Caçando a Energia Escura

Via EurekAlert:
DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory
BOSS: The Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Pesquisa Espectrocópica de Oscilação de Bárions)
Uma maneira original para medir a energia escura com galáxias e quasares



O telescópio Sloan Digital Sky Survey’s de 2,5m no Observatóroio de Apache Point, Novo Mexico.
Crédito: Sloan Digital Sky Survey, Astrophysical Research Consortium


A Pesquisa Sloan Digital do Céu (Sloan Digital Sky Survey = SDSS) usa um telescópio de 2,5m com um campo de visão mais largo do que qualquer outro grande telescópio, localizado no topo de uma montanha no Novo México chamada Apache Point e inteiramente devotado a mapear o universo. Agora sabemos que uns três quartos do universo são constituídos de energia escura, cuja própria existência era totalmente insuspeita quando foi iniciada a construção do telescópio em 1994 e ainda era controversa quando a primeira pesquisa Sloan começou em 2000.
A investigação da energia escura, desde então, se tornou uma das  tarefas mais cruciais do SDSS. O programa de mapeamento SDSS-III, o terceiro maior deles, começou no verão de 2008, sendo o maior de seus componentes uma sonda de energia escura chamada BOSS, acrônimo de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey.
O astrofísico David Schlegel, membro da Divisão de Física do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do Departamento de Energia dos EUA, desde 2004,  é o investigador principal do BOSS; anteriormente da Universidade Princeton, Schlegel faz parte da equipe do SDSS desde seu início.
“Para dizer a verdade, na primeira vez que eu ouvi falar de energia escura, eu fiquei cético”, disse Schlegel.
Os indícios vieram de estudos, cujo pioneiro foi o Supernova Cosmology Project com base no Laboratório Berkeley, comparando o brilho e o desvio para o vermelho (redshift) de distantes supernovas do Tipo Ia.  Os resultados mostraram que a expansão do universo estava se acelerando, impulsionada por alguma coisa que, por ser desconhecida, logo foi rotulada como energia escura.
Schlegel logo mudou seu ponto de vista e imediatamente percebeu que o telescópio Sloan, “que tem um campo de visão enorme”, poderia ser usado para um tipo diferente de medição de energia escura, um totalmente independente do estudo das supernovas. A oscilação acústica dos bárions é um nome de fantasia para a maneira pela qual as galáxias se distribuem; sua densidade varia de modo regular, com elas se agrupando aproximadamente a cada 500 milhões de anos-luz, o que fornece uma “régua graduada” natural para medir o quanto o universo se expandiu desde o início de sua história.
No entanto,  para usar uma régua de 500 milhões de anos-luz, se deve ter ao menos alguns bilhões de anos-luz para medir. O telescópio Sloan foi especialmente projetado para observar um enorme volume de espaço como esse.



As anisotropias no fundo cósmico de microondas, originadas quando o universo tinha menos de 400.000 anos de idade, são diretamente relacionadas com as variações nas densidades das galáxias que observamos hoje.
Crédito: NERSC, Berkeley Cosmology Group


A distribuição da massa visível no universo

“Bárion” (o que significa prótons e nêutrons e outras partículas relativamente massivas) é uma “abreviatura” para “matéria comum”. Durante quase todos os primeiros 400.000 anos, o universo era tão denso que as partículas de matéria ficavam completamente entrelaçadas com partículas de luz (fótons), tornando o todo uma espécie de enorme e trêmula bolha, onde as variações de densidade causavam ondas de som (ondas de pressão) que se moviam esfericamente para fora a uma velocidade de metade da velocidade da luz.
De repente, o universo em expansão se resfriou o suficiente para que a luz e a matéria se “desacoplassem”. Os fótons partiram através do universo transparente, sem nada que os detivesse; a velocidade do som despencou. O que tinham sido variações de densidade no universo líquido deixou dois tipos de marcas no céu, agora transparente.
As variações na temperatura da radiação que preenchia o universo jovem, nos aparecem hoje como as anisotropias do Fundo Cósmico de Microondas (cosmic microwave background  = CMB). As variações  na densidade da matéria persistem nas formas dos aglomerados de galáxias, como oscilações acústicas dos bárions (baryon acoustic oscillations  = BAO). As duas escalas, a anisotropia de aproximadamente um grau do CMB e o agrupamento de 500 milhões de anos-luz da BAO, são intimamente ligados; a “régua padrão” para o universo medida pela BAO pode ser aferida a partir do CMB para qualquer estágio posterior ao desacoplamento.
Schlegel e seu colega Nikhil Padmanabhan, que veio para o Laboratório Berkeley de Princeton no fim de 2006, usaram inicialmente o telescópio SDSS para completar o maior mapa tridimensional do universo até então: 8.000 graus quadrados de céu, até uma distância de 5,6 bilhões de anos-luz, estabelecendo a aglomeração de 60.000 galáxias vermelhas luminosas. Esse programa, parte do SDSS-II, mediu as distâncias galáticas até um redshift de z = 0,35 e detectou a escala de 500 milhões de anos-luz para a BAO.
“Nós ficamos particularmente excitados pelo fato de podermos fazer essa medição”, declara Schlegel. “Nós provamos que existe uma “régua” que podemos usar”.
“Com o BOSS, nós vamos passar de ter uma medição qualquer, para ter uma medição muito mais precisa que podemos usar para estabelecer os limites da energia escura”, declara Padmanabhan.
O BOSS vai dobrar o volume de espaço no qual as galáxias luminosas vermelhas serão estudadas, observando 10.000 graus quadrados de céu, até redshifts de z = 0,7; a amostra de galáxias vai subir de 60.000 para 1,5 milhões. O BOSS também vai incluir um novo tipo de objeto, medindo até 200.000 quasares em redshifts mais extremos de z = 2 ou mais.



David Schlegel, principal investigador do BOSS, exibe uma das várias placas que serrão usadas para mapear e selecionar centenas de galáxias a cada exposição. A luz de cada galáxia entra por um orifício na placa e é levada por uma fibra óptica individual para a câmera CCD.
Crédito: Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory


“A época dos quasares mais comuns fica entre os redshifts 2 a 3″, diz Schlege, “Exatamente o suficiente para que ainda possamos vê-los nas faixas ópticas do azul e ultravioleta; nesse respeito, a natureza foi gentil conosco. O BOSS vai procurar primeiro a energia escura nesses redshifts. Só umas poucas supernovas do tipo Ia foram encontradas além do redshift 1″.
Galáxias e quasares dão diferentes meios de medir a expansão do universo usando a oscilação acústica de bárions. O ângulo de separação entre as galáxias pelo céu e a distância de sua separação ao longo da linha de visada (em diferentes redshifts) mostram o quanto a régua cósmica da BAO mudou desde que os bárions e os fótons se desacoplaram.
“No momento do desacoplamento, as oscilações dos bárions se congelaram”, diz Padmanabhan. “Um teste de geometria realmente simples nos mostra o quanto a escala se expandiu – e acelerou – desde que as oscilações foram congeladas”.
Os quasares permitem a visão de um tipo de oscilação de bárions, diferente da distribuição das galáxias, o da densidade variável do gás no universo, que pode ser sondada em centenas de pontos ao longo da linha de visada de cada quasar.
O espectro medido de um quasar individual é condicionado pela absorção de sua luz pelas nuvens de hidrogênio, entre o quasar e o observador. “Se o universo estivesse vazio, o espectro não teria quaisquer características”, diz  Schlegel. “Nós estamos usando os quasares como uma luz de fundo para medir a absorção pelo hidrogênio”.
E porque o CMB trava com precisão o valor da BAO no momento do desacoplamento – equivalente  a um redshift z = 1,089 – ele amplifica grandemente a precisão das oscilações acústicas de bárions em épocas mais recentes e com menores redshifts. Padmanabham diz que ” O BOSS vai ficar dentro de um fator de 2 do melhor mapeamento possível da BAO no universo”.
Schlegel acrescenta, “Ninguém vai repetir essa experiência”.
O que será necessário

Mesmo sendo o telescópio Sloan tão bom, o BOSS vai precisar de alguns melhoramentos importantes nos instrumentos, que serão realizados sob a direção da física do Laboratório Berkeley Natalie Roe. A primeira tarefa é aumentar o número de objetos que podem ser medidos a cada exposição.
Os objetos a serem incluídos na pesquisa (galáxias ou quasares) são inicialmente escolhidos e localizados a partir de fotos anteriores. Então se faz uma perfuração em uma placa, uma máscara para reduzir a luz ambiente. Em cada perfuração é ligada uma fibra óptica para levar a luz do objeto diretamente para as CCDs. O diâmetro, separação e outras características das fibras impõem um limite no número de quantas podem ser utilizadas ao mesmo tempo. No presente, este limite é de 640; o BOSS vai aumentar esse número para 1.000 fibras com meios ópticos melhores, permitindo ver mais objetos e menos “ruído” dos céus a cada exposição.
Maiores redshifts requerem CCDs com maior sensibilidade ao espectro na faixa do vermelho e infravermenlho próximo. O CCD de alta resistência do Laboratório Berkeley Lab, descendente dos detectores de silício usados na física de altas energias, é particularmente adequado a esse propósito e também será usado no proposto satélite SuperNova/Acceleration Probe (SNAP) do Laboratório, que inspirou e é o principal contendor para a Missão Conjunta da NASA/DOE Joint Dark Energy Mission (JDEM). O SNAP vai estudar tanto as supernovas como o “lenseamento fraco” (uma terceira abordagem para a medição da energia escura). O BOSS utilizará os mesmos CCDs de grande rusticidade e altamente sensíveis ao vermelho para estudar as galáxias vermelhas luminosas.
BAO  e as supernovas são duas abordagens altamente complementares às questões em aberto quanto à  energia escura  – por exemplo, se a energia escura tem um valor constante ou variável ao longo do tempo, ou mesmo se ela pode ser uma mera ilusão, sendo seu efeito mais óbvio, a aceleração da expansão do universo, o resultado de alguma falha despercebida da Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Embora os estudos da BAO e das supernovas serem ambos puramente geométricos, eles são independentes.
Para estudar a expansão usando as distantes supernovas Tipo Ia, os cientistas têm que estabelecer seu brilho, comparado com outras Tipo Ias “nas proximidades”. O estudo da oscilação dos bárions fazem quase que o contrário, medindo a expansão do universo mediante a calibragem da “régua cósmica” da BAO, visível em objetos relativamente próximos, comparando com a escala que foi congelada quando o universo tinha menos de 400.000 anos de idade. O BOSS será capaz de estabelecer a BAO com uma precisão de 1%, uma das medições mais precisas o possível da expansão do universo.

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Além dos cientistas do Laboratório Berkeley,  Schlegel, Padmanabhan, Roe e o pesquisador Martin White do Lawrence Berkeley National Laboratory e da Universidade da Califórnia em Berkeley, a equipe do BOSS inclui Daniel Eisenstein da Universidade do Arizona e Daniel Weinberg da Universidade do Estado de Ohio.
O BOSS é apoiado pela Fundação Sloan Foundation, e por mais de 20 instituições que são membros participantes da Sloan Digital Sky Survey, gerenciada pelo Astrophysical Research Consortium e pelos U.S. Department of Energy e National Science Foundation.
O Laboratório Berkeley é um laboiratório nacional do U.S. Department of Energy, localizado em Berkeley, Califórnia. Ele realiza pesquisas científicas não sigilosas e é gerenciado pela Universidade da Califórnia. Visite o website em http://www.lbl.gov.

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