Sondando a expansão do universo

Inside Science News Service

Link para o original: Astrophysics Probe Expansion Of The Universe

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Galáxias distorcidas por lentes gravitacionais aparecem nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble. Crédito da Imagem: NASA/ESA

Imagens de galáxias distorcidas são um novo recurso para o estudo da matéria escura e da energia escura.

25 de abril de 2015.
Autor: Ramin Skibba, Contribuidor do ISNS.

(Inside Science) – O universo é cheio de galáxias, mas a gravidade distorce as imagens que obtemos delas. Os astrofísicos da Dark Energy Survey criaram catálogos gigantescos dos formatos distorcidos de 24 milhões de galáxias distantes, tornando possível uma sondagem da estrutura subjacente do universo em rápida expansão.

Os cientistas da Dark Energy Survey investigaram a “rede cósmica” de galáxias no mínimo tão grandes quanto a Via Láctea — assim como os aglomerados ocultos de matéria escura. Suas descobertas foram apresentadas no encontro de 17 de abril da American Physical Society em Salt Lake City.

A matéria escura não pode ser vista diretamente, entretanto, tal como um animal pode inferir a existência de um predador ao ver sua sombra, os astrofísicos inferem a distribuição da matéria escura pela detecção de seus efeitos gravitacionais. Segundo a Teoria da Relatividade de Einstein, um objeto massivo pode distorcer a tessitura do espaço-tempo, desviando a trajetória dos raios de luz que emanam de galáxias no fundo, apliando e distorcendo as imagens.

Existe entre cinco e seis vezes mais matéria escura do que matéria comum que inclui galáxias, estrelas, nebulosas e planetas. Porém, uma rede de aglomerados de matéria escura preenche o universo, o que faz com que, se olharmos para longe o bastante, poderemos observar suas “lentes cósmicas” em qualquer direção. O efeito dessas lentes é extremamente pequeno, mas colete-se um número suficiente de imagens e os cientistas serão capazes de realizar estudos estatísticos sobre elas. Os astronomos da DES acabam de fazer exatamente isto. Eles bisbilhotaram milhões de gigabytes de dados e produziram um mapa preliminar da localização de 24 milhões de galáxias, indicando as regiões mais densamente povoadas com galáxias, cada uma delas com centenas de bilhões de estrelas.

“Eu nem consigo descrever como esse mapa é fabuloso”, declarou Michael Troxel, astrofísico da Universidade de Manchester, no Reino Unido, e membro da colaboração.

Troxel e seus colegas agora estão usando este mapa detalhado das galáxias distorcidas para reconstruir a armação da matéria escura do universo. Durante este processo, eles panejam fazer i maior mapa da distribuição da matéria escura já feito. Sua meta é completar o projeto até o final de 2016.

Seu levantamento de cinco anos, começado em 2013, usa a câmera de 570 megapixels montada no Telescópio Blanco de 4 metros nas montanhas do Norte do Chile. A colaboração inclui mais de 400 cientistas de sete apíses. Ao final, eles terão mapeado um oitavo do céu  noturno.

Além do estudo da distribuição de galáxias, Troxel e seus colegas também compararam seus mapas com as medições da radiação deixada pelo Big Bang, chamada de Fundo Cósmico de Micro-ondas que é medido pelo Telescópio do Polo Sul e pelo satélite Planck. Isto permite aos cientistas examinarem as conexões entre o universo primevo e as galáxias que vemos hoje.

Em particular, eles buscam medir a taxa de expansão do universo da maneira mais precisa possível. Não desmentindo seu nome, a Dark Energy Survey está sendo usada para determinar como a misteriosa “energia escura” está acelerando esta expansão. Segundo Troxel, até agora suas descobertas estão consistentes com aquelas obtidas por outros astrofísicos que usam o satélite Planck.

Mas eles ainda estão preocupados com incertezas que podem dar um viés a suas conclusões. “Nós não temos controle sobre o tempo ou a atmosfera”, argumentou o astrofísico da New York University Boris Leistedt, outro membro da colaboração. Segundo ele, é um ponto crítico controlar esses efeitos e se assegurar que os dados não sejam afetados pelos mesmos.

Seu colega, Ravi Gupta do Argonne National Laboratory, concorda. Segundo ele, “esta nova era de cosmologia de precisão apresenta novos desafios”.

Gupta não estuda galáxias, mas supenovas, as explosões de estelas moribundas, as quais as sensíveis câmeras da DES também capturam. Uma vez que tenham compreendido o quão luminosas essas explosões deveriam ser, cada vez que virem uma supernova nascer, eles poderão estimar o quão distante ela está e isto dá uma nova ferramenta para medir a expansão do universo. Gupta e sua equipe observaram recentemente dúzias de supernovas “superluminosas”, até 100 vezes mais brilhantes do que a variedade mais comum. Elas podem ser vistas a dezenas de milhões de anos luz de distância e ele espera poder usá-las para examinar a expansão do universo em seu passado mais profundo.

“O desafio corrente é o de calibrar as medições realizadas e reduzir as incertezas sistêmicas”, diz Shirley Ho, uma astrofísica da Carnegie Mellon University, não participante da colaboração. Ela ansia pela publicação dos dados e dos mapas do primeiro ano da DES , “que serão algo entusiasmante para se trabalhar com”, segundo ela. E acrescenta: “Os cientistas da Dark Energy Survey são os primeiros a po0r limites na cosmologia pela correlação entre os dados das lentes gravitacionais e o fundo cósmico de micro-ondas. Isto é muito legal”.


Ramin Skibba é um escritor de ciências que trabalha em Santa Cruz e San Diego, California. Seu twitter é @raminskibba.

Berçários de estrelas são ativados por matéria escura

EurekAlert

Link para o original: Dark matter satellites trigger massive birth of stars

Astrônomos usam simulação em computador com base em modelos teóricos para explicar os massivos berçários de estrelas observados em galáxias anãs

UNIVERSITY OF CALIFORNIA – RIVERSIDE

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Uma galáxia anã tipo starburst com um berçário de estrelas. Imagem cortesia da UC RIVERSIDE

RIVERSIDE, Califórnia — Uma das principais predições do modelo corrente de criação de estruturas no universo, conhecido como Lambda Cold Dark Mattermodel, é que as galáxias estão inseridas em halos muito extensos e massivos de matéria escura que são, por sua vez, cercados por vários milhares de sub-halos menores, também feitos de matéria escura.

Em  voltaa de grandes galáxias, tais como a via Láctea, esses sub-halos são grandes o suficiente para conter suficiente gás e poeira cósmica para formar pequenas galáxias próprias e algumas dessas companheiras galáticas, conhecidas como galáxias satélites, podem ser observadas. Essas galáxias satélites podem orbitar por bilhões de anos em torno da galáxia mãe, antes que aconteça uma fusão potencial. As fusões fazem com que a galáxia central adicione grandes quantidades de gás e estrelas, disparando violentos espisódios de formação de novas estrelas, conhecidos como starbursts, devidos ao excesso de gases trazidos pela companheira absorvida. O formato ou morfologia da galáxia mãe tamém pode ser perturbado pela interação gravitacional.

Halos menores formam galáxias anãs que, por sua vez, serão orbitados por sub-halos ainda menores de matéria escura, estes pequenos demais para encerrar gases ou estrelas. Esses satélites escuros são, portanto, invisíveis para nossos telescópios, mas aparecem prontamente nos modelos teóricos nas simulações em computadores. Para provar sua existência, é necessária a observação direta de sua interação com as galáxias mães.

Laura Sales, professora assistente da Universidade da California, Riverside, no Departamento de Física e Astronomia, colaborou com Tjitske Starkenburg e Amina Helmi, ambas do Instituto Astronômico Kapteyn na Holanda, para apresentar uma nova análise de simulações em computador, com base nos modelos teóricos, que estudam a interação de uma galáxia anã com uma satélite escura.

As descobertas são descritas em um artigo recém publicado: Dark influences II: gas and star formation in minor mergers of dwarf galaxies with dark satellites,” na publicação Astronomy & Astrophysics.

As pesquisadoras descobriram que, durante a aproximação máxima de uma satélite escura a uma galáxia anã, ela comprime o gás na anã por ação gravitacional, detonando episódios siginificativos de starbursts. Esses episódios de formação de estrelas pode durar por vários bilhões de anos, dependendo da massa, órbita e concentração da satélite escura.

Este cenário prediz que várias das galáxias anãs que podemos observar hoje em dia deveriam estar formando estrelas em uma taxa maior do que o esperado – ou deveriam estar experimentando um starburst – que é exatamente o que as observações de nossos telescópios encontram.

Além disto, da mesma forma que fusões entre galáxias mais massivas, a interação entre uma galáxia anã e a satélite escura produz perturbações morfológicas na anã, que podem modificar comletamente sua estrutura, de um formato comum de disco para um sistema elíptico/esférico. Este mecanismo também dá uma explicação para a origem de galáxias anãs esferoidais isoladas, um enigma que ficou sem solução por várias décadas.

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Os raios gama vindos do centro da Via Láctea não são indício de matéria escura

EurekAlert

Galactic center’s gamma rays unlikely to originate from dark matter, evidence shows

PRINCETON UNIVERSITY

Estudos independentes feitos por grupos nos EUA e na Holanda, indicam que o excesso observado de raios gama vindos do meio da galáxia, provavelmente vêm de uma fonte ainda não conhecida e não de matéria escura. Os melhores candidatos a serem tais fontes são estrelas de nêutrons que giram muito rápido, o que será o alvo principal dos estudos que se seguirão. Os grupos de Princeton/MIT e o da Holanda se valeram de duas técnicas diferentes, ruído não Poissoniano e tranformações de wavelets, respectivamente, para determinarem independentemente se os sinais eram ou não devidos à auto-aniquilação da matéria escura.
Imagem cortesia de Christoph Weniger


Jatos de raios gama vindos do centro de nossa galáxia provavelmente não são sinais de matéria escura, mas sim de outros fenômenos astrofísicos tais como estrelas de nêutrons de alta rotação, chamadas de pulsares de milissegundo – é o que apontam dois novos estudos, um de uma equipe com base na Universidade Princeton e no Massachusetts Institute of Technology, o outro com base na Holanda.

Estudos anteriores sugeriam que os raios gama vindos da densa região do espaço na Via Láctea interior, poderiam ser causados pela colisão das invisíveis partículas de matéria escura. No entanto, usando novos métodos de análise estatística, as duas equipes de pesquisas descobriram de maneira independente que os sinais de raios gama não têm as características esperadas para sinais de colisão de partículas de matéria escura. Ambas as equipes relataram suas descobertas na edição desta semana de Physical Review Letters.

“Nossa análise sugere que o que estamos observando são indícios de uma nova fonte astrofísica de raios gama no centro da galáxia”, disse said Mariangela Lisanti, professora assistente de física em Princeton. “Esta é uma região muito complicada do céu e existem outros sinais astrofísicos que podem ser confundidos com sinais de matéria escura”.

Acredita-se que existe matéria escura no centro da Via Láctea porque nele reside uma grande concentração de massa, inclusive densos aglomerados de estrelas e um buraco negro. Uma descoberta conclusiva da ocorrência de colisões de partículas de matéria escura seria um enorme passo para a nossa compreensão do universo. “Se encontrássemos indícios diretos dessas colisões, isto seria interessante porque nos ajudaria a compreender o relacionamento entre a matéria escura e a matéria comum”, explicou Benjamin Safdi, pesquisador pós-doutorado no MIT que obteve seu Ph.D. em 2014 em Princeton.

Para dizer se os sinais eram provenientes de matéria escura ou de outras fontes, a equipe de pesquisa Princeton/MIT se voltou para técnicas de processamento de imagens. Eles procuraram por com o que os raios gama deveriam se parecer, se viessem realmente da colisão das hipotéticas partículas de matéria escura, as weakly interacting massive particles, ou WIMPs. Para a análise, Lisanti, Safdi e Samuel Lee, um antigo pesquisador pós-doutoral de Princeton, que agora está no Broad Institute, juntamente com os colegas Wei Xue e Tracy Slatyer do MIT, estudaram imagens dos raios gama capturadas pelo Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA, que vem mapeando esses raios desde 2008.

Acredita-se que as partículas de matéria escura perfaçam uns 85% da massa do universo, porém elas jamais foram detectadas. A colisão de duas WIMPs, de acordo com um modelo largamente aceito de matéria escura, faz com que elas se aniquilem, produzindo raios gama que são o tipo mais energético de luz que há no universo.

De acordo com esse modelo, as partículas de luz (fótons) de alta energia, ficariam suavemente distribuídos entre os pixels das imagens capturadas pelo Telescópio Fermi. Por outro lado, outras fontes, tais como estrelas de grande rotação, conhecidas como pulsares, liberam jatos de luz que são observados como pixels brilhantes e isolados.

Os pesquisadores aplicaram seu método de análise estatística às imagens coletadas pelo Telscópio Fermi e descobriram que a distribuição dos fótons era granulada, em lugar de suave, o que indicava que os raios gama provavelmente não eram causados por colisões de partículas de matéria escura.

O que são exatamente essas novas fontes, é o que não se sabe, segundo Lisanti, mas uma possibilidade é que sejam estrelas de alta rotação, muito velhas, conhecidas como pulsares de milissegundo. Ela diz ainda que será possível explorar a fonte dos raios gama usando-se outros tipos de pesquisa astronômica que envolvem telescópios que detectam rádio-frequências.

Douglas Finkbeiner, professor de astronomia e física na Universidade Harvard e que não esteve diretamente envolvido com o presente estudo, declarou que, embora a descoberta comlique a busca pela matéria escura, leva a outras áreas para descobertas. “Nosso trabalho como astrofísicos é caracterizar o que observamos no universo, não obter algum resultado predeterminado e desejado. É claro que seria excelente encontrar matéria escura, mas apenas visualizar o que acontece lá fora e fazer novas descobertas é, por sí só, entusiasmante”.

Segundo Christoph Weniger da Universidade de Amsterdam e principal autor do estudo holandês, a descoberta é uma situação ganhar-ganhar: “Ou vamos encontrar centenas ou milhares de pulsares de milissegundo na próxima década – lançando luzes sobre a história da Via Láctea – ou não vamos encontrar coisa alguma. Neste último caso, uma explicação com base em matéria escura para o excesso de raios gama ficará muito mais óbvia”.

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Inflações secundárias? Pode ser…

Nova teoria de inflação secundária apresenta novas opções para evitar o problema de um excesso de matéria escura

Físicos sugerem que um período menor de expansão inflacionária nos instantes logo após o Big Bang podem explicar a quantidade estimada dessa matéria misteriosa

DOE/BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

14 de janeiro de 2016 – UPTON, NY — A cosmologia padrão – ou seja, a Teoria do Big Bang, com seu período inicial de expansão exponencial – é o modelo mais aceito para nosso universo, no qual todo o espaço e tempo incharam como um balão, a partir de um ponto muito quente e muito denso, para virar uma vastidão homogênea e sempre em expansão. Essa teoria dá conta de vários fenômenos físicos que observamos. Mas e se isso não for tudo?

Uma nova teoria dos físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi e da Universidade Stony Brook, que será publicada online em 18 de janeiro em Physical Review Letters, sugere ter havido um segundo período inflacionário mais curto que pode dar conta da quantidade estimada de matéria escura no cosmos.

“Em geral, uma teoria fundamental da natureza pode explicar certos fenômenos, mas ela pode, no fim, não acabar dando a quantidade certa de matéria escura”, argumenta Hooman Davoudiasl, líder de grupo no Grupo Teórico de Altas Energias do Laboratório Nacional Brookhaven e um dos autores do artigo. “Se você acabar com pouca matéria escura, sempre pode sugerir uma nova fonte para esta, porém matéria escura demais é um problema”.

Medir a quantidade de matéria escura no universo não é uma tarefa fácil. Ao fim e ao cabo ela é escura, de forma que não interage de maneira significativa com a matéria comum. Não obstante, os efeitos gravitacionais da matéria escura dão aos cientistas uma boa ideia de quanto dela existe por aí. As melhores estimativas indicam que ela perfaz cerca de um quarto do total de massa-energia do universo, enquanto que a matéria comum – esta que compõe as estrelas, nosso planeta e nós mesmos – compreende apenas 5%. A matéria escura é a substância dominante no universo, o que levou os físicos a criar teorias e experiências para explorar suas propriedades e entender o que deu origem a ela.

Algumas teorias que apresentam explicações elegantes para certas esqusitices na física que nos deixam perplexos – por exemplo, a pasmante fraqueza da gravidade em comparação com as outras interações fundamentais (eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca) – não podem ser totalmente aceitas porque predizem mais matéria escura do que as observações empíricas podem apoiar.

Esta nova teoria soluciona este problema. Davoudiasl e seus colegas adicionam um novo passo à sequência de eventos comumente aceita na criação do espaço e tempo.

Na cosmologia padrão, a expansão exponencial do universo – chamada de inflação cósmica – teve início provavelmente logo aos 10-35 segundo depois do começo do tempo – isso é zero vírgula 34 zeros, um. Essa expansão explosiva de todo o espaço durou meras frações de uma fração de segundo, o que levou eventualmente a um universo quente, seguido de um período de resfriamento que continua até os presentes dias. Então, quando o universo tinha entre alguns segundos e alguns minutos de idade – ou seja, ficou frio o bastante – começou a formação dos elementos mais leves. Entre esses marcos, podem ter acontecido outros interlúdios inflacionários. argumenta Davoudiasl.

“Eles não teriam sido grandiosos ou tão violentos como o inicial, mas poderiam dar conta de uma diluição da matéria escura”, explica ele.

No começo, quando as temperaturas ultrapassavam bilhões de graus em um volume de espaço relativamente pequeno, as partículas de matéria escura podiam se chocar e se aniquilarem no contato, passando sua energia para os constituíntes da matéria comum – partículas tais como elétrons e quarks. Mas, na medida em que o universo continuou a se expandir e esfriar, as partículas de matéria escura se encontravam cada vez menos vezes e a taxa de aniquilação não conseguia dar conta da taxa de expansão.

“Neste ponto, a abundância de matéria escura foi cozinhada com o resto do bolo”, prossegue Davoudiasl. “Lembrem-se que a matéria escura interage de maneira muito fraca. Dessa forma, não pode continuar a existir uma taxa de aniquilação significativa em temperaturas mais baixas. A auto-aniquilação da matéria escura se torna ineficaz bem cedo e a quantidade de partículas de matéria escura fica congelada”.

No entanto, quanto mais fracas forem as interações da matéria escura – ou seja, quanto menos eficiente for a auto-aniquilação – maior deveria ser a abundância final de partículas de matéria escura. Na medida em que as experiências colocam restrições cada vez maiores na força das interações da matéria escura, algumas teorias correntes acabam por superestimar a quantidade de matéria escura no universo. Para colocar as teorias em alinhamento com as observações, Davoudiasl e colegas sugerem que aconteceu um outro período inflacionário, alimentado por interações em um “setor oculto” da física. Esse segundo período de inflação, mais suave, caracterizado por um rápido crescimento do volume, teria diluído a abundância primordial de partículas, potencialmente deixando o universo com a densidade de matéria escura que observamos atualmente.

“Definitivamente não é a cosmologia padrão, mas temos que aceitar que o universo pode não ser governado pela maneira padrão que pensamos”, disse ele. “Porém, não tivemos que construir alguma coisa complicada. Nós demonstramos que um modelo simples pode obter essa pequena quantidade de inflação no universo primevo e dar conta da quantidade de matéria escura que acreditamos haver por aí”.

Provar a teoria é outra coisa totalmente diferente. Davoudiasl diz que pode haver uma maneira de procurar por, pelo menos, as mais fracas interações entre o setor oculto e a matéria comum.

“Se esse período inflacionário secundário aconteceu, ele pode ser caracterizado por energias dentro do alcance de experiências em aceleradores tais como o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e o Large Hadron Collider,” diz ele. Somente o tempo dirá se os sinais de um setor oculto vão aparecer ns colisões dentro desses aceleradores, ou em outras instalações experimentais.

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CAST explora o lado negro do universo

Original em inglês por Corinne Pralavorio – 18 Set 2015. Última atualização em 21 Set 2015.

Vídeo em timelapse do CAST seguindo o Sol pela manhã e à tarde (Vídeo: Madalin-Mihai Rosu/CERN)

Pelos próximos 10 dias o Telescópio de Áxions Solares do CERN (CERN’s Axion Solar Telescope  – CAST) receberá os raios do Sol. O curso do Sol só fica visível da janela da instalação do CAST duas vezes por ano, em março e setembro. Os cientistas vão se aproveitar desses poucos dias para melhorar o alinhamento do detector com o Sol até um décimo de um radiano.

No período fora desse alinhamento, o CAST segue o Sol, mas não consegue vê-lo. O experimento com astropartículas procura por áxions solares, partículas hipotéticas que, se acredita, interagem de modo tão fraco com a matéria comum que passam livremente pelas paredes. É para detectar essas partículas elusivas que o detector do CAST segue o movimento do Sol por uma hora e meia no nascente e outras hora e meia durante o poente.

Os áxions foram propostos como solução para solucionar uma discrepância entre a teoria do infinitamente pequeno e o que é realmente observado. Eles foram batizados com uma marca de sabão em pó porque sua existência pode permitir a “limpeza” da teoria. Se eles existirem, os áxions podem também ser bons candidatos para a vaga de matéria escura do universo.. Acredita-se que a matéria escura represente 80% da matéria do universo, porém sua verdadeira natureza ainda é desconhecida.

Depois de 12 anos de pesquisa, o CAST (ainda) não detectou áxions solares, mas já estabeleceu os limites mais restritivos para sua força de interação. Por conta disso, a experiência se tornou a referência global sobre o assunto.

 Pesquisadores e membros da colaboração CAST instalam seus equipamentos para alinhar o telescópio com a posição do Sol. (Imagem: Sophia Bennett/CERN)

Ao longo de dois anos, a colaboração que envolve cerca de 70 pesquisadores de 20 e tantos institutos, também procurou por outro tipo de partícula hipotética: camaleões. Estas foram propostas para soluconar o problema da energia escura. A energia escura que, como seu nome sugere, permanece misteriosa e indetectável, e tida como representante de 70% de toda a energia do universo e como responsável pela expansão observada no cosmos. Teorias propõem que essa energia escura seja uma quinta força fundamental e que as partículas camaleão podem comprovar a existência dessa força. Elas foram batizadas com o nome do réptil porque, se acredita, elas podem interagir de formas diferentes segundo a densidade do material com quem interagem.

Se as camaleões existirem, elas poderiam, tal como os áxions, ser também produzidas pelo Sol e detectadas pelo CAST. A colaboração acaba de instalar dois novos detectores nas extremidades na ponta do magneto. E também está se preparando para instalar um sensor inovativo com uma membrana ultra fina, capaz de detectar um deslocamento da ordem de 10-15 metros – o tamanho de um núcleo atômico!

Em busca da matéria escura

Dark Energy Survey cria um guia detalhado para encontrar a matéria escura 

A análise dos dados ajudará os cientistas a compreender o papel da matéria escura na formação das galáxias

DOE/FERMI NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

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IMAGEM: Este é o primeiro mapa do Dark Energy Survey que detalha a distribuição da matéria escura ao longo de uma grande área dos céus. As cores representam as densidades projetadas: vermelho e amarelo, as de maior densidade. O mapa de matéria escura reflete o quadro atual de distribuição de massas no universo, onde grandes filamentos de matéria se alinham com galáxias e aglomerados de galáxias. Os aglomerados de galáxias são representados pelas manchas cinzentas no mapa – manchas maiores representam aglomerados maiores. Este mapa cobre 3% da área dos céus que será eventualmente pesquisada pelo DES em sua missão de cinco anos.

CRÉDITO: DARK ENERGY SURVEY

 

Os cientistas do Dark Energy Survey divulgaram o primeiro de uma série de mapas da matéria escura no cosmos. Esses mapas, criados com uma das câmeras digitais mais poderosas do mundo, são os maiores mapas contínuos com este nível de detalhe e ajudarão nossa compreensão do papel da matéria escura na formação das galáxias. A análise da granulação da matéria escura nos mapas também permitirá aos cientistas exploraram a natureza da msiteriosa energia escura que se acredita estar causando a aceleração da expansão do universo.

Os novos mapas foram divulgados hoje na reunião de abril da American Physical Society em Baltimore, Maryland. Eles foram criados a partir dos dados obtidos pela Câmera de Energia Escura (Dark Energy Camera), um dispositivo de imageamento de  570 megapixels que é o principal instrumento do Dark Energy Survey (DES).

A matéria escura, a misteriosa substância que responde por cerca de um quatro do universo, é invisível até para os mais sensíveis instrumentos astronômicos porque não emite ou absorve luz. Mas seus efeitos podem ser vistos através do estudo de um fenômeno chamado de lente gravitacional – a distorção que ocorre quando a gravidade da matéria escura desvia a luz em torno de galáxias distantes. A compreensão do papel da matéria escura é parte do programa de pesquisa para quantificar o papel da energia escura, o objetivo principal deste levantamento.

A presente análise foi liderada por Vinu Vikram do Argonne National Laboratory (então na Universidade de Pennsylvania) e Chihway Chang do ETH Zurich. Vikram, Chang e seus colaboradores na Penn, no ETH Zurich, na Universidade de Portsmouth, na Universidade de Manchester e outras instituições associadas ao DES, trabalharam por mais de um ano para validar os mapas das lentes gravitacionais.

“Nós medimos as distorções quase imperceptíveis nas aparências de cerca de 2 milhões de galáxias para construir esses novos mapas”, declarou Vikram. “Eles são um testemunho, não só da sensibilidade da Câmera de Energia Escura, como também do rigoroso trabalho de nossa equipe de análise de lentes gravitacionais para compreender sua sensibilidade tão bem que fomos capazes de obter resultados de tamanha precisão”.

A câmera foi construída e testada no Fermi National Accelerator Laboratory, do Departamento de Energia do governo dos EUA, e montada no telescópio de 4 metros Victor M. Blanco no Observatório Internacional de Cerro Tololo no Chile. Os dados foram processados no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

O mapa da matéria escura divulgado hoje resulta das primeiras observações do DES e cobre 3% da área dos céus que será coberta nos cinco anos da missão do DES.  O levantamento acaba de completar seu segundo ano. Na medida em que os cientistas expandirem suas buscas, serão capazes de testar as correntes teorias cosmológicas, comparando as quantidades de matéria visível e escura.

As teorias correntes sugerem que, uma vez que existe muito mais  matéria escura do que matéria visível no universo, as galáxias devem se formar onde estejam presentes grandes concentrações de matéria escura (e, portanto, maior atração gravitacional). Até agora, as análises do DES sustentam esta hipótese: os mapas mostram grandes filamentos de matéria ao longo dos quais as galáxias e aglomerados de galáxias de matéria visível existem, assim como grandes vazios onde existem poucas galáxias. Os estudos subsequentes de alguns filamentos e vazios, assim como o enorme volume de dados coletados pelo levantamento, revelarão mais acerca desta interação entre massa e luz.

“Nossa análise, até agora, é coerente com o quadro previsto para nosso universo”, diz Chang. “Ao darmos um zoom para dentro dos mapas, pudemos medir como a matéria escura envolve galáxias de diferentes tipos e como evoluem em conjunto ao longo do tempo cósmico. Estamos ansiosos para usar os novos dados que estão chegando para podermos realizar testes mais precisos ainda dos modelos teóricos”

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Matéria escura: até agora, nada!…

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Um evento no ATLAS entre dois fótons. Os fótons são denotados pelos rastros de energia na cor verde.

                 Crédito da Imagem:  Experiência ATLAS © 2013 CERN | http://bit.ly/LegAIF

Original (em inglês) por Charles Q. Choi, Contribuidor do ISNS

(ISNS) — A matéria escura é presentemente um dos maiores mistérios do universo. Agora os cientistas revelam que o mais poderoso colisor de partículas do mundo não desencavou qualquer indício dessa forma hipotética de matéria, o que coloca novos limites para aquilo que ela pode ser.

A matéria escura é, hipoteticamente, uma substância invisível e enigmática que – se acredita – deve responder por quase cinco sextos de toda a matéria existente no cosmo. Os astrônomos começaram a suspeitar de sua existência na década de 1930, quando perceberam que o universo parecia possuir mais massa do que aquela das estrelas (e todo o resto de matéria observável). Por exemplo, a velocidade com que as estrelas orbitam o centro da Via Láctea é tão grande que elas já deveriam ter vencido a atração gravitacional do núcleo da galáxia e terem escapado para o vazio intergalático, mas alguma coisa as mantem no lugar, coisa esta que a maioria dos pesquisadores acredita ser a gravidade de um material até hoje não observado: a matéria escura.

Os cientistas já descartaram todas as formas conhecidas de matéria candidatas ao papel de matéria escura. Até o presente o consenso é que a matéria escura seja constituída de uma forma nova e invisível de partículas, as quais só interagiriam muito fracamente com a matéria conhecida.

A matéria escura não pode ser explicada por qualquer uma das partículas do Modelo Padrão da física de partículas, a melhor descrição atual para o mundo na escala subatômica. Desta forma, elas devem aparecer a partir de uma física que vá além do Modelo Padrão. Uma das possibilidades está na ideia conhecida como supersimetria, a qual sugere que todos os tipos de partículas conhecidos do Modelo Padrão têm uma contrapartida, ainda não detectada. Por exemplo, os elétrons teriam suas contrapartidas denominadas selétrons. Outra possibilidade é a existência de partículas conhecidas como áxions, originalmente propostas pelos físicos teóricos para solucionar um dos enigmas relacionados com a força nuclear forte, uma das quatro forças fundamentais do universo, que mantém coesos os prótons e nêutrons do núcleo atômico.

A maior parte das experiências que buscam a matéria escura envolve gigantescos detectores subterrâneos que procuram as raras colisões entre a matéria comum e partículas de matéria escura que passam através da Terra. No entanto, muitas das teorias sugerem que o maior colisor de partículas já construído, o Large Hadron Collider, pode gerar partículas de matéria escura. Embora essas partículas de matéria escura consigam escapar indetectadas pelos sensores da máquina, os cientistas do LHC em Genebra, Suíça, ou aqueles por todo o mundo que fazem a interpretação dos dados das colisões, poderiam inferir sua existência a partir do comportamento de outros produtos dessas colisões. Eles poderiam usar os dados das colisões para inferir detalhes desses pedacinhos de matéria escura, tais como suas massas e suas seções de choque — quer dizer, a probabilidade delas interagirem com outras partículas.

Buscas anteriores pela matéria escura no LHC procuravam por jatos individuais de partículas, formadas quando se estraçalha próton contra próton em níveis de energias sem precedentes. Durante a temporada de 2012 do LHC run, a colaboração ATLAS realizou experiências com colisões mais complexas que geravam não apenas um único jato, como também dois jatos estreitos adicionais.

Estas novas descobertas excluem enfaticamente vários potenciais candidatos a matéria escura e a pesquisa foi detalhada online na Physical Review Letters. Especificamente, o trabalho “coloca interessantes restrições nas tentativas de estender o Modelo Padrão de física de partículas de forma mínima para explicar a matéria escura”, segundo o físico de astropartículas Gianfranco Bertone da Universidade de Amsterdam (que não tomou parte na pesquisa).

Embora estas descobertas excluam alguns possíveis candidatos a matéria escura, “Eu não penso que isso seja realmente um grande problema para as teorias de matéria escura, no momento”, diz o físico de partículas Andreas Hoecker, vice coordenador da Experiência ATLAS no CERN. “A melhor  teoria que temos para a matéria escura, a supersimetria, não fica excluída com estes resultados”.

Os cientistas estão agora fazendo melhorias nos aceleradores do LHC. “Em meados de 2015, o acelerador vai ser novamente ligado e terá uma capacidade de quase o dobro da energia que antes”, diz Hoecker. Isto significa que as futuras experiências “poderiam procurar pela formação de partículas supersimétricas, tais como squarks, gluínos e neutralinos com massas muito maiores do que o permitido nos dados anteriores”. Não se espera que as experiências do LHC detectem áxions, já que estes teoricamente têm seções de choque muito baixa, além das capacidades do acelerador.

Além disto, por volta de 2022, os melhoramentos no LHC devem atingir uma luminosidade 10 vezes maior — ou seja, esmagar 10 vezes mais prótons contra um alvo, a cada seção. Isso pode gerar potenciais partículas de matéria escura em números bem maiores do que antes, talvez em número suficiente para sua detecção, a despeito da raridade de sua interação com outras partículas, acrescenta Hoecker.

Se o LHC não detectar coisa alguma, mesmo a essas energias maiores e maior luminosidade, “ainda fica muito difícil excluir totalmente os modelos de supersimetria, porém os cientistas provavelmente vão perder o interesse”, argumenta Bertone. “Possivelmente os pesquisadores vão ter que procurar em outro lugar”.


Charles Q. Choi é um escritor de ciências freelance com base em Nova York que já escreveu para The New York Times, Scientific American, Wired, Science, Nature, e várias outras publicações

Mais uma teoria sobre a Matéria Escura


Vanderbilt University

Uma teoria simples pode explicar a misteriosa matéria escura

 IMAGEM: Esta é uma comparação entre um campo anapolar com os campos dipolos elétrico e magnético comuns. O campo anapolar, acima, é gerado por uma corrente elétrica toroidal. Como resultado, o campo fica restrito ao torus, em vez de se propagar como os campos dipolos comuns.

Crédito:  Michael Smeltzer, Vanderbilt University

Imagem ampliada.

A maior parte da matéria do universo pode ser feita de partículas que possuem um incomum campo eletromagnético em forma de anel, chamado anapolo.

Esta proposta, que dota as partículas de matéria escura com uma forma rara de eletromagnetismo, foi reforçada por uma análise detalhada realizada por um par de físicos teóricos da Universidade Vanderbilt: o Professor Robert Scherrer e o doutor-associado Chiu Man Ho. Um artigo sobre a pesquisa foi publicado online no mês passado por Physics Letters B.

“Existem muitas teorias diferentes acerca da natureza da matéria escura. O que eu gosto nesta teoria é sua simplicidade, singeleza e o fato de que pode ser testada”, disse Scherrer.

No artigo, intitulado “Anapole Dark Matter,” os físicos propõem que a matéria escura – um tipo invisível de matéria que perfaz 85% de toda a matéria do universo – pode ser constituída de um tipo básico de partícula chamado Férmion de Majorana. A existência desta partícula foi prevista em 1930, mas ela tem teimosamente resistido a ser detectada.

Um bom número de físicos sugeriu que a matéria escura seja feita de Férmions de Majorana, porém Scherrer e Ho realizaram cálculos detalhados que demonstram que essas partículas são particularmente adequadas a possuir um tipo raro de campo eletro-magnético em forma de anel, chamado um anapolo. Este campo lhes conferiria propriedades diferentes das partículas que possuem campos mais comuns, do tipo com dois polos (norte e sul, positivo e negativo) e explica por que elas são tão difíceis de detectar.

“A maioria dos modelos para a matéria escura supõe que ela interaja por meio de forças exóticas que não encontramos no dia-a-dia. A matéria escura anapolar usa o mesmo eletromagnetismo que aprendemos na escola – a mesma força que faz com que os imãs grudem em sua geladeira ou fazem com que um balão de ar esfregado nos cabelos grude no teto”, explica Scherrer. “Além disso, o modelo faz predições muito específicas acerca das quantidades que deverão ser detectadas nos enormes detectores de matéria escura enterrados no chão por todo o mundo. Tais predições mostram que a existência da matéria escura anapolar deve ser comprovada ou descartada em breve por tais experimentos”.

Férmions são partículas como o elétron e o quark, que são os componentes básicos da matéria. Sua existência foi predita por Paul Dirac em 1928. Des anos depois, pouco antes de desaparecer misteriosamente no mar, o físico italiano Ettore Majorana produziu uma variante da fórmula de Dirac que prevê a existência de um férmion eletricamente neutro. Desde então, os físicos vêm buscando os Férmions de Majorana. O candidato inicial foi o neutrino, porém os cientistas não conseguiram determinar a natureza dessa partícula elusiva.

A existência da matéria escura foi também inicialmente proposta nos anos 1930 para explicar as discrepâncias nas velocidades de rotação dos aglomerados galáticos. Subsequentemente, os astrônomos  descobriram  que a rotação das estrelas em torno das galáxias individuais também estava fora de sincronia. As observações detalhadas mostraram que as estrelas afastadas do centro das galáxias estão girando em velocidades muito mais altas do que poderia ser explicado pela quantidade de matéria visível que as galáxias contêm. Presumir que elas contenham uma grande quantidade de matéria “escura” invisível é a conclusão mais lógica para explicar tais discrepâncias.

Os cientistas hipotetizaram que a matéria escura não pode ser vista pelos telescópios porque ela não interage de maneira forte com a luz e outras radiações eletromagnéticas. Com efeito, as observações astronômicas basicamente descartaram a possibilidade de que as partículas de matéria escura tenham cargas elétricas.

Entretanto, mais recentemente, vários cientistas consideraram partículas de matéria escura que não teham cargas elétricas, mas têm dipolos elétricos ou magnéticos. O único problema é que, mesmo que esses modelos complicados são descartáveis em favor de partículas de Majorana. Esta é uma das razões pelas quais Ho e Scherrer examinaram mais de perto a versão de matéria escura com um momento magnético anapolar.

“Embora os Férmions de Majorana sejam eletricamente neutros, as simetrias fundamentais da natureza os proíbem de adquirir quaisquer propriedades eletromagnéticas, exceto se foram anapolares”, diz Ho. A existência de um anapolo magnético foi previsto pelo físico soviético Yakov Zel’dovich em 1958. Desde então, isso foi observado na estrutura magnética dos núcleos dos átomos do césio-133 e do itérbio-174.

Partículas com os familiares dipolos elétrico e magnético interagem com campos eletromagnéticos até quando estão estacionárias. As partículas com anapolos, não. Estas precisam estar em movimento antes que possam interagir e quanto mais rápido se moverem, mais forte será a interação. Em função disto, as partículas anapolares teriam sido muito mais interativas durante os estágios iniciais do universo e teriam se tornado cada vez menos interativas na medida em que o universo se expandiu e esfriou.

As partículas de matéria escura anapolar sugeridas por Ho e Scherrer teriam se aniquilado no universo primitivo tal como quaisquer outras partículas de matéria escura propostas, e as partículas remanescentes deste processo formariam a matéria escura que vemos hoje [NT: ou não vemos…]. Porém, como a matéria escura está se movendo muito mais devagar no presente e porque as interações anapolares dependem de quão depressa elas se movem, essas partículas teriam escapado da detecção até agora, porém por muito pouco.

 

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Matéria escura! (Será mesmo?…) [2]

Mais uma vez os meios de comunicação começaram a alardear a descoberta de indícios da confirmação da existência da matéria escura. A primeira foi com base em indícios colhidos pelo Telescópio Espacial Fermi da NASA.

Espectrômetro Magnético Alfa

Espectrômetro Magnético Alfa.

Imagem do WikiMedia Commons.

Agora são os resultados preliminares do Espectrômetro Magnético Alfa, um experimento de alto coturno com esse instrumento a bordo da Estação Espacial Internacional. Segundo esses resultados preliminares, foram detectados mais posítrons do que o que seria de se esperar nos “raios cósmicos” (na verdade, não são “raios” – são partículas de altíssima energia que atingem a Terra vindas das profundezas do espaço).

Segundo o press-release do Departamento de Energia dos EUA (o link acima, do EurekAlert):

Esse primeiro resultado relacionado à física vindo do AMS é baseado em 18 meses de operação, durante os quais o AMS mediu 6.800.000 elétrons de raios cósmicos, na faixa de energia de meio bilhão a um trilhão de elétron-Volts, e mais de 400.000 posítrons, o maior número de partículas energéticas de antimatéria jamais diretamente medido no espaço. A importância dessa medição é que ela eventualmente pode indicar a “arma fumegante” [“smoking gun”, no original – equivalente à expressão “a prova do crime” em português] de que certas partículas de matéria escura existem e que as partículas de matéria escura e antipartículas estão se aniquilando entre si no espaço. 

Embora os dados não mostrem uma “arma fumegante” até agora, essa primeira medição de alta precisão (~1% de erro) do espectro possui características interessantes, não observadas até agora, que dados futuros podem ajudar a esclarecer. Com os dados adicionais, nos anos vindouros, o AMS tem o potencial de trazer à luz a matéria escura.

hype (para variar só um pouco…) foi endossado pelo CERN (um dos órgãos envolvidos no experimento AMS), em cujo press-release consta:

Um excesso de antimatéria dentro do fluxo de raios cósmicos foi observado pela primeira vez a cerca de duas décadas. A origem desse excesso, entretanto, permanece inexplicada. Uma das possibilidades, predita pela teoria da supersimetria, é que os posítrons sejam gerados quando duas partículas de matéria escura colidam e se aniquilem. Supondo uma distribuição isotrópica de partículas de matéria escura, essa teoria teria previsto as observações feitas pelo AMS. No entanto, as medições feitas pelo AMS não podem, ainda, excluir a explicação alternativa de que os posítrons tenham origem em pulsares distribuídos em torno do plano da galáxia.

Não sem razão, Peter Woit, em seu blog Not Even Wrong, chama essa notícia de “O hype da semana”.

E o universo ficou mais velho… e diferente

Telescópio do Polo Sul (WikiMedia Commons)

Telescópio do Polo Sul. Imagem da WikiMedia Commons.
Link para a imagem original.


Quando eu publiquei o post O universo antigo produzia mais estrelas do que se pensava, eu tive que escolher entre vários press-releases sobre o mesmo assunto. Eu traduzi o da Universidade de Chicago, mas havia também os da National Science Foundation, “Telescópios Financiados pela NSF no Polo Sul e Chile descobrem bursts de formação de estrelas no universo primitivo”, da Fundação Kavli, “Testemunhando starbursts em galáxias jovens”, da Universidade do Arizona, “[O Telescópio] ALMA expõe  fábricas de estrelas escondidas no universo jovem”, do National Radio Astronomy Observatory, “[O Telescópio] ALMA descobre “monstruosas” galáxias starburst no universo jovem”, da Carnegie Institution, “Descobertas galáxias antigas e extremamente ativas”, e outros dois com o mesmo título: “[O Telescópio] ALMA reescreve a história do baby boom estelar do Universo”, um da Universidade McGill e outro do European South Observatory.

É claro que todo este fuzuê sobre a descoberta tinha um motivo bem claro: os cálculos dos astrofísicos sobre a linha-do-tempo da formação de estrelas, galáxias e do próprio universo continham algum erro.

Imediatamente me ocorreu entrar em contato com o scibling Ethan Siegel do Starts With a Bang, mas diversas outras coisas (combinadas com meu raro talento em procrastinar) foram “deixando-para-depois” e, quando finalmente eu acessei o blog dele, me deparei com o post “O que todos deveriam saber sobre o universo, na véspera [da divulgação dos dados] do [Telescópio Espacial] Planck”. Bem… se Ethan esperava alguma novidade importante dos dados do Planck, eu também poderia…

Imagem do Fundo Cósmico de Micro-ondas obtida pelo Satélite Planck.
Link para a imagem original.


Agora, esta figura já é conhecida por todos e as agências de notícias já comentaram que o Universo é, pelo menos, 80 milhões de anos mais velho do que se calculava. Mas, como eu esperava, Ethan chama a atenção para diversas outras novidades em seu post “Do que é feito todo o Universo, graças ao Planck”. E eu vou tomar a liberdade de kibar desavergonhadamente o post dele. Espero que me perdoem se eu não reproduzir algumas das ilustrações do post do Ethan porque elas são demasiado técnicas. Por mais que eu ame a física quântica e a astrofísica, quando começam a argumentar “se o hamiltoniano é hermitiano”, eu me sinto como o cachorrinho que caiu do caminhão de mudanças…

Comparação da Resolução das imagens Cobe, WMAP e Planck.

Comparação da Resolução das imagens Cobe, WMAP e Planck. Crédito: NASA Jet Propulsion Laboratory, CalTech.

Link para a imagem original.

A primeira coisa que Ethan enfatiza é a qualidade da imagem fornecida pelo Planck. Como diz ele, na década de 1990 o satélite  Cosmic Background Explorer (COBE ou Explorador do Fundo Cósmico) nos deu uma primeira imagem difusa do Fundo Cósmico de Micro-ondas (Cosmic Microwave Background, ou simplesmente CMB). Se você está pensando naquele eco do Big Bang descoberto quase que por acaso por Penzias e Wilson em 1965, está correto! A primeira imagem disto foi obtida na década de 1990 pelo satélite Cobe, com uma resolução de imagem de cerca de 7 graus, e a sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da NASA obteve, em 2006, após muita filtragem dos ruídos das emissões “atuais”, uma imagem bem mais nítida do CMB, com uma resolução de cerca de meio grau. Agora, também após um exaustivo processo de filtragem do ruído, o Planck chegou ao limite de resolução possível; Ethan enfatiza que o problema não é o da sensibilidade dos instrumentos do Planck, mas da própria natureza do universo!

A segunda coisa que ele realça é que o universo não só é composto de mais matéria do que se pensava, como também está se expandindo mais devagar do que se calculava. O Parâmetro de Hubble medido pelo Planck é tão menor do que aquele que se usava que, se fosse ele a única diferença encontrada, significaria que o universo seria um bilhão de anos mais velho do que se pensava! (Só que não…) As quantidades de matéria normal e escura são bem maiores do que se acreditava, sobrando uma fatia menor para a energia escura. Em lugar de 73% de energia escura, o Planck nos diz que é algo na faixa de 68 a 69%; a matéria escura deve ficar entre 26 a 26,5% e a matéria bariônica (ou “normal”, da qual somos feitos nós e as estrelas) não é mais só 4,6% do universo: o número subiu para 4,9%. Ah!… Sim… E, em tanto quanto o Planck tem a nos dizer, não há uma “curvatura” no universo: ele é “plano”.

Em outras palavras, existe um pouco mais de matéria normal, uma quantidade significativamente maior de matéria escura e uma quantidade significativamente menor de energia escura do que pensávamos! De forma que, enquanto a taxa de expansão menor nos diz que o universo é mais velho do que acreditávamos, o aumento de matéria (e diminuição da energia escura) nos diz que o universo é mais jovem do que seria de outra forma!

Um universo que fosse composto por 100% de matéria normal + matéria escura, teria apenas uns 10 bilhões de anos, porém o nosso parece ser dividido em cerca de 31,5% de matéria-total e 68,5% de energia escura. De forma que, quando ajustamos nossos atuais dados, chegamos a um universo com 13,81 bilhões de anos, ou seja: 80 milhões de anos mais velho do que nossa melhor estimativa anterior.

Outra coisa que se procurou entre os dados do Planck foi a “assinatura” de ondas gravitacionais primevas, o que corroboraria certos modelos da inflação do universo e descartaria outros. Os dados de polarização ainda estão sendo analisados, mas, por enquanto, nada definitivo emergiu.

Finalmente, os dados confirmam algo muito esquisito, já notado anteriormente: existe um alinhamento das anomalias locais do CMB com o eixo de nossa galáxia, algo que os astrofísicos chamam jocosamente de “eixo do mal”.


Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck (essa eu não achei o original e kibei direto do blog do Ethan)

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