O quadro mais detalhado (até hoje) da história do universo em expansão

Montado no telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros do Observatório Nacional Kitt Peak do Fundo Nacional dos EUA, no Arizona, há um instrumento científico envolvido em um dos estudos mais importantes já realizados. É DESI, que significa Dark Energy Spectroscopic Instrument, e está conduzindo um estudo de cinco anos para criar o maior mapa 3D do universo já obtido.

O DESI, resultado de uma colaboração científica internacional de mais de 900 pesquisadores de mais de 70 instituições ao redor do mundo, é gerenciado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) do Departamento de Energia dos EUA. Desde que começou a explorar o céu em 2021, o instrumento observou 5.000 galáxias a cada 20 minutos, para um total de mais de 100.000 galáxias por noite.

Os astrônomos estão agora realizando uma análise inicial dos dados obtidos durante o primeiro ano de observação. Usando espectros de galáxias próximas e quasares distantes, os pesquisadores conseguiram medir a história de expansão do universo com uma precisão máxima de mais de um por cento.

Os resultados confirmam os fundamentos do modelo cosmológico padrão do universo e fornecem insights sem precedentes sobre a natureza da energia escura e seu impacto na estrutura em grande escala do universo.

Um fragmento de um mapa tridimensional de galáxias coletado durante o primeiro ano de operação do DESI. A Terra está na ponta, e as galáxias mais distantes estão localizadas a 11 bilhões de anos-luz de distância. Cada ponto representa uma galáxia. Esta versão do mapa DESI inclui 600.000 galáxias, menos de 0,1% do estudo total.

Mapeando o Universo, Galáxia por Galáxia

Para mapear o cosmos, o DESI coleta luz de milhões de galáxias em mais de um terço de todo o céu. Ao decompor a luz de cada galáxia no espectro de cores, o DESI pode determinar quanta luz foi deslocada pela expansão do universo nos bilhões de anos que viajou antes de chegar à Terra. Como regra geral, quanto maior o desvio para o vermelho, mais longe está a galáxia.

Equipado com 5.000 minúsculos robôs "peephole", o DESI é capaz de realizar essas medições a uma velocidade sem precedentes. Somente em seu primeiro ano, o DESI superou todos os estudos anteriores do tipo em quantidade e qualidade.

Os dados incrivelmente profundos e precisos coletados pelo DESI no primeiro ano permitiram aos astrônomos medir a taxa de expansão do universo até 11 bilhões de anos atrás, quando o cosmos tinha apenas um quarto de sua idade atual, usando uma característica da estrutura em grande escala do universo chamada oscilações acústicas de bárions (BAO).

Explorando a História do Espaço com a BAO

BAO é uma marca residual das ondas de pressão que permearam o universo primitivo quando ele não passava de uma sopa quente e densa de partículas subatômicas. À medida que o universo se expandia e esfriava, as ondas congelavam, congelando as ondulações e gerando as sementes de futuras galáxias nas regiões mais densas.

Esse padrão pode ser visto no mapa detalhado do DESI, que mostra filamentos de galáxias agrupados e separados por lacunas onde há menos objetos.

Ao fundo estão as galáxias mapeadas no primeiro ano do estudo DESI de cinco anos. A Terra está no centro dessa fina fatia do mapa completo. A seção ampliada mostra a estrutura profunda da matéria em nosso Universo.

A uma certa distância, os BAOs tornam-se demasiado fracos para serem detetados por galáxias comuns. Assim, os astrônomos observam o que é iluminado pelos núcleos galácticos conhecidos extremamente distantes e brilhantes chamados quasares. À medida que a luz dos quasares viaja pelo espaço, ela é absorvida por nuvens intergalácticas de gás, permitindo aos astrônomos mapear bolsões de matéria densa. Para implementar essa técnica, os pesquisadores usaram 450 mil quasares, o maior conjunto já montado para esse tipo de estudo.

Graças à capacidade única do DESI de mapear milhões de galáxias próximas e quasares distantes, os astrônomos podem medir a distribuição de ondulações em diferentes períodos da história cósmica para ver como a energia escura mudou de escala à medida que se expande.

Detalhando a história do espaço

Embora a história da expansão do universo possa ser mais complexa do que se pensava, a confirmação disso terá que esperar até a conclusão do projeto DESI. Até o final do estudo de cinco anos, o DESI planeja mapear mais de 3 milhões de quasares e 37 milhões de galáxias. À medida que novos dados se tornam disponíveis, os astrônomos refinarão seus resultados.

"Este projeto resolve algumas das maiores questões da astronomia, como a natureza da misteriosa energia escura que impulsiona a expansão do universo", diz Chris Davis, diretor do programa NOIRLab da NSF.

E enquanto o DESI continua a impressionar com seu desempenho, os cientistas já sabem que seus dados funcionarão em harmonia com futuras pesquisas do céu conduzidas pelo Observatório Vera K. Rubin e pelo Observatório Espacial Romano Nancy Grace. Atualmente, a colaboração do DESI está explorando as possibilidades de atualização do instrumento e planeja expandir seus estudos cosmológicos na segunda fase, o DESI-II.