Cientistas produzem mapa da matéria escura no Universo

De natureza desconhecida, matéria escura está sendo mapeada por pesquisadores em busca de explicações para a expansão do Universo

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O mapa já elaborado pelo Dark Energy Survey cobre cerca de 1/30 do céu e mostra a distribuição da matéria escura nessa região. As áreas mais vermelhas têm maior concentração de matéria escura do que a média, enquanto as áreas azuis têm menor – Imagem: Dark Energy Survey via Agência Fapesp

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A matéria conhecida (denominada “bariônica”) corresponde a apenas 5% do conteúdo do Universo. Outros 25% são constituídos pela desconhecida matéria escura. E 70%, pela ainda mais enigmática energia escura. Estas porcentagens arredondadas, que haviam sido estabelecidas por estudos anteriores, foram confirmadas agora, com notável convergência numérica, pelo Dark Energy Survey (DES).

Conduzido por uma colaboração internacional, o DES é um mapeamento do Universo em grande escala, que deverá rastrear uma área equivalente a um oitavo do céu (5 mil graus quadrados) e levantar dados sobre mais de 300 milhões de galáxias, 100 mil aglomerados e 2 mil estrelas supernovas, além de milhões de estrelas da Via Láctea e objetos do Sistema Solar.

Com a atividade iniciada em 2013 e prevista para prosseguir até 2018, a colaboração acaba de divulgar os dados sistematizados de seu primeiro ano de trabalho. O trabalho permitiu a elaboração de um mapa, com 26 milhões de galáxias, e apresenta a distribuição heterogênea da matéria escura em uma faixa de bilhões de anos-luz de extensão.

Outro destaque no material é que os dados do primeiro ano são consistentes com a interpretação mais simples acerca da natureza da energia escura. Segundo tal interpretação, esse misterioso ingrediente, que faz com que a expansão do Universo esteja sendo acelerada em vez de retardada, seria a energia do vácuo. E isso corresponderia à constante cosmológica, ou seja, a quantidade total dessa energia aumenta, em decorrência da própria expansão, mas sua densidade se mantém constante, no espaço e no tempo. A questão da natureza da energia escura, porém, permanece aberta.

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Brasil no DES

Liderado pelo Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), dos Estados Unidos, o DES reúne mais de 400 pesquisadores de vários países – entre eles, vários cientistas brasileiros. A participação brasileira, realizada por meio de um consórcio denominado DES-Brazil, é coordenada pelo Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA), com sede no Rio de Janeiro. O LIneA desenvolveu também um portal específico para o DES e coordena a participação brasileira no Large Synoptic Survey Telescope (LSST), que deverá suceder o DES e já está em construção no Chile.

No Estado de São Paulo, as pesquisas têm à frente Rogério Rosenfeld, ex-diretor do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp) e vice-coordenador do INCT do e-Universo, Marcos Lima, professor do Instituto de Física (IF) da USP, e Flavia Sobreira, professora do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), todos eles apoiados pela Fapesp.

De acordo com a pesquisadora Flavia Sobreira, o objetivo do DES é mapear 5 mil graus quadrados, um oitavo do céu observável. “No primeiro ano de atividade, foi mapeado 1/30 da área total. Registramos as formas das galáxias do catálogo e medimos as distorções nelas produzidas pelo campo gravitacional existente no espaço atravessado pela luz emitida por esses objetos. Como o campo gravitacional é causado por matéria, esse procedimento permitiu fazer um mapa da distribuição de matéria. E, subtraindo a matéria luminosa, chegar à distribuição de matéria escura na faixa observada”, sumariza.

A região mapeada pelo DES em seu primeiro ano de atividade foi a maior área contígua do céu já observada por um único levantamento. Para tanto, utilizou-se uma câmera digital de altíssima resolução, a Decam (Dark Energy Camera), de 570 megapixels, instalada no plano focal do telescópio de 4 metros de diâmetro do Observatório Internacional de Cerro Tololo, no Chile.

“Os milhões de galáxias foram fotografados usando cinco filtros diferentes, de modo a propiciar a medida de seu brilho em cinco janelas do espectro visível, cada qual definida por um intervalo de comprimentos de onda. Desse modo foi possível estimar seus redshifts”, acrescenta Rosenfeld.

Por meio do redshift – o desvio para o vermelho da luz emitida por uma fonte de luz , os astrônomos calculam as distâncias dos objetos observados. Para isso, recorrem principalmente à espectroscopia, isto é, à decomposição da luz no seu espectro de frequências. A espectroscopia permite determinar com muita exatidão o desvio das bandas do espectro para o vermelho. Porém torna-se praticamente inviável em um levantamento como o do DES, que envolve a observação de dezenas a centenas de milhões de galáxias. Embora não tenha a mesma acurácia da espectroscopia, a fotometria, isto é, a mensuração da intensidade da luz em diferentes filtros, constitui um método alternativo no caso. O que se perde em qualidade é largamente compensado pelo que se ganha em quantidade.

“Além disso, a fotometria informa não apenas o redshift e, portanto, a distância, da galáxia observada. Informa também o seu formato. E essa determinação do formato é muito importante, porque um dos efeitos da matéria no Universo é a criação de lentes gravitacionais, que distorcem ligeiramente a luz recebida de fontes distantes”, explica o cientista.  De acordo com Rosenfeld, o DES está fazendo o levantamento tanto da distribuição das galáxias quanto da ligeira distorção de suas formas, produzidas pelo chamado “lenteamento gravitacional fraco”. Por meio desse efeito, é possível mapear toda a matéria existente no espaço compreendido entre as fontes emissoras de luz e nós – tanto a matéria luminosa quanto a muito mais abundante matéria escura.
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A Decam (Dark Energy Camera), com 62 CCDs e 570 megapixels, instalada no plano focal do telescópio de 4 metros de diâmetro do Observatório Internacional de Cerro Tololo, no Chile – Foto: Divulgação / Agência Fapesp

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Evolução cósmica

Ainda que a natureza da matéria escura seja um ponto de interrogação, “existe quase que um consenso na comunidade científica de que se trata de um tipo diferente de partícula elementar, que não possui carga elétrica e, por isso, não interage com a radiação eletromagnética. Por não interagir com a luz, seria mais correto chamá-la de ‘transparente’, em vez de ‘escura’. O DES trabalha com a hipótese de que a matéria escura seja constituída por ‘partículas frias’ (cold dark matter). A palavra ‘frias’, no caso, significa apenas que essas partículas não teriam velocidades relativísticas (próximas à da luz). Mas existem outras hipóteses, como a das ‘partículas mornas’ (warm dark matter)”, destaca Rosenfeld.

Os dados sistematizados do primeiro ano do levantamento, agora divulgados pelo DES, permitiram determinar com bastante exatidão o porcentual de matéria escura, mas não sua natureza. “O motivo é que a natureza da matéria escura, que se manifesta na intensidade de suas autointerações e na massa de suas partículas, teria efeito em escalas menores. Chegar a algum resultado conclusivo com um estudo em grande escala é extremamente complicado”, pondera Marcos Lima. “O que o levantamento já mostrou, isto sim, foi que os dados são consistentes com o modelo mais simples de energia escura. E esta é uma questão que talvez venha a ser inteiramente resolvida pelo DES”, continua o professor.

“A expectativa agora é vincular também uma outra propriedade da energia escura, que é sua equação de estado, definida como a razão entre sua pressão e sua densidade. Com medidas precisas tanto da densidade quanto da equação de estado da energia escura, será possível inferir, também, a natureza desse componente. Porque diferentes modelos acerca da natureza da energia escura levam a diferentes predições numéricas dos seus efeitos na expansão e na formação de estruturas”, explica Lima.

Para os cientistas, a energia escura não é a única explicação possível para a aceleração da expansão do Universo. Uma outra possibilidade é que o próprio entendimento da gravitação tenha que ser alterado. “Assim como Einstein generalizou a teoria gravitacional de Newton, discute-se agora se não seria necessário generalizar a teoria de Einstein e ir além da relatividade geral, rumo às chamadas ‘teorias de gravidade modificadas’. Essas duas explicações, energia escura e gravidade modificada, fazem predições muito diferentes sobre como o Universo se expande e, principalmente, sobre como as perturbações crescem nesse Universo em expansão”, salienta Lima. Os dados já divulgados são consistentes com a interpretação da energia escura como constante cosmológica, que é o modelo mais simples de todos. “Mas outras possibilidades não estão excluídas”, finaliza.

Adaptado de Estudo produz o mapa mais preciso da distribuição da matéria escura no Universo, de José Tadeu Arantes / Agência Fapesp

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