O instrumento DESI realizou o maior mapa 3D do nosso Universo até hoje. Esta seção mostra as galáxias mapeadas durante o primeiro ano do estudo quinquenal do DESI. A Terra está no centro desta fina seção do mapa completo. Na seção ampliada, é fácil ver a estrutura subjacente da matéria em nosso Universo.
Os seus resultados confirmam a validade da teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral, em escalas cosmológicas.
A gravidade moldou o nosso cosmos e, sob o efeito de sua força atrativa, pequenas diferenças de densidade na distribuição da matéria no Universo primitivo evoluíram para formar as galáxias e as grandes estruturas cósmicas que observamos atualmente.
Um novo estudo utilizando os dados do “Dark Energy Spectroscopic Instrument” (DESI, o instrumento espectroscópico da energia escura) reconstruiu a maneira como essas estruturas se desenvolveram ao longo dos últimos 11 bilhões de anos, fornecendo assim o teste mais preciso até hoje da gravidade em escalas extremamente amplas.
Este novo estudo da colaboração é apresentado em diversos artigos publicados no repositório online arXiv e apresentados aqui. Ele tem como objetivo testar a validade da teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral, em escalas cosmológicas, onde modificações foram propostas como alternativas à energia escura para explicar a aceleração da expansão do Universo.
A colaboração internacional DESI, que reúne mais de 900 investigadores de mais de 70 instituições ao redor do mundo, é gerenciada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
Neste vídeo em 360 graus, embarque em um voo interativo através de milhões de galáxias, mapeadas com os dados de observação do DESI.
Crédito: Fiske Planetarium, CU Boulder e colaboração DESI.
Crédito: Fiske Planetarium, CU Boulder e colaboração DESI.
Assim, o mecanismo por trás dessa expansão acelerada é estudado com duas abordagens. A primeira consiste em supor a existência de um novo componente no Universo, a energia escura, cujas propriedades se deseja determinar, em particular se elas evoluem com o tempo ou permanecem constantes. A segunda abordagem propõe modelos de gravidade modificada em relação à relatividade geral para explicar a aceleração da expansão do Universo sem depender da energia escura.
Neste novo estudo, co-liderado por Pauline Zarrouk, cosmologista do CNRS no Laboratório de Física Nuclear e Altas Energias (LPNHE), os pesquisadores da colaboração DESI observaram que a gravidade se comporta conforme a teoria da relatividade geral de Einstein.
Este resultado, portanto, valida o modelo de referência do Universo e limita as possíveis extensões da teoria da relatividade geral. “A relatividade geral foi amplamente e precisamente testada na escala dos sistemas estelares, mas também era necessário verificar se nossa hipótese funciona em escalas muito maiores”, explica Pauline Zarrouk. “A medição estatística das velocidades das galáxias ao longo da história do Universo nos permite testar diretamente a teoria da gravidade.
É a primeira vez que realizamos essa nova análise complexa com o DESI para reconstituir a história do crescimento das estruturas cósmicas. Nossos resultados mostram que, até agora, estamos em conformidade com o que a relatividade geral prediz em escalas cosmológicas.”
Esta simulação mostra como a gravidade afeta a posição das galáxias observadas, alterando a maneira como a matéria se aglomera para formar as estruturas cósmicas. Como diferentes modelos de gravidade preveem formações diferentes das estruturas, os cientistas do DESI podem comparar as observações com as previsões e, assim, testar a gravidade em escalas cósmicas.
Crédito: Claire Lamman e Michael Rashkovetskyi / colaboração DESI.
Crédito: Claire Lamman e Michael Rashkovetskyi / colaboração DESI.
Os resultados publicados constituem uma análise detalhada dos dados do primeiro ano do DESI, que permitiram em abril criar o maior mapa 3D do Universo já feito até então e revelar indícios de uma possível evolução da energia escura ao longo do tempo. Os resultados de abril focavam em uma característica específica na distribuição espacial das galáxias, conhecida como oscilações acústicas de bárions (BAOs).
A nova análise amplia o escopo para extrair mais informações dos dados, medindo como as galáxias e a matéria estão distribuídas em diferentes escalas no espaço. O estudo exigiu meses adicionais de trabalho e verificações cruzadas. Assim como o estudo anterior, ele utilizou uma técnica que ocultava o resultado dos cientistas até o fim, para evitar qualquer viés inconsciente nas análises.
A análise complexa cobriu cerca de 6 milhões de galáxias e quasares localizados entre 1 e 11 bilhões de anos-luz da Terra. Com apenas um ano de dados, o DESI realizou a medição global mais precisa do crescimento das estruturas cósmicas, superando esforços anteriores que levaram décadas.
“Graças a essa abundância de dados e à melhoria de nossas análises, os resultados obtidos com este primeiro ano de dados são espetaculares,” declarou Arnaud de Mattia, cosmologista do CEA Paris-Saclay e co-responsável pelo grupo DESI encarregado de interpretar os dados cosmológicos. “Estamos testando com uma precisão inigualável o efeito da energia escura e a relatividade geral em escalas cósmicas.”
Esta figura mostra as medições do crescimento das estruturas cósmicas em função do deslocamento espectral, obtidas com os dados do DESI coletados durante seu primeiro ano. A linha preta tracejada mostra a previsão da relatividade geral e as outras linhas coloridas representam modificações da relatividade geral com gravidade mais ou menos forte em relação à relatividade geral.
Crédito: Héctor Gil-Marin e Pauline Zarrouk / colaboração DESI.
O estudo também forneceu novos limites superiores para a massa dos neutrinos, as únicas partículas fundamentais cuja massa ainda não foi medida com precisão. As experiências de física de partículas sobre neutrinos mostram que a soma das massas dos três tipos de neutrinos deve estar entre 0,06 eV/c2 e 1,35 eV/c2 (aproximadamente um milhão de vezes mais leve que um elétron). No modelo cosmológico padrão onde a energia escura é descrita por uma constante cosmológica, os resultados do DESI indicam que essa soma deveria ser inferior a 0,07 eV/c2 (com 95% de probabilidade), deixando assim uma margem reduzida para as massas dos neutrinos.
“No entanto, os resultados do DESI também podem ser interpretados em um modelo cosmológico onde a energia escura pode variar ao longo do tempo, como sugerem observações recentes,” explica Etienne Burtin, físico do CEA Paris-Saclay que co-liderou o grupo de análise de dados do DESI. “Nesse contexto, o limite superior obtido, 0,19 eV/c2, é certamente mais elevado, mas depende muito menos do modelo cosmológico utilizado e ainda é mais restritivo do que as experiências de física de partículas.”
O DESI é uma ferramenta de ponta que pode capturar a luz de 5.000 galáxias simultaneamente. Ele foi construído e é operado com o financiamento do Office of Science do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE). Está instalado no topo do telescópio de 4 metros Nicholas U. Mayall da National Science Foundation (NSF) no Observatório Nacional de Kitt Peak. A experiência está em seu quarto ano de um levantamento de céu planejado para cinco anos e espera coletar cerca de 40 milhões de galáxias e quasares até ao final do projeto.
A colaboração DESI continua suas observações e atualmente analisa os dados dos primeiros três anos. Ela planeja apresentar medições ainda mais precisas da história da expansão do Universo e suas implicações sobre a natureza da energia escura na primavera de 2025.
As instituições francesas que contribuem para o programa DESI são o Instituto de Pesquisa sobre as Leis Fundamentais do Universo (Irfu, CEA-Paris Saclay), o Laboratório de Física Nuclear e Altas Energias (LPNHE, CNRS/Sorbonne Université/Université Paris Cité), o Centro de Física de Partículas de Marselha (CPPM, CNRS/Aix-Marseille Université) e o Laboratório de Astrofísica de Marselha (LAM, CNRS/Aix-Marseille Université/CNES).
O DESI é apoiado pelo Office of Sciences do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) e pelo National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um centro de computação do DOE Office of Science. O projeto também conta com o apoio da National Science Foundation dos EUA, do Science and Technologies Facilities Council do Reino Unido, da Gordon and Betty Moore Foundation, da Heising-Simons Foundation, do Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) da França, do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia do México, do Ministério da Economia da Espanha, bem como das instituições membros do DESI.
A colaboração DESI tem a honra de realizar investigação científica no oligam Du'ag (Kitt Peak), uma montanha de grande importância cultural para a nação Tohono O'odham.