distâncias verificaram que elas estão organizadas em estruturas, em padrões cósmicos que atravessam trechos do tempo e espaço muito maior do que o visto nessa imagem. A figura à direita, do Sloan Digital Sky Survey, mostra um mapa com milhões de galáxias. Essas galáxias parecem se aglomerar em nós e filamentos (áreas com muitas galáxias), deixando para trás espaços vazios (regiões com menos galáxias ou nenhuma galáxia). Algumas das estruturas filamentares se estendem por bilhões de anos-luz – 60 trilhões de vezes a distância entre a Terra e o Sol.
Como qualquer bom detetive, não podemos ignorar um padrão. Como galáxias, separadas por bilhões de anos-luz, se distribuem nessa grande estrutura cósmica que vemos hoje? Parece que o “chefe” dessa operação cósmica é um conhecido amigo (e inimigo) dos terráqueos: a força da gravidade.
Usando simulações feitas em computadores, astrônomos são capazes de investigar como a gravidade atua em tantas galáxias separadas por distâncias tão grandes. A Simulação Millenium, e outras como ela, mostram que uma distribuição inicial quase aleatória de matéria vai naturalmente se concentrar em filamentos e vazios através da atuação da força da gravidade. Quando comparamos estatisticamente os resultados das simulações com nossos dados (observações de muitas galáxias), os padrão encontrados são os mesmos: a influência da gravidade universo afora produziu essa grande estrutura filamentar, a qual é chamada, “A Teia Cósmica”.
Simulação Millenium: áreas mais brilhantes representam maiores concentrações de matéria e galáxias. (Voe através dessa simulação nesse vídeo)
Mas qual é a importância disso para detetives trabalhando no Dark Energy Survey? Bom, ao que tudo indica, a força da gravidade tem um arqui-inimigo em seu objetivo de criar uma grande teia que atravessa todo o universo: a energia escura, uma força invisível que causa a expansão acelerada do espaço por todo o universo. Quanto mais rápido o espaço se expande e acelera, maior as distâncias que galáxias tem que viajar para formar filamentos e aglomerados. Se existe mais energia escura, a gravidade precisa de mais tempo para juntar galáxias, e a estrutura em forma de teia leva mais tempo para se formar. Se não existe energia escura, a teia é feita rapidamente. Ao estudar a velocidade com que a teia cósmica é construída ao longo do tempo, podemos revelar o quão forte foi a energia escura e se ela está ficando mais forte ou mais fraca.
A batalha entre gravidade e energia escura, contada através da evolução de estruturas na teia cósmica, é chave para estudar a energia escura. De fato, a teia cósmica é especialmente importante para responder uma pergunta bem específica: será que existe mesmo a energia escura?!?
A maioria dos astrônomos concorda que existe um grande número de evidências da expansão acelerada do universo. Por diversas razões, a fonte mais aceitável dessa aceleração é algum tipo de nova força ou de outra forma, de uma energia oculta, “escura”. Mas a principal teoria alternativa é a mudança das leis da gravidade (especificamente, das leis da Teoria da Relatividade Geral de Einstein). Já que físicos e astrônomos testaram exaustivamente as leis de Einstein na Terra, no Sistema Solar, e em galáxias, essa mudança só se manifestaria em escalas maiores. Isso poderia estar causando a aparente aceleração cósmica, de tal forma que não existiria realmente uma energia escura.
Essa segunda hipótese rescreveria nossos arquivos sobre a teia cósmica. Talvez ao invés de uma luta contra a energia escura, a gravidade não tenha o mesmo efeito previsto quando observada ao longo de bilhões de anos-luz. Medidas dessa teia, em conjunto com outras da aceleração cósmica, são fundamentais para nos dizer se nosso universo é um campo de batalha para a energia escura e a gravidade, ou se a gravidade é simplesmente diferente do que pensávamos anteriormente. Seja qual for a conclusão (e quem sabe até uma mais estranha ainda) ela significa uma profunda revisão de nosso entendimento do funcionamento do universo.
A medida que o Dark Energy Survey coleciona mais e mais belas imagens de centenas de milhões de galáxias ao longo de seus cinco anos de duração, nossos detetives vão analisar cuidadosamente suas posições, traçando a teia cósmica, na esperança de identificar que forças estão trabalhando na escuridão.
É incrível admirar as belas imagens feitas pela Camera da Energia Escura (DECam) no telescópio Blanco. A imagem acima mostra um aglomerado de galáxias superposto a um pano de fundo formado por galáxias ainda mais distantes. Para investigar os mistérios da expansão acelerada do universo, cientistas do Dark Energy Survey (DES) precisam ir além – é necessário desenvolver um censo completo do conteúdo do universo: quantas estrelas e galáxias existem num dado pedaço de tecido do espaço-tempo.
Um passo crítico é a criação de uma lista exata e detalhada de objetos celestes observados: o que astrofísicos e astrônomos chamam de “catálogos”. Os tipos de informação mais comuns nesses catálogos são posição e brilho: esse é o conteúdo mínimo de informação necessário para determinarmos onde a galáxia reside e o quanto ela brilha.
Com os dedicados cientistas do time de gerenciamento de dados e computadores poderosos no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação (NCSdA), o DES desenvolveu novos algoritmos e processos para extrair objetos de nossas imagens de forma eficiente.
Entretanto, existe um limite para o que podemos fazer. Por exemplo, um objeto muito distante pode ser pequeno e brilhar fracamente – tão fracamente que se confunde com o próprio céu e é perdido durante o processo de criação do catálogo. Em alguns casos, não é nem mesmo possível discernir um objeto fraco do céu ruidoso. Além disso, nem todo objeto astronômico é “passível” de ser catalogado: pois pode estar mesclado a um outro objeto. Por exemplo, próximo ao centro da imagem acima existe uma galáxia grande e brilhante com vário vizinhos menores que ela. Discernir todos os objetos nessa imagem tem uma dificuldade similar a de se encontrar uma mosca na foto de um elefante.
Ademais, esses objetos não se escondem apenas dos olhos, mas também dos computadores e seus algoritmos quando o céu está cheio deles: descobrir e medir as propriedades de um pequeno objeto se torna tão difícil quanto encontrar o Wally numa praia lotada!
DES produz imagens mais detalhadas que projetos anteriores, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dessa forma, somos mais incomodados por esse problema de fontes “mescladas”. Nos deparamos com uma rede mais emaranhada. Para solucionar esse caso, um grupo de cientistas do DES empregou um algoritmo de restauração de imagens, derivado de um trabalho feito por cientistas da área de visão computacional. Esse algoritmo elimina com êxito o impacto de vizinhos próximos quando se cataloga esses objetos “escondidos”. Ao aplicar em imagens do DES, eles foram capazes de encontrar muitos “Wallys” e adicioná-los aos catálogos do DES.
Para uma descrição mais detalhada do método, você pode achar uma prévia do artigo aqui: http://arxiv.org/abs/1409.2885.